mestrado-proposta-maag

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Aluna: Millena de Andrade Almeida Gomes (maag@cin.ufpe.br)

Orientador: Cristiano Coelho de Araujo (cca2@cin.ufpe.br

)

Co-orientador: Adriano Augusto de Moraes Sarmento (aams@cin.ufpe.br)

Índice

Índice de Figuras

Figura 1 Exemplos de uso de sistemas embarcados _____________________________________________ 5 Figura 2 Exemplo de arquitetura de SoC______________________________________________________ 7 Figura 3 Soluções Potencias para projetos de sistemas embarcados identificadas em 2007 pelo ITRS. _____ 7 Figura 5 Fluxo de síntese proposta por Gogniat. ______________________________________________ 10 Figura 6 Fluxo da Síntese de Comunicação definido por Abdi. ____________________________________ 11 Figura 7 Reorganização de processos em ilhas. _______________________________________________ 12 Figura 8 Comparativo entre os trabalhos relacionados _________________________________________ 14 Figura 10 Fluxo da Síntese de Comunicação __________________________________________________ 17

1. Identificação

1.1

Mestranda

Millena de Andrade Almeida Gomes.

1.2

Orientação

Orientador: Cristiano Coêlho de Araújo.

Co-orientador: Adriano Augusto de Moraes Sarmento

1.3

Título Provisório

Sïntese de Comunicação a partir de modelos UML.

1.4

Área de Concentração

Engenharia de Software e Engenharia da Computação.

1.5

Linhas de Pesquisa

Processos de Desenvolvimento e Desenvolvimento de Sistemas com módulos de hardware.

2. Contexto

Os sistemas embarcados encontram

celulares, PDAs, equipamentos de rede, câmeras entre diversos outros dispositivos exemplos na Figura 1. Sistemas com aplicações de alta taxa de transferência e processamento de dados estão impulsionando ainda mais o mercado de sistemas embarcados, caracterizado hoje pela alta complexidade dos

reduzida devido a alta concorrência neste setor.

Figura

O aumento da complexidade de sistemas embarcados, impulsionados pela concorrência acirrada do mercado de hardware, e a diminuição da área de chips

de sistema embarcado para o desenvolvimento de SoCs(System pelo alto poder de integração e uma

Em virtude desse aumento da complexidade,

atualmente não são implementados puramente em hardware ou em software, mas sim uma junção dos dois, torna-se necessária que a exploração do espaço de projeto seja feita no nível de abstração mais alto possível

níveis compatíveis com as necessidades do mercado espaço de projeto mais ampla e rápida.

Os sistemas embarcados encontram-se presentes no cotidiano das pessoas, em PDAs, equipamentos de rede, câmeras entre diversos outros dispositivos

Sistemas com aplicações de alta taxa de transferência e estão impulsionando ainda mais o mercado de sistemas embarcados, caracterizado hoje pela alta complexidade dos dispositivos e uma janela de mercado bastante reduzida devido a alta concorrência neste setor.

Figura 1 Exemplos de uso de sistemas embarcados

O aumento da complexidade de sistemas embarcados, impulsionados pela concorrência rada do mercado de hardware, e a diminuição da área de chips, direcionaram os projetos de sistema embarcado para o desenvolvimento de SoCs(System-on-chip)[1]

e uma maior complexidade de projeto.

Em virtude desse aumento da complexidade, considerando também que os sistemas atualmente não são implementados puramente em hardware ou em software, mas sim uma se necessária que a exploração do espaço de projeto seja feita no nível [2]. Com isso, espera-se manter o tempo de projeto dentro dos compatíveis com as necessidades do mercado, além de permitir uma exploração de espaço de projeto mais ampla e rápida.

se presentes no cotidiano das pessoas, em PDAs, equipamentos de rede, câmeras entre diversos outros dispositivos, vide Sistemas com aplicações de alta taxa de transferência e estão impulsionando ainda mais o mercado de sistemas embarcados, dispositivos e uma janela de mercado bastante

O aumento da complexidade de sistemas embarcados, impulsionados pela concorrência direcionaram os projetos [1], caracterizados

considerando também que os sistemas atualmente não são implementados puramente em hardware ou em software, mas sim uma se necessária que a exploração do espaço de projeto seja feita no nível se manter o tempo de projeto dentro dos , além de permitir uma exploração de

A modelagem do sistema em alto nível de abstração, permite aos projetistas a tomada de decisões nas etapas iniciais do projetos. Outro ponto positivo da utilização desta abordagem é possibilitar a modelagem de projetos de software mais rápido, conseguindo simulá-los, explorá-los e, portanto, validá-explorá-los antes mesmo que o hardware esteja disponível.

