Plate-forme de prototypage rapide fondée sur la synthèse de haut niveau pour applications de radiocommunications

par Pierre Bomel

Thèse de doctorat en Sciences de l'ingénieur. Électronique et informatique industrielle

Sous la direction de Emmanuel Boutillon.

Soutenue en 2004

à Lorient .


  • Résumé

    L’avènement des technologies sub-microniques profondes de fabrication des semi-conducteurs et l’accroissement de la complexité des systèmes intégrables sur une seule puce ont pour conséquence de faire apparaître de nouveaux défis méthodologiques en conception de circuits au niveau système. La réutilisation intensives de composants pré-développés, ou synthétisés à la demande, permet de réduire les temps de développement et donc le coût de conception. Malheureusement, cette réutilisation fait aussi apparaître des chemins critiques sur les pistes métalliques de grandes longueurs qui connectent les composants entre eux. L’optimisation locale des fréquences de fonctionnement de chacun des blocs peut alors être réduite à néant par les mauvaises performances du réseau de communication inter-composants. C’est dans ce contexte que la théorie des systèmes insensibles à la latence (LIS) propose une solution très prometteuse fondée sur un réseau de communication pseudo-asynchrone et des modèles de wrappers de synchronisation qui encapsulent les composants pour les rendre insensibles aux asynchronismes des communications. On doit néanmoins constater que les différentes propositions actuelles d’architectures de wrappers ne sont pas suffisamment performantes en surface et en vitesse pour être exploitées dans toutes les conditions. Cela est particulièrement vrai lorsque les composants ont des latences de calcul importantes et de grandes quantités de données à traiter comme on en trouve communément en radiocommunications numériques. Nous proposons dans ce mémoire une architecture de plate-forme de prototypage rapide, nommée PALMYRE, pour applications de radiocommunications numériques qui intègre dans sa composante système une nouvelle version de l’outil de synthèse de haut niveau GAUT. Pour cela, nous étudions tout d’abord les contraintes en terme de puissance de calcul et de communication des applications de type DVB-DSNG, puis les différentes méthodologies de prototypage actuellement pratiquées et enfin inventorions les plates-formes de prototypage les plus récentes. Nous retenons la méthodologie de conception/prototypage orientée plate-forme comme fondement et nous nous appuyons sur sa décomposition en plates-formes matérielle, logicielle et système pour guider la conception de notre plate-forme de prototypage rapide. La plate-forme matérielle que nous proposons est constituée de nœuds de calcul de type DSP C6x, de composants programmables de type Virtex et de liaisons point à point capables d’atteindre des débits de l’ordre de 3 Gbit/s. Nous concevons en C++ une interface logicielle (API) pour DSP et en VHDL RTL des interfaces matérielles pour FPGA qui permettent à une architecture mixte DSP/FPGA de communiquer efficacement. Nous caractérisons notre API et proposons une méthodologie de mesure de performances dont le but est de déterminer les conditions optimales (allocation mémoire, taille des paquets, mode de programmation synchrone/asynchrone) de fonctionnement d’un système qui exploite au mieux la plate-forme matérielle. L’intégration de l’outil GAUT à la plate-forme système permet de synthétiser semi-automatiquement des composants de niveau algorithmique, ou IPs virtuels, qui s’interfacent naturellement au travers de notre API et des interfaces matérielles. Cette intégration dans un flot CAO de niveau système est rendue possible grâce a deux contributions distinctes. Tout d’abord, l’introduction de la théorie des LIS dans l’unité de communication des circuits synthétisés par GAUT autorise la synthèse de composants rapides dont la fréquence n’est pas pénalisée par le réseau de communication. Pour cela, nous proposons un nouveau modèle de wrapper que nous nommons processeur de synchronisation et nous prouvons par l’expérience ses meilleures performances en surface et en vitesse par rapport aux meilleures architectures à base de machines d’états finis. Ensuite, nous concevons une nouvelle unité de mémorisation multi-bancs dont le principal bénéfice est le support du pipelining d’algorithme que l’outil GAUT est susceptible de mettre en œuvre lorsque la contrainte de temps est telle que la simple mise en parallèle de plus de matériel ne suffit plus pour tenir une cadence applicative. Cette unité de mémorisation assure, pour les diverses tranches du pipeline, le calcul d’adresse dynamique lors des accès mémoires aux multiples instances des variables qui nécessitent une duplication. Grâce aux nouvelles unités de communication et de mémorisation, l’outil GAUT est mis en œuvre avec succès dans le contexte de conception du modem DVB-DSNG du projet RNRT ALIPTA, mené conjointement par les sociétés Arexsys, Sacet, Thales Communications, Turboconcept ainsi que l’ENSTB et le LESTER. L’étude approfondie des résultats de synthèse prouve que des gains importants en surface de l’ordre de 90 % et des gains en vitesse de l’ordre de 10 à 30% sont obtenus pour les wrappers grâce à leur implantation sous la forme du processeur de synchronisation que nous proposons. Dans le cadre d’une méthodologie de réutilisation intensive d’IPs virtuels, l’optimisation de la surface, la préservation des fréquences optimales des blocs, la composition aisée de chaînes de traitements à base de blocs synchrones et la possibilité de migration vers une solution de type multi-puces (Multi Chip Module) sont les quatre principaux avantages qu’illustre l’intégration de GAUT dans le flot CAO de la plate-forme système PALMYRE.

