THÈSE

THÈSE présentée par Tarek BEN ISMAIL pour obtenir le titre de DOCTEUR de l'INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE GRENOBLE (arrêté ministériel du 30 Mars 1992) Spécialité : Informatique ______________________________________________________________________ SYNTHÈSE AU NIVEAU SYSTÈME ET CONCEPTION DE SYSTÈMES MIXTES LOGICIELS/MATÉRIELS Date de soutenance : 9 Janvier 1996 Composition du Jury : Messieurs Guy MAZARÉ Président Ivo BOLSENS Rapporteur Patrice QUINTON Jean-Louis LARDY Examinateur Ahmed Amine JERRAYA Thèse préparée au sein du Laboratoire TIMA-INPG 46, Avenue Félix Viallet, 38031 Grenoble Résumé L'objet de ces travaux de thèse est d'étudier la spécification et la synthèse de systèmes de contrôle, qui peuvent être composés à la fois de logiciel et de matériel, sur des architectures multiprocesseurs (ASIC, FPGA, et logiciel). Ce sujet de recherche fait partie à la fois de la synthèse de systèmes VLSI et de la conception mixte logicielle/matérielle. Afin d'atteindre ces objectifs, une méthodologie qui permet de concevoir conjointement le logiciel et le matériel a été développée. L'originalité de ce travail vient du fait que les spécifications à traiter sont décrites à un très haut niveau d'abstraction, appelé “niveau système”, avec le langage SDL. Ceci permet de concevoir des applications de plus en plus complexes. Ces travaux traitent principalement le problème du découpage de systèmes de contrôle en sous-systèmes de granularité plus fine et donc plus facilement synthétisables. L'approche de découpage qui a été développée se base sur une boîte à outils qui offre au concepteur le moyen de transformer, raffiner, découper un système puis d'affecter chaque sous-système à une technologie particulière en logiciel (C) ou en matériel (VHDL). La méthode de découpage suivie est interactive et utilise une forme intermédiaire basée sur un modèle de machines à états finis étendues communicantes via des canaux abstraits. Une autre tâche tout aussi importante dans cette méthodologie de raffinement est de synthétiser la communication entre les différentes partitions résultat d'un découpage. Cela se traduit par une étape d'allocation de protocoles de communication et une étape de synthèse d'interfaces entre les sous-systèmes communicants. La première étape consiste à sélectionner dans une bibliothèque les modèles de communication nécessaires entre les sous-systèmes. La deuxième étape consiste à adapter ou générer les interfaces des différents sous-systèmes. Mots clés: synthèse au niveau système, conception conjointe logiciel/matériel, machine d'états finis étendue, SDL, C/VHDL, découpage de descriptions, synthèse de la communication, sélection de protocoles de communication, génération d'interfaces. iAbstract The objective of this thesis is to develop a system-level specification and synthesis approach that allows an interactive hardware/software codesign of applications onto multiprocessor architectures composed of ASICs, FPGAs, or software processors. This thesis presents a hardware/software codesign methodology that starts with a specification given in the system- level description language, called SDL, and generates, through an intermediate representation called Solar, hardware and software descriptions in VHDL and C languages respectively. Two main steps are required in order to transform this specification into mixed hardware/software descriptions used for synthesising the hardware and compiling the software parts. Firstly, a system-level partitioning step is needed in order to transform, and split the model into a set of communicating subsystems. Secondly, a communication synthesis step, including protocol selection and interface generation tasks, is needed in order to refine the model into a set of interconnected subsystems. Each of these subsystems is described either in C code or in VHDL. Software parts may be compiled for a standard microprocessor and hardware parts may feed existing high-level synthesis tools in order to programme FPGAs or design ASICs. Keywords: System-level synthesis, hardware/software codesign, extended finite state machine, SDL, C/VHDL, partitioning, communication synthