Emulation platform synthesis and NoC evaluation for embedded systems : towards next generation networks

par Otavio Junior Alcantara de Lima

Thèse de doctorat en Microélectronique

Sous la direction de Frédéric Rousseau et de Virginie Fresse.

Soutenue le 09-09-2015

à Saint-Etienne , dans le cadre de École doctorale Sciences Ingénierie Santé (Saint-Etienne) , en partenariat avec Laboratoire Hubert Curien (Saint-Etienne) (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Synthèse de plateformes d’émulation et évaluation de NoCs pour les systèmes embarqués : vers les réseaux du futur


  • Résumé

    La complexité croissante des systèmes embarqués multi-coeur exige des structures de communication flexibles et capables de supporter de nombreuses requêtes de trafics au moment de l’exécution. Les Réseaux sur Puce (NoC) émergent comme la technologie de communication la plus prometteuse pour les SoCs (Systèmes sur Puce), du fait de leur plus grande flexibilité par rapport aux autres solutions comme les bus et les connexions points à points. Les NoCs sont devenus le standard comme support de communication pour les SoC, mais les outils d’évaluation de performances deviennent critiques pour ces systèmes. Les outils d’émulation sur FPGA accélèrent l’analyse comparative de NoC ainsi que l’exploration de l’espace de conception. Ces outils ont une grande précision et un faible temps d’exécution par rapport aux simulateurs de NoC. Un outil d’émulation basé sur FPGA est composé de dizaines ou de centaines de composants distribués. Ces composants doivent être correctement gérés afin d’exécuter différents scénarii d’évaluation de trafic. Pour cela, il faut être à même de re-programmer les composants, en utilisant un protocole standard qui permet alors de piloter l’émulateur de NoC sur FPGA. Ces protocoles facilitent l’intégration des composants d’émulation développés par différents concepteurs et simplifient la configuration des noeuds d’émulation sans resynthèse ainsi que l’extraction des résultats d’émulation. Bien que l’émulation matérielle de NoC soit assez difficile, il est important de valider de nouvelles architectures de NoC avec des trafics basés sur les applications réelles pour permettre d’obtenir des résultats plus précis. La génération de modèles de trafic basés sur des applications est une préoccupation majeure pour l’émulation de NoC. Les traces intégrant des informations de dépendances sont plus précises que les traces ordinaires, ceci pour un large éventail d’architectures de NoC. Cependant, elles ont tendance à être plus grosses que les traces originales et exigent plus de ressources FPGA. L’objectif de cette thèse est la synthèse de plateformes d’émulation de NoC sur FPGA pour les futurs systèmes embarqués multi-noeuds. Une recherche approfondie s’est portée sur les stratégies éventuelles pour la génération des modèles réalistes de trafic pour le NoC émulé sur FPGA, et pour la gestion des plateformes d’émulation en utilisant des protocoles standard inspirés des protocoles de réseaux informatiques. Une première contribution de cette thèse est une structure (« framework ») d’analyse de traces capable d’extraire les dépendances de paquets. La plateforme proposée analyse un ensemble de traces extraites d’une application embarquée basée sur l’échange de messages afin de construire un modèle de calcul (MoC). Un générateur de trafic (TG) intégrant cette dépendance est créé à partir du MoC proposé. Ce TG reproduit le motif de trafic d’une application pour une plateforme d’émulation sur FPGA. Une seconde contribution est une version allégée du protocole SNMP (Simple Network Management Protocol) pour la gestion d’une plateforme d’émulation de NoC sur FPGA. L’architecture de la plateforme d’émulation proposée est basée sur les concepts du protocole SNMP. Elle offre une interface standard de haut niveau pour les composants d’émulation fournis par le protocole SNMP. Ce protocole facilite également l’intégration de composants d’émulation créés par différents concepteurs. Une analyse prospective des futures architectures de NoC constitue également une contribution dans cette thèse. Dans cette analyse, une architecture conceptuelle d’un système embarqué multi-noeuds du futur constitue un modèle pour extraire les contraintes de ces réseaux. Un autre mécanisme présenté est un NoC tolérant aux pannes, basé sur l’utilisation de liens de contournement. Enfin, la dernière contribution repose sur une analyse de base des besoins des futurs NoC pour les outils d’émulation sur FPGA


  • Résumé

    The ever-increasing complexity of many-core embedded system applications demands a flexible communication structure capable of supporting different traffics requirements at run-time. The Networks-on-Chip (NoCs) emerge as the most promising communication technology for the modern many-cores SoC (System-on-Chip), whereby they have greater scalability than other solutions such as buses and point to point connections. As NoCs become de facto standard for on chip systems, NoC performance evaluation tools become critical for SoCs design. The FPGA based emulation platforms accelerate NoC benchmarking as well as design space exploration. Those platforms have high accuracy and low execution time in relation to NoC simulators. An FPGA-based emulation platform is composed by tens or hundreds of distributed components. These components should be timely managed in order to execute an evaluation scenario. There is a lack of standard protocols to drive FPGA-based NoC emulators. Such protocols could ease the integration of emulation components developed by different designers, as well as they could enable the configuration of the emulation nodes without FPGA re-synthesis and the extraction of emulation results. The NoC hardware emulation is quite challenging. It is important to validate new NoC architectures with realistic workloads, because they provide much more accurate results. The generation of applications traffic patterns is a key concern for NoC emulation. The dependency aware traces are an appealing solution for the generation of realistic traffic workloads. They are more accurate than ordinary traces for a broad range of NoC architectures because they contain packets dependencies information. However, they tend to be bigger than the original ones what demands more FPGA resources. This thesis aims the synthesis of FPGA-based NoC emulation platforms for the future multi-core embedded systems. We are interested in investigating strategies to generate realistic traffic patterns for NoCs emulated on FPGAs, as well as the management of the emulation platform using standard protocols inspired by the computer networks protocols. One contribution of this thesis is a trace analysis framework which addresses the packets dependencies extraction problem. The proposed framework analyzes traces from a message passing application in order to build a Model of Computation (MoC). This MoC reproduces the communicative behavior of an application node. A dependency-aware Traffic Generator (TG) is created from the proposed MoC. This TG generates the application traffic pattern during an FPGA-based NoC emulation. Another contribution is a light version of SNMP (Simple Network Management Protocol) to manage an FPGA-based NoC emulation platform. An FPGA-based emulation platform architecture is proposed based on the principles of SNMP protocol. This platform has a high-level interface to the emulation components provided by that protocol, which also eases the integration of emulation components created by different designers. The emulation platform and the protocol capacities are evaluated during a task mapping and mesh topology design space exploration. A prospective analysis of future NoCs architectures is also a contribution of this thesis. In this analysis, a conceptual architecture of a future multi-core embedded system is used as model to extract these networks requirements. From this analysis, it is proposed some networking mechanisms. The first mechanism is a congestion-aware routing algorithm, which is an adaptive routing algorithm that selects the output path for a given packet based on a simple prioritized scheme of sets of rules. It is also proposed a congestion-control mechanisms for the vertical links interconnecting the layers of a 3D NoC. This mechanism is based upon the diffusion of congestion information by a piggyback protocol


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