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Contenido
CODISEÑO HW/SW
Carlos Carreras Vaquer
Diseño de Sistemas Electrónicos Integrados
Dpto. Ingeniería Electrónica-UPM
C. Carreras Vaquer
R
Motivación para el codiseño
R
Componentes HW/SW
R
Dominios de aplicación
R
Sistemas empotrados
R
Fases de codiseño y CAD
R
Estado del arte
2
C. Carreras Vaquer
Motivación
R
Complejidad
R
Creciente complejidad:
Mezcla
de tareas gobernadas por eventos y por
flujos de datos
Mezcla de algoritmos
Mezcla de objetivos (coste, prestaciones)
Aplicaciones
(modelos heterogéneos)
Implementaciones (espacio de diseño)
R
Requisitos y restricciones más exigentes:
Especialización
Menores
R
+ flexibilidad
costes de fabricación y mantenimiento
R
Ciclos de diseño reducidos:
Implementaciones:
Mezcla
de tecnologías y estilos de diseño
de desarrolladores (IPs)
Mezcla de componentes (SoC, ASIPs,FPGAs)
Menor
tiempo de salida al mercado
Menores costes de desarrollo
Mezcla
3
C. Carreras Vaquer
Aplicaciones:
Especialización y Flexibilidad
R
R
Objetivos y restricciones
Especialización:
Requisitos
R
funcionales y no funcionales
R
Flexibilidad:
R
Adaptación,
actualización, depuración
Reutilización, parametrización
R
R
R
R
¿Cuánta especialización y flexibilidad?
Identificación
(análisis)
(propiedades)
Cuantificación (objetivos y restricciones)
R
Formalización
C. Carreras Vaquer
4
C. Carreras Vaquer
R
5
Temporización (speed-up, throughput, latencia)
Coste (desarrollo, fabricación, mantenimiento)
Consumo de potencia
Integración, restricciones físicas (tamaño, peso)
Programabilidad, configurabilidad (¿métrica?)
Fiabilidad, tolerancia a fallos, redundancia,
seguridad
Verificabilidad (testability)
Tiempo de desarrollo
C. Carreras Vaquer
6
Ciclos de diseño reducidos
R
R
R
R
R
What is a System Anyway?
Nuevas metodologías y herramientas que
soporten la complejidad (CAD)
Mecanismos de especificación (funcionalidad
y restricciones)
Exploración del espacio de diseño (algoritmos
y estimadores)
Verificación (accesibilidad, heterogeneidad)
Reutilización de los diseños (IPs) como clave
para mayor productividad
EE249
5
7
C. Carreras Vaquer
Sistemas Heterogéneos
System (for us)
R
Sistemas heterogéneos:
especificación
n
n
y restricciones (aplicación)
y arquitecturas (implementación)
metodologías de diseño
niveles de programabilidad
niveles integración
componentes
Environment to environment
Sensors + Information Processing +
Actuators
u Computer is a system
u Micro-processor is not
R
Sistemas HW/SW:
HW:
SW:
EE249
velocidad y alto coste
flexibilidad y bajo coste
6
8
C. Carreras Vaquer
Programabilidad e integración
R
Componentes HW y SW
R
Niveles de programabilidad:
ASIC:
Aplicación:
funcionalidad seleccionable
Instrucción: instrucciones en memoria
Microinstrucción: microprograma en memoria
Hardware: interconexionado configurable
R
Sistemas
C. Carreras Vaquer
No configurable
Configurable
FPGA:
R
Arquitecturas de componentes SW (programables):
Monoprocesadores:
secuenciales (cores)
– ASIP: Arquitectura e instrucciones específicas
– DSP: Arquitectura específica, instrucciones generales
– ISP: Arquitectura e instrucciones generales (RISC, CISC)
Niveles de integración:
Sistemas
Arquitecturas de componentes HW:
en una placa
en un chip
Multiprocesadores:
paralelos
– SIMD: Instrucción única y datos múltiples (en array)
– MIMD: Instrucciones y datos múltiples (concentrados,
distribuídos)
9
C. Carreras Vaquer
10
ASIPs
R
R
R
R
R
R
Comparación de componentes
ASIP: Application Specific Instruction
Processor
Adapta a la aplicación el set de instrucciones
y los recursos (registros, buses, conexiones)
Mejores prestaciones que ISP en aplicaciones
concretas
Facilita comunicaciones HW/SW al usarse
como core
Requiere un compilador específico
Disponibles como megacells (reuso)
ISP
Prestaciones
Potencia
Reutilización
Diseño HW
Diseño SW
Processor cores in embedded systems
+
ASIC
+++
+
+++
(Fuente: Zebo Peng)
11
C. Carreras Vaquer
+
+++
+++
ASIP
++
++
++
++
++
12
C. Carreras Vaquer
Terminology
3
4
DSP
Gen. purp.
