Contribution à l'amélioration des plateformes virtuelles SystemC/TLM : configuration, communication et parallélisme

Advances in SystemC/TLM virtual platforms : configuration, communication and parallelism

• Auteur / Autrice : Guillaume Delbergue
• Direction : Christophe Jego
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique
• Date : Soutenance le 18/12/2017
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de l'intégration du matériau au système (Talence, Gironde)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Philippe Diguet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Jego, Jean-Philippe Diguet, François Pêcheux, François Verdier, Bertrand Le Gal, Mark Burton
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : François Pêcheux, François Verdier

Mots clés

Mots clés contrôlés

SystemC (langage de programmation)

Transaction-level modeling

Mots clés libres

SystemC

TLM

Plateforme Virtuelle

Configuration

Communication

Parallélisme

SystemC

TLM

Virtual Platform

Configuration

Communication

Parallelism

Résumé

Le marché de l’Internet des Objets (IdO) est en pleine progression. Il va continuer à croître et à se développer à un rythme soutenu dans les prochaines années. Les objets connectés sont constitués de composants électroniques dédiés, de processeurs et de codes logiciels. La conception de tels systèmes constitue aujourd’hui un challenge au niveau industriel. Ce challenge est renforcé par la concurrence du marché et le délai de commercialisation qui impactent directement sur le développement d’un système. Le processus de conception actuel consiste en l’élaboration d’un cahier des charges. Dans un premier temps, l’équipe en charge du développement matériel commence à développer le produit. Ensuite, la partie applicative peut être mise au point par les développeurs logiciels. Une fois le premier prototype matériel disponible, l’équipe logicielle peut alors intégrer sa partie et tenter de la valider fonctionnellement. Cette étape peut mettre en lumière des défauts dans le logiciel mais aussi lors de la conception matérielle. Malheureusement,la découverte ce type d’erreurs intervient beaucoup trop tard dans le processus de conception retardant la commercialisation du système. Afin de sécuriser au plus tôt les développements matériel et logiciel, des méthodologies basées sur le standard SystemC/Transaction Level Modeling (TLM) ont été proposées. Elles permettent de modéliser et de simuler du matériel. Durant les phases amont de conception d’un système, elles permettent de mettre en commun une version virtuelle du (futur) système entre les équipes logicielle et matérielle. Cette version virtuelle est plus couramment appelée plateforme virtuelle. Elle permet de tester et de valider le plus tôt possible lors du cycle de conception, de réduire le coût matériel en limitant la fabrication de prototypes, mais aussi de gagner du temps et donc de l’argent en diminuant les risques. Or, les objets intègrent de plus en plus de fonctionnalités aux niveaux matériel et logiciel. Les besoins ayant évolué, le standard de simulation SystemC/TLM ne répond plus à l’heure actuelle à toutes les attentes. Ces attentes concernent plus particulièrement les aspects liés à la simulation de systèmes composés de nombreuses fonctionnalités, de protocoles de communication disparates mais aussi de modèles complexes et consommateur de temps pendant la simulation. Des activités de recherche ont déjà été menées sur ces sujets. Cependant, elles ont pour la plupart abouti à des solutions qui ne sont pas interopérables. Les solutions existantes ne permettent donc pas de bénéficier de la réutilisation des modèles de la littérature. Afin de répondre à ces problèmes,une solution permettant la configuration de modèles SystemC/TLM a été recherchée. Cette dernière fait désormais partie du standard Configuration, Control and Inspection (CCI). Dans un second temps, la modélisation de protocoles de communication à un haut niveau d’abstraction(TLM Loosely Timed (LT) et Approximately Timed (AT)) a été étudiée, et plus précisément des protocoles de type non bus. Une évolution du standard actuel permettant d’améliorer le support,l’interopérabilité, la réutilisation a été proposée dans le cadre de la thèse. Ensuite, une évolution du standard SystemC et plus précisément du comportement du noyau de simulation a été étudiée pour supporter l’attente d’événements asynchrones. Ce type d’événement ouvre la voie à la parallélisation et la distribution de modèles sur différents threads / machines. Enfin, une solution permettant l’intégration de modèles de Central Processing Units (CPU) intégrés dans QuickEMUlator (QEMU), un émulateur / virtualisateur de système, a été étudiée. Finalement, toutes ces contributions ont été associées à travers la modélisation d’un ensemble d’objets connectés à une passerelle.

The market for Internet Of Things (IOT) is on the rise. It is predicted to continue to grow at a sustained pace in the coming years. Connected objects are composed of dedicated electronic components, processors and software. The design of such systems is today a challenge from an industrial point of view. This challenge is reinforced by market competition and time tomarket that directly impact the success of a system. In a current design process involvesthe development of a specification. Initially, the team in charge of hardware development beginsto design the system. Second, the application part can be done by software developers. Oncethe first hardware prototype is available, the software team can then integrate their part and try tovalidate the functionality. This step may reveal defects in the software but also in the hardware architecture. Unfortunately, the discovery of these errors occurs far too late in the design process,could impacts the marketing of the system and potentially its success. In order to ensure that the hardware and software designs will work together as early as possible, methodologies based onthe SystemC / Transaction Level Modeling (TLM) standard have been widely adopted. They involvethe modelling and simulation of the proposed hardware architectures. During the initial phasesof a product’s design, they enable the software and hardware team to share a virtual version ofthe (future) system. This virtual version is more commonly referred to as a virtual platform. It facilitates early software development, test and validation; reduces material cost by limiting the number of prototypes; saves time and money by reducing risks. However, connected objects are increasingly incorporating hardware and software features. As the requirements have evolved, theSystemC / TLM simulation standard no longer meets all expectations. It includes aspects related to the simulation of systems composed of many functionality, disparate communication protocolsbut also complex and time consuming models during the simulation. Some works have already been carried out on these subjects. However, as the number of components increases, all formsof interoperability of models and tools become increasingly difficult to handle. Moreover, mostof the research has resulted in solutions that are not inter-operable and can not reuse existingmodels. To solve these problems, this thesis proposes a solution for configuring SystemC / TLMmodels. It is now part of the standard Configuration, Control and Inspection (CCI). In a secondstep, the modeling of high-level abstraction communication protocols (TLM Loosely Timed (LT)and Approximately Timed (AT)) has been studied, as it relates to non-bus protocols. An evolution of the standard to improve support, interoperability and reuse is also proposed. In a third step,a change of the SystemC standard and more precisely of the behavior of the simulation kernelhas been studied to support asynchronous events. These open the way to parallelization and distribution of models on different threads / machines. In a fourth step, a solution to integrate Central Processing Units (CPU) models integrated in Quick EMUlator (QEMU), a system emulator/ virtualizer, has been studied. Finally, all these contributions have been applied in the modeling ofa set of objects connected to a gateway.