Com o aumento do nível de abstração há a possibilidade de simulação do software sem que o hardware tenha sido finalizado, através da simulação de plataformas virtuais que permitem a realização de análises da plataforma através de simulações mais rápidas. Essa abordagem diminui o tempo de desenvolvimento do projeto ao diminuir a quantidade e complexidade dos problemas de integração, possibilitando que decisões de projeto possam ser tomadas precocemente. Contudo, esta abordagem encontra problemas de utilização devido a ausência de um bom suporte de ferramentas que possibilitem a síntese de sistemas ESL (Electronic System Level) [4].

Outra abordagem utilizada no projeto de SoCs é o reuso de IP-Cores previamente projetados. Embora esta abordagem diminua o tempo de projeto, não provê resultados satisfatórios devido à complexidade de integração e aumento da lógica de comunicação dos sistemas embarcados atuais. A comunicação e interconexão entre componentes representam um novo desafio de projetos de circuitos integrados, impactando diretamente na qualidade dos resultados. As interconexões são responsáveis, para soluções em FPGA (Field-Programmable Gate Arrays), por 70% a 80% da área total[5] e 75% a 85% da potência total [6], que encontram-se somados a problemas da taxa de atraso das interconexões, que aumentam proporcionalmente a complexidade das interconexões [7].

Portanto, um dos aspectos problemáticos no projeto de SoCs é a infra-estrutura de comunicação utilizada na interconexão dos diversos blocos do sistema e de suporte a comunciação como controladores e interfaces. A Figura 2 apresenta um exemplo da arquitetura de uma plataforma utilizada em aplicações de alta transferência de dados, como sistemas de captura e codificação de vídeo, onde os blocos em marrom representam a estrutura utilizada para possibilitar a comunicação entre os IP-Cores. Esta estrutura é composta por componentes responsáveis pela comunicação entre o software e os serviços do processador, como os device drivers, entre o hardware e a plataforma base, como controladores e interfaces, e para controle da comunicação para atender as restrições do projeto, como o DMA. Como podemos perceber, a comunicação é responsável por uma parte significativa da arquitetura de um sistema, como dito anteriormente.

Devido a complexidade e impacto da comunicação de sistemas embarcad (International Technology Roadmap for Semiconductors

automação de síntese de interfaces sintetizáveis que implementem protocolos

sua complexidade e ao tempo de projeto gasto para defini que normalmente possuem um grande potencial de reuso,

Figura 3 Soluções Potencias para projetos de sistemas embarcados

Devido a complexidade e impacto da comunicação de sistemas embarcad

International Technology Roadmap for Semiconductors) [8] lançado em 2007 identificou a automação de síntese de interfaces, síntese de canais abstratos em estruturas de canais sintetizáveis que implementem protocolos, como uma potencial solução para ESL

sua complexidade e ao tempo de projeto gasto para definição e implementação de interfaces, que normalmente possuem um grande potencial de reuso, como pode ser visto na

Figura 2 Exemplo de arquitetura de SoC

Soluções Potencias para projetos de sistemas embarcados identificadas em 2007 pelo ITRS

Devido a complexidade e impacto da comunicação de sistemas embarcados, o ITRS lançado em 2007 identificou a estruturas de canais como uma potencial solução para ESL, devido a ção e implementação de interfaces, como pode ser visto na Figura 3.

Como foi dito anteriormente, projetos de sistemas embarcados deparam-se com a necessidade de aumento da produtividade dos seus projetistas para atender as demandas de tempo, custo e qualidade do mercado. Neste contexto, foi observado a necessidade do aumento do nível de abstração trabalhado para diminuição do tempo de projeto e que a comunicação, representa uma parcela significativa no projeto destes sistemas, devido a percentagem da arquitetura dedicada a comunicação e seu impacto nas restrições de projeto.