Fixed
Parameterisable
Applicationspecific
Have CISC, RISC or VLIW features.
Adapted for signal processing :
ASIP
Parallel MAC 1 maccycle
Ecient memory & register structure
Ecient data addressing modes : FIR. . .
Traditional vendors :
- TI : TMS320C5x
- Moto : M56xxx
Fabless vendors :
Semiconductor dpts :
- DSP Group : Pine, Oak
- TCSI : Lode
- ARM
- Philips : Epics
- SGS-Th : ST18950
ASIP
System dpts :
Adapted for specic application :
- Philips
- Alcatel-Bell
- Ericsson
- TI
- ...
GSM, DECT, MPEG, automotive control. . .
Mostly xed-point.
Instruction set :
,! Retargetable compilation tools !
c 1996 Gert Goossens
Selection of standard instructions
Specialised instructions : Viterbi stage, WDF adaptor, FFT buttery. . .
Telecom & multimedia : low power !
DAC Tutorial June 7, 1996
c 1996 Gert Goossens
Codiseño Heterogéneo (HW/SW)
R
R
Problemas de codiseño
“Diseño concurrente por parte del mismo
equipo de diseñadores de los componentes
HW y SW de un sistema digital usando
metodologías y herramientas que consideren
la interacción HW/SW”
R
Tipos de problemas de codiseño
Sistemas
empotrados (parte de un sistema mayor)
en un chip (bloques)
Síntesis de ASIPs y procesadores
Máquinas aceleradoras (basadas en FPGAs)
Sistemas
Elementos de codiseño:
Especificación
= comportamiento + restricciones
= especificación + arquitectura
Síntesis = partición + comunicaciones
Validación = síntesis + especificación
Partición
C. Carreras Vaquer
DAC Tutorial June 7, 1996
R
Cada problema pone el énfasis en ciertas
tareas de diseño
R
Impacto crítico:
Características
Tiempo
13
C. Carreras Vaquer
coste-prestaciones
de salida al mercado
14
Sistemas empotrados (embedded)
R
R
Embedded Systems
Gobernados por datos (DSP), por control
(reactivos, tiempo real) y mixtos
Dominios de aplicación:
Automoción,
electrónica de consumo, comunicaciones,
aviación, domótica, robótica, defensa, industria, ...
R
R
Programabilidad a nivel de instrucción y
microinstrucción
Énfasis en:
Cumplimiento
Tiempo
de restricciones (coste-prestaciones)
de desarrollo (iteraciones del ciclo de diseño)
Embedded systems
= systems reading, processing and
controlling physical quantities
15
C. Carreras Vaquer
Modern Vehicles, an Electronic
System
Importance of Embedded Software
and Embedded Processors
“... the New York Times has
estimated that the average
American comes into contact
with about 60 microprocessors every day....”
[R. Camposano, Design Automation
of Embedded Systems]
Most of the functionality
of embedded systems
will be implemented in
software!
Latest top-level BMWs
contain over 100 microprocessors
[Personal communication]
Smart Dust Components
Home Networking:
Application (Subnet) Clusters
Voice
Phone
Video
Phone
Still
Camera
PDA
Telecom
Based
Internet
Access
Printer
Laptop
Intercom
PC-2
PC/Data
Based
DVD
Player
Video
Game
Entertainment
Based
PC-1
Security
Based
Audio
Alarms
Door
Sensors
Window
Sensors
Motion
Detectors
Passive CCR comm.
MEMS/polysilicon
Active beam steering laser comm.
MEMS/optical quality polysilicon
Web-TV
STB
VCR
TV
Stereo
Analog I/O, DSP, Control
COTS CMOS
Power capacitor
Multi-layer ceramic
Sensor
MEMS/bulk, surface, ...
