Méthode de modélisation et de raffinement pour les systèmes hétérogènes. Illustration avec le langage System C-AMS

Study and development of a AMS design-flow in SytemC : semantic, refinement and validation

• Auteur / Autrice : Franck Paugnat
• Direction : Laurent Fesquet, Katell Morin-Allory
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et technologie industrielles
• Date : Soutenance le 25/10/2012
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Techniques de l'Informatique et de la Microélectronique pour l'Architecture d'ordinateurs
• Jury : Président / Présidente : Bruno Rouzeyre
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Fesquet, Katell Morin-Allory, Emmanuel Simeu
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nathalie Julien, Ian O'connor

Mots clés

Mots clés libres

Niveaux d’abstraction

Raffinement

Conception analogique

Synthèse haut niveau

Signaux mixtes

Modélisation

SystemC

AMS

SystemC-AMS

Modèles de calcul

Temps de simulation

Abstraction levels

Refinement

Analogue design

High-level synthesis

Modelling

Mixed signal

SystemC

AMS

SystemC-AMS

Model of computation

MoC

Simulation speed

Résumé

Les systèmes sur puces intègrent aujourd’hui sur le même substrat des parties analogiques et des unités de traitement numérique. Tandis que la complexité de ces systèmes s’accroissait, leur temps de mise sur le marché se réduisait. Une conception descendante globale et coordonnée du système est devenue indispensable de façon à tenir compte des interactions entre les parties analogiques et les partis numériques dès le début du développement. Dans le but de répondre à ce besoin, cette thèse expose un processus de raffinement progressif et méthodique des parties analogiques, comparable à ce qui existe pour le raffinement des parties numériques. L'attention a été plus particulièrement portée sur la définition des niveaux analogiques les plus abstraits et à la mise en correspondance des niveaux d’abstraction entre parties analogiques et numériques. La cohérence du raffinement analogique exige de détecter le niveau d’abstraction à partir duquel l’utilisation d’un modèle trop idéalisé conduit à des comportements irréalistes et par conséquent d’identifier l’étape du raffinement à partir de laquelle les limitations et les non linéarités aux conséquences les plus fortes sur le comportement doivent être introduites. Cette étape peut être d’un niveau d'abstraction élevé. Le choix du style de modélisation le mieux adapté à chaque niveau d'abstraction est crucial pour atteindre le meilleur compromis entre vitesse de simulation et précision. Les styles de modélisations possibles à chaque niveau ont été examinés de façon à évaluer leur impact sur la simulation. Les différents modèles de calcul de SystemC-AMS ont été catégorisés dans cet objectif. Les temps de simulation obtenus avec SystemC-AMS ont été comparés avec Matlab Simulink. L'interface entre les modèles issus de l'exploration d'architecture, encore assez abstraits, et les modèles plus fin requis pour l'implémentation, est une question qui reste entière. Une bibliothèque de composants électroniques complexes décrits en SystemC-AMS avec le modèle de calcul le plus précis (modélisation ELN) pourrait être une voie pour réussir une telle interface. Afin d’illustrer ce que pourrait être un élément d’une telle bibliothèque et ainsi démontrer la faisabilité du concept, un modèle d'amplificateur opérationnel a été élaboré de façon à être suffisamment détaillé pour prendre en compte la saturation de la tension de sortie et la vitesse de balayage finie, tout en gardant un niveau d'abstraction suffisamment élevé pour rester indépendant de toute hypothèse sur la structure interne de l'amplificateur ou la technologie à employer.

Systems on Chip (SoC) embed in the same chip analogue parts and digital processing units. While their complexity is ever increasing, their time to market is becoming shorter. A global and coordinated top-down design approach of the whole system is becoming crucial in order to take into account the interactions between the analogue and digital parts since the beginning of the development. This thesis presents a systematic and gradual refinement process for the analogue parts comparable to what exists for the digital parts. A special attention has been paid to the definition of the highest abstracted analogue levels and to the correspondence between the analogue and the digital abstraction levels. The analogue refinement consistency requires to detect the abstraction level where a too idealised model leads to unrealistic behaviours. Then the refinement step consist in introducing – for instance – the limitations and non-linearities that have a strong impact on the behaviour. Such a step can be done at a relatively high level of abstraction. Correctly choosing a modelling style, that suits well an abstraction level, is crucial to obtain the best trade-off between the simulation speed and the accuracy. The modelling styles at each abstraction level have been examined to understand their impact on the simulation. The SystemC-AMS models of computation have been classified for this purpose. The SystemC-AMS simulation times have been compared to that obtained with Matlab Simulink. The interface between models arisen from the architectural exploration – still rather abstracted – and the more detailed models that are required for the implementation, is still an open question. A library of complex electronic components described with the most accurate model of computation of SystemC-AMS (ELN modelling) could be a way to achieve such an interface. In order to show what should be an element of such a library, and thus prove the concept, a model of an operational amplifier has been elaborated. It is enough detailed to take into account the output voltage saturation and the finite slew rate of the amplifier. Nevertheless, it remains sufficiently abstracted to stay independent from any architectural or technological assumption.