Aumentando o nível de abstração trabalhado, os projetistas deparam-se com o problema da necessidade de síntese e da ausência de um suporte ferramental que possibilite uma síntese satisfatória. Diante desses problemas relacionados ao projeto de sistemas embarcados, em especial com relação a comunicação, o trabalho proposto neste plano visa contribuir com um técnica e ferramenta para síntese automática da comunicação a partir de uma descrição alto nível focando na diminuição do tempo necessário para a síntese.

A técnica e ferramenta a serem desenvolvidas têm como objetivo principal a diminuição do tempo de síntese da comunicação. Para isto será necessário a resolução de problemas relacionados a modelagem destes sistemas, em especial da comunicação; a definição de um fluxo de síntese, com definição e desenvolvimento de componentes relacionados a comunicação; e a implementação de mecanismos de avaliação da comunicação, que possam ser utilizados pelo projetista na tomada de decisões de projeto.

3. Estado da Arte

Síntese de comunicação é o processo de transformar canais abstratos de comunicação em estruturas de canais sintetizáveis que implementem protocolos. Estes protocolos podem ser implementados através de comunicação ponto a ponto ou baseado em barramento.

Técnicas e ferramentas de síntese de comunicação visam resolver os dois principais problemas relacionados a comunicação: área dos dispositivos, diretamente relacionada ao tamanho e distribuição dos componentes dedicados a comunicação; e desempenho. As técnicas relacionadas a diminuição de área normalmente utilizam a implementação de protocolos ponto a ponto enquanto técnicas com foco no aumento do desempenho focam na implementação de protocolos baseados em barramento. Como este trabalho focar em solução baseada em barramento, esta seção apresenta quatro propostas de fluxos e ferramentas de síntese de comunicação para soluções baseadas em barramento, com foco, especialmente, no aumento do desempenho dos sistemas.

SCHIRNER [9] apresenta um mecanismo e ferramenta de síntese de comunicação de sistemas ESL para o nível de plataformas descritas em alto nível de abstração, utilizando a linguagem SpecC [10] para especificação do sistema. Este método realiza a síntese do sistema, separando-a entre a síntese de software e de hardware, esta última incluindo a síntese de comunicação. A Figura 4 apresenta uma visão geral de como é realizada a síntese de comunicação a partir de uma descrição do sistema em SpecC, identificando comportamentos (computação) e canais (comunicação). Os comportamentos serão identificados e particionados entre módulos de software e de hardware Os elementos classificados como módulos de software são sintetizados em tarefas a serem executadas por um processador, rodando um sistema operacional pré-definido; os elementos de comunicação são sintetizados como barramentos para tráfego de informações e elementos de hardware para gerenciamento dessas transferências de dados; e os elementos de hardware, sintetizados como IP-Cores.

Figura 4 Exemplo de um tipo de síntese de alto nível

GOGNIAT [10] apresenta um método de síntese de comunicação, como apresentado na Figura 5, formada por duas fases: caracterização da comunicação e implementação da comunicação. A caracterização é realizada através da identificação do tempo de comunicação estimado, o modo e o tipo de transferência e o tipo de protocolo (baseado em barramento ou ponto a ponto), e esquemas de implementação da arquitetura alvo a partir do conjunto de informações obtidas da caracterização da comunicação. O protocolo de comunicação gerado é do tipo baseado em barramento e/ou ponto a ponto focando no aumento de desempenho. Este método, como o anterior, prevê como entrada um sistema já particionado, porém em um nível de abstração mais baixo. Um ponto negativo é a ausência de suporte ferramental que implemente o método definido.

ABDI [12] apresenta um método e algoritmos de síntese de comunicação a partir de sua descrição através de rede de processos. A Figura 6 apresenta o fluxo proposto por Abdi, cuja entrada é composta por uma descrição do sistema em forma de uma rede de processos, uma biblioteca de componentes e um conjunto de decisões de sínteses (alocação de barramento, conectividade e prioridade de componentes). A partir da rede de processos que descreve a comunicação entre os módulos do sistema, é identificada o tipo de cada comunicação entre os processos. Para cada tipo de comunicação identificada é analisada se existe um protocolo que se adeque em uma biblioteca de protocolos disponível, onde esses protocolos siginificam o conjunto barramento e templates de interfaces. Da análise utilizada é gerada uma plataforma virtual intermediária, de acordo com as restrições de síntese, alterável através da integração de componentes dedicados a comunicação, como controladores de interrupção, à plataforma.