Light
Control
Smoke
Detectors
Video
surveillance
Cam
Corder
Laser diode
III-V process
Clocks
Climate
Control
Solar cell
CMOS or III-V
Appliance
Based
Ovens
Thick film battery
Sol/gel V2O5
Utility
Customization
Toasters
Sprinklers
1-2 mm
Micromechanical Flying Insects
Communication versus Computation
• Computation cost (2004): 60 pJ/ operation
(assuming continued scaling)
• Communication cost (minimum):
– 100 m distance: 20 nJ/ bit @ 1.5 GHz
– 10 m distance: 2 pJ/ bit @ 1.5 GHz
• Computation versus Communications
– 100 m distance: 300 operations == 1bit
– 10 m distance: 0.03 operation == 1bit
blowfly Calliphora
Computation/ Communication requirements vary with
distance, data type, and environment
http://robotics.eecs.berkeley.edu/~ronf/mfi.bfml
Vision
Sistemas basados en componentes
Contact
Joe
Network, any
ucers
-to-any trannscl
R
Handy 21
Joe`s Office
urgent
R
Alternativa de implementación para sistemas
empotrados (SoC)
Énfasis en:
Especificación
(comportamiento, temporización,
comunicaciones)
Selección arquitectural (determina prestaciones)
Reutilización (tiempos de desarrollo)
forward
Get John
Mike
Maria
John
R
Joe in Boston
Mike
Maria
Problemática:
Selección
de componentes (exploración)
y verificación
Síntesis de interfases
Validación
Oxygen, LCS, MIT, http://www.lcs.mit.edu
16
C. Carreras Vaquer
Productivity 2000+ Challenge
Deep Submicron Paradigm Shift
Logic Trans./Chip
15M
100M
15x - Productivity GAP
10M
System Architecture
• Hardware
• Software
1.0M
Logic Design
Verification
Physical
Design
Silicon
Processing
Trans./ Staff- Month
(Average of Top 10% of Codes)
2M Transistors
100 MHz
Wire RC 1 ns/ cm
40M Transistors
600 MHz
Wire RC 6 ns/ cm
Virtual Component Based Design
- Minimize Design Time
- Maximize IP Reuse
- Optimize System Level
90%
New
Design
Cell Based Design
- Minimize Area
- Maximize Performance
- Optimize Gate Level
Will the design team deliver on time and within budget?
1991
1996
2001
90%
Reused
Design
Deep Sub- Micron: Impact on Semicon
Industry “Virtual”
“Real”
Component
Virtual Components and System Design
“Real”
“Virtual”
Component
Component
Component
Deep
Sub- Micron
Component
based design
System
on Board
System
on Board
System
on Silicon
• Today, several IC companies have a chance of selling their devices
on a board.
• With the possibility of integrating an entire system on a single chip,
there will be room only for one manufacturer!!!
• However, nobody can possibly know all these areas in depth.
System
on Silicon
• Select the best components from several different internal and
external vendors
• Integrate the system using standard interfaces
• Validate the design functionality, performance and reliability.
Sistemas de procesamiento
Test Challenge: System-On-Chip
R
• SoC manufactured and
tested in single stage
• Core I/Os often more than
Chip I/Os
• Test generation difficult
due to limited core design
knowledge
• Direct access to core ports
unavailable
• Core & UDL test part of
System-On-Chip test
R
Soporte
arquitectural para sistemas operativos
del set de instrucciones y la arquitectura
Diseño software en multiprocesadores
System-on-Board (SOB) System-on-Chip (SOC)
Process
Process
Selección
IC Design ASIC Design Core Design UDL Design
IC Manuf.
ASIC Manuf.
IC Test
ASIC Test
R
SOC Integration
SOB Test
Énfasis en:
Prestaciones
SOB Design
SOB Manuf.
Soporte de programabilidad a nivel de aplicación
Diseño de ISPs y ASIPs:
SOC Manuf.
(exploración del espacio de diseño)
correcta (verificación por simulación)
Funcionalidad
SOC Test
R
Problemática:
Compiladores
Arquitecturas
optimizados para cada set
específicas: pipeline, caches, ...