  • Titre traduit

    High-level synthesis based rapid prototyping platform for digital radiocommunications


  • Résumé

    Semi-conductor very deep sub-micron technologies available today and single-die system integration complexity increase raise new methodological challenges in system design activities. Intensive reuse of pre-developed, or synthesized on demand, components reduce development time and thus design cost. Unfortunately, this reuse paradigm creates critical paths on long metallic wires between components. Local frequency optimization of each bloc can be lost when the inter-component communication network has poor performances. The theory of latency insensitive systems (LIS) recommends in this context a very promising solution based on a pseudo-asynchronous communication network and on synchronization wrapper models which encapsulate components and make them robust (insensible) to the communication asynchronisms. Nevertheless, one must state that the different wrapper architecture proposals are not speed and area efficient enough to be deployed in all conditions. This is particularly true when components have long computation latencies and process huge amount of data as we commonly find in digital radio-communications. We propose in this work a rapid prototyping platform architecture named PALMYRE. It is dedicated to digital radio-communications and integrates into its system platform part a new version of the high-level synthesis tool GAUT. We first study computing and communication constraints for DVB-DSNG applications. Secondly, we survey the most recent prototyping methodologies and we take a count of the current prototyping platforms in use. We retain the platform based prototyping/design methodology as the most sound basis and rely on its tree steps architecture (hardware, software and system platforms) to guide our platform design. The platform we propose is composed of computing nodes (C6x DSPs and VirtexE FPGAs) and point to point communication links able to reach a sustained bandwidth of 3 Gbit/s. We develop a C++ API for the DSPs and VHDL hardware interfaces which allow a mixed DSP/FPGA prototype to efficiently communicate between nodes. We also propose an API performances characterization method enabling to determine best running conditions in term of memory, packet size and communication programming style (synchronous vs asynchronous). The integration of GAUT into the system platform allows to semi-automatically synthesize components specified at the algorithmic level. These are also called virtual IPs. They naturally communicate through our API and hardware interfaces and exploit the computing and communication resources from the hardware and software platforms. This integration into a CAD flow is possible thanks to two distinct contributions. First, we introduce the theory of latency insensitive systems inside the communication units synthesized by GAUT. It allows to preserve the local frequency optimizations of components when designing a whole system with synthesized IPs. To reach this objective we present a new wrapper model and call it a synchronization processor. We prove experimentally its better speed and area performances compared to the current best finite state machines architectures of wrappers. Then, we design a new multi-banks memory unit which main benefit is to support the algorithmic-level pipelining introduced by GAUT when simple hardware parallelism is not sufficient to sustain an applicative sampling cadency. This memory unit handles data transfers for all pipeline stages and dynamic address computation while accessing the different instances of duplicated variables. Thanks to these new communication and memory units, GAUT is successfully used in a project targeting the design of a DVB-DSNG modem. This is the RNRT ALIPTA project. The companies Arexsys, Sacet, Thales Communications and Turboconcept with the ENSTB and the LESTER have worked on several digital IPs and validated their integration into an existing DVB-DSNG processing chain. A close study of synthesis results proves that up to 90% of area savings and from 10 to 30% of frequency increase can be obtained when the wrappers are implemented with our synchronization processors. We conclude that, in the context of a system design methodology based on intensive virtual IP reuse, area reduction, optimal frequencies preservation, easier composition of processing chains based on synchronous blocs and possibility to migrate to multi-chips modules solutions are four key advantages enabled by the integration of GAUT in the PALMYRE system platform.

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Informations

  • Détails : XVIII-199 p.
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p. 171 -193

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