Como dito anteriormente, existem dois principais problemas relacionados a comunicação de sistemas, a área e o desempenho. LIM [13] apresenta um método para síntese de comunicação que propõe minimizar estes dois problemas dividindo o processo de síntese em duas etapas, cada uma focando em um destes problemas. A primeira parte da síntese é focada na diminuição da área utilizada para comunicação através da reorganização dos processos em “ilhas” como apresentado na Figura 7. Estas ilhas são formadas por componentes que possuem uma maior concentração de comunicação. Apesar do foco ser a área esta abordagem também aumenta o desempenho do sistema, porém pode inserir problemas de comunicação relacionados a sincronia dos processos. Para isto são adicionados componentes nas ilhas que irão atuar inserindo atrasos diminuindo os conflitos de dados. Esta abordagem também utiliza uma rede de processos como entrada e, diferente das demais apresentadas, utiliza um protocolo ponto a ponto para permitir a comunicação.

Figura 7 Reorganização de processos em ilhas.

Os métodos de síntese de comunicação apresentados nesta seção são comparados no gráfico da Figura 8 com relação ao tipo de entrada, de síntese, saída e otimizações utilizadas. Os itens apresentados no gráfico são avaliados conforme apresentado na Tabela 1.

Como podemos perceber, nenhum dos métodos apresentados trabalham com uma entrada em um alto nível de abstração, como UML [14], sendo utilizada normalmente representações intermediárias do sistema através de redes de processos, focando apenas na comunicação dos processos.

Tabela 1 Medidas de classificação

Características Pontos Relevantes Classificação

Nível de Abstração HDL 1

SystemC 2

SpecC, Process Network (PN) 3

UML 4

Arquitetura Alvo Ponto a Ponto 1

Barramento 2

Ponto a Ponto e Barramento 3

Ponto a Ponto, Barramento e Dispositivos de COntrole 4 Automação da

Síntese Manual_{Semi-Automática (intervenções do projetista)} 1₂

Automática 3

Automática com possibilidade de alterações do projetista baseado em 4

Plataforma Virtual NÃO 0

Sim 4

Otimização Nenhuma 0

Área 1

Desempenho 2

Área e Desempenho 4

Com relação a arquitetura alvo, todos os métodos apresentados utilizam soluções baseadas em barramento, mas apenas Schriner e Gogniat utilizam, além do barramento, outros dispositivos dedicados a comunicação, como PICs, aumentando o desempenho dos sistemas.

Com relação a saída da síntese, apenas o método definido por Schriner gera uma plataforma virtual, que possibilita a realização de análise do sistema de forma menos custosa.

Por fim apenas Lim conseguiu contemplar uma solução para os problemas de área e desempenho, os demais métodos apresentam soluções para apenas um destes problemas.

Figura 8 Comparativo entre os trabalhos relacionados

3

3

4

4

3

3

2

2

0

3

2

3

4

0

3

3

2

3

0

4

Automação de

Síntese de

Comunicação

Nível de

Abstração

de Arquitetura

Flexibilidade

Alvo

Plataforma

Virtual

Otimização

4. Proposta de Trabalho

Com o aumento da complexidade dos projetos e a diminuição da janela de mercado dos sistemas microeletrônicos, há a necessidade de investimento em técnicas e ferramentas que possibilitem o aumento de produtividade dos projetistas. Uma das principais abordagens é o aumento do nível de abstração trabalhado. Contudo ainda não existe suporte ferramental suficiente que permita uma síntese satisfatória a partir de descrições a nível de sistema, havendo a necessidade de intervenções do projetista, através da implementação de componentes para comunicação, no processo de síntese e particionamento do sistema.

Outro importante fator a ser considerado na síntese de sistemas é a comunicação, devido a sua participação significativa na área e desempenho de um sistema. Neste contexto este trabalho pretende contribuir com uma solução do problema de como sintetizar a comunicação entre módulos de hardware e software a partir de uma descrição alto nível, focando em aplicações com alta taxa de transferência de dados.