17
C. Carreras Vaquer
Sistemas de emulación y prototipado
R
R
R
R
CAD en codiseño
Acelerar la simulación de un HDL
Programabilidad a nivel de instrucción y a nivel
hardware (configurables)
Arquitectura destino: ISP (SW) y FPGAs (HW)
Énfasis en:
R
R
R
Análisis:
dependencias, sincronismo, paralelismo
Caracterización de tiempos HW y SW
R
Problemática:
R
Compiladores
optimizados con coordinación HW-SW
Limitaciones de las FPGAs (nº de puertas, pinout)
C. Carreras Vaquer
18
Necesidad: complejidad, restricciones, tiempo
de desarrollo
Tareas: modelado, exploración, particionado,
síntesis, validación
Ámbito actual: bajo nivel de abstracción
(niveles físico, RTL, ensamblador) con
tendencia al alto nivel (más fiable en SW)
Ámbito futuro: alto nivel de abstracción (nivel
algorítmico), diseño de arquitecturas,
verificación
C. Carreras Vaquer
19
CAD Methodology
Traditional System Level Design Flow
•
•
•
•
•
•
•
•
• Capture – Simulate (60’s – 80’s)
• Describe – Synthesize (80’s – 00’s)
• Specify-Explore-Refine (00’s – 20’s)
Interface Definition ( Bus Standards )
Component Selection
SW and ASIC development
Selection of “Glue Logic”
PCB Layout
SW integration
Debug Prototypes
Manufacturing and Test of Board
Copyright 1999 Daniel D. Gajski
Behavioral Synthesis
Traditional ASIC Design Flow
•
•
•
•
•
•
Design entry at RTL
Synthesis
Netlist
Simulation with respect to behavioral Model
Place and route
Simulation with timing
Definition:
Behavioral synthesis (high-level, algorithm and architectural
synthesis) means going from an algorithm specification to a RT
level which implements that behavior.
Implications:
• More reliable analysis of design decisions
• Will compete with machine code in future.
• Manufacturing & test of chip
Fases de codiseño HW/SW (1)
R
Fases de codiseño HW/SW (2)
Especificación:
R
Modelado,
lenguaje, formato intermedio,
transformaciones
Modelos (simulables): aspectos funcionales, de
temporización y de comunicaciones
R
Síntesis
HW, generación de código SW, interfases
de comunicaciones
Importancia de la planificación:
– Interacción HW-SW
– Serialización de procesos SW
Particionado:
R
Diseño
arquitectural, selección de componentes,
estimación
SW: reducción de coste, interacción intensa con el
sistema operativo
HW: partes cuya temporización sea crítica,
interacción intensa con el entorno
C. Carreras Vaquer
Síntesis:
Integración:
Validación
por simulación, emulación, prototipado
Verificación, validación y estimación aparecen
en todas las fases en mayor o menor medida
20
C. Carreras Vaquer
21
Pasos en cada fase
Flujo de codiseño
Especificació
ón
de nivel
superior
Transformaciones
Formato
Intermedio
Nueva
especificación
NO
de nivel
inferior
Partició
ón
HW-SW
Evaluación
restricciones
Sííntesis
Hardware
Generació
ón
de có
ódigo
Integració
ón
a nivel
inferior
SI
Comprobación
equivalencia
NO
a nivel
superior
C. Carreras Vaquer
Verificació
ón
Cosimulació
ón
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Prototipado
C. Carreras Vaquer
Control vs Flujo de datos
R
Entornos de codiseño
Control:
R
Foco:
controladores reactivos
Modelo: basado en control (p.e. FSM)
Optimización: control
Entornos: POLIS (‘94), CHINOOK (‘95)
R
R
R
R
R
Flujo de datos:
R
Foco:
procesamiento de datos
Modelo: basado en datos (p.e. DFG)
Optimización: flujo de datos
Entornos: VULCAN (‘95), COSYMA (‘93)
C. Carreras Vaquer
23
R
R
24
CADLAB: http://www.ida.liu.se/~cadlab/codesign.html
CHINOOK: http://www.cs.washington.edu/research/project/lis/chinook/
COMET: http://www.ececs.uc.edu/~ddel/projects/comet/comet.html
COOL: http://ls12-www.informatik.uni-dormunt.de/~niemann/
COSYMA: http://www.ida.ing.tu-bs.de/projects/cosyma/home.e.html
POLIS: http://www-cad.eecs.berkeley.edu/Respep/Research/hsc/abstract.html
PROCOS : http://archive.comlab.ox.ac.uk/procos/codesign.html
SIR /CASTLE: http://borneo.gmd.de/EDS/SYDIS/castle/index.html
C. Carreras Vaquer
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