Para isto, será proposta uma técnica e ferramenta que permita a síntese automática da comunicação a partir de uma descrição xUML[15] do sistema, representado pelo diagrama de classes na Figura 9, em uma plataforma virtual, com arquitetura baseada em barramento, onde os módulos de software, como o módulo de software da Figura 9 denominado Pele, serão mapeados como processos de processadores, e os módulos de hardware, como o módulo

Distancia, serão integrados a plataforma com o auxílio de controladores e interfaces que

permitam essa conexão a plataforma. O processo de síntese também irá prevê a inserção de dispositivos de controle de comunicação, como DMA e PIC, a plataforma final, visando o aumento do desempenho do sistema e possibilitando que as restrições de projeto sejam atendidas.

Visando o aumento do nível de abstração a ser trabalhado pelos projetistas de sistema, este trabalho propõe um fluxo de síntese de comunicação, como apresentado na Figura 10, onde a entrada é descrição do sistema em xUML, composta pelo diagrama de classes do sistema, indicando, através de esteriótipos, os módulos de hardware e software explicitamente, e diagrama de sequência das funcionalidades do mesmo. O diagrama de sequência também será utilizado para informar as restrições de projeto relativas a comunicação, como tempo e volume de dados da transação.

Figura 9 Ilustração de uma síntese de comunicação a partir de uma descrição xUML.

O fluxo de síntese de comunicação proposto por este trabalho visa a geração de uma plataforma virtual através do mapeamento dos módulos de hardware e software definidos pelo projetista (identificados na Figura 9 pelos componentes na cor preta) em uma plataforma base, composta por processador(es), barramento e memória, identificada pela cor azul, proveniente de uma biblioteca de plataformas, e da síntese dos demais componentes de comunicação, como controladores, interfaces, dispositivos de controle da comunicação e driver, identificados na cor verde, necessários para implementação do sistema modelado em xUML.

A partir dos diagramas xUML do sistema, serão extraídas as principais características de comunicação do mesmo, identificando o tipo, modo, tamanho e volume de dados da transação. Com base nas características extraídas e na disponibilidade de plataformas de uma biblioteca pré-existente, será identificada a plataforma que mais se adeque, levando em consideração o número de processadores, barramento e memória, mapeando cada módulo de software em um processo de um processador da plataforma, os módulos de hardware em componentes integrados a plataforma e a comunicação no barramento.

Após o mapeamento, a comunicação na plataforma é sintetizada, sendo dividida em duas fases uma de geração de componentes de comunicação e outra de configuração dos componentes da plataforma. Na primeira fase é gerado o código de controladores e interfaces,

que permitam a comunicação dos módulos de hardware definidos no sistema com a paltaforma base, obtida da biblioteca, a geração de device drivers que possibilitem a comunicação dos processos do processador, anteriormente os módulos de software do sistema, com a plataforma e a inclusão de dispositivos dedicados a comunicação, como o DMA, para aumentar o desempenho do sistema.

Em uma segunda fase, os parâmetros dos componentes como barramento, memória e DMA são configurados levando em consideração as restrições de projeto como tamanho de dados, volume de dados, paralelismo, e tempo de execução das transações.

Figura 10 Fluxo da Síntese de Comunicação

Após a síntese da comunicação, serão adicionados a plataforma mecanismos de monitoramento da comunicação em todos os componentes gerados para a mesma, a fim de avaliar a comunicação, fornecendo, após simulação, dados que possibilitem ao projetista a tomada de decisões para melhoria do desempenho do sistema modelado.

Finalizado o processo de síntese, é gerada uma plataforma virtual com monitores integrados nos componentes dedicados a comunicação e um pacote de distribuição desta plataforma no formato IP-XACT [16][17], que permitirá que a mesma seja integrada a uma ferramenta EDA, como a ferramenta PDesigner [3] para modelagem, simulação e análise de plataformas multiprocessadas, podendo ser simulada e analisada utilizando ferramentas próprias para este fim.

Finalmente, os resultados esperados por este trabalho são:

 modelagem de sistemas com alto taxa de transferência de dados em xUML;

 mapeamento automático dos módulos de hardware e software do distema em uma plataforma base;

 síntese de comunicação de sistemas com alta taxa de transferência de dados com a geração de drivers, controladores, interfaces e dispositivos dedicados a comunicação e a configuração de parâmetros de componentes da plataforma como barramento, memória, etc.;

 mecanismo de monitoramento da comunicação para avaliação da comunicação alto nível para suporte a decisões de projeto.

5. Cronograma

A tabela a seguir apresenta o cronograma de atividades planejadas para a execução do trabalho de mestrado proposto por este plano.

Atividades 2009 2010

Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez Jan Fev

Revisão Bibliográfica Estudo de xUML Implementação de um

parser xUML Estudo de algoritmos par

caracterização de Definição dos parâmetros

de controladores Definição do método de síntese Implementação de algoritmos de extração de Implementação de algoritmos de mapeamento Implementação de módulos para geração de Implementação de módulos

para geração de device Implementação de módulos

para geração de interfaces Implementação de um DMA parametrizável Implementação de uma ferramenta de síntese Implementação de um estudo de caso Análise do Estudo de Caso

Escrita da dissertação Confecção da Apresentação

Referências

[1] Kamath, U., Kaundim, R. System-on-Chip Designs- Strategy for success. Wripo Technologies. June, 2001.

[2] Palma, J., Moraes, F., Calazans, N. Métodos para Desenvolvimento e Distribuição de IP Cores. In: SCR - Seminário de Computação Reconfigurável , 2001, Belo Horizonte, Minas Gerais. 2001. [3] PDesigner. Disponível em: http://www.pdesigner.org. Ültimo acesso: 09/03/2009.

[4] BAILAY, B., MARTIN, G., PIZIALI, A. (2007) “ESL Design and Verification”.

[5] SINGH, A. , PARTHASARATHY , G., MAREK-SADOWSKA, M. (2002) “Efficient circuit clustering for area and power reduction in FPGAs,” ACM Trans. Design Automation of Electronic Systems, vol. 7, no. 4, pp. 643–663.

[6] KUSSE, E., RABAEY, J. (1998) “Low-energy embedded FPGA structures,” in Proc. of the 1998 International Symposium on Low Power Electronics and Design (ISLPED’98), New York, pp. 155–160.

[7] CONG, J., FAN, Y., Jiang, W. (2006) “Platform-Based Resource Binding Using a Distributed Register-File Microarchitecture”, in Proc. Of the 2006 International Conference on Computer Aided Design (ICCAD’06), San Jose, California, pp. 709-715.

[8] _. (2007). International Technology Roadmap for Semiconductors. Disponível em:

http://www.itrs.net/Links/2007ITRS/Home2007.htm. Último acesso: 09/03/2009.

[9] SCHIRNER, G. et all. Automatic Generation of Hardware dependent Software for MPSoCs from Abstract System Specifications. ASPDAC, 2008.

[10] FUJITA, M., NAKAMURA, H. (2001). “The Standard SpecC Language”. In the Proc. Of the 14th International Symposium on System Synthesis. Montreal, Canada, 2001.

[11] GOGNIAT, G., AUGUIN, M., BIANCO, L., PEGATOQUET, A. (1998) “Communication synthesis and HW/SW integration for Embedded System Design”, in Proc. Of International Conference on Hardware Software Co-design. Seattle, Washington.

[12] ABDI, S. et all (2003). “Automatic Communication Refinement for System Level Design”. DAC, 2003.

[13] LIM, k. et all (2007). “Interconnect and Communication Synthesis for Distributed Register-File Microarchitecture”. DAC, 2007.

[14] MUELLER, W. et all. UML for ESL design: basic principles, tools, and applications. Proceedings of the 2006 IEEE/ACM international conference on Computer-aided design. San Jose, California, 2006.

[15] LIU, H., LU, Y., YANG, Q. (2006) XML Conceptual Modeling with XUML. inProc. Of the 28th International Conference on Software Engineering. Shanghai, China, 2006.

[16] LENNARD, C. et al. Industrially proving the SPIRIT consortium specifications for design chain integration. In the Proceedings of the conference on Design, automation and test in Europe

DATE '06,pp 142-147, Munich, Germany, 2006.

Assinaturas

______________________________________________ Millena de Andrade Almeida Gomes

(Mestranda)

______________________________________________ Cristiano Coelho de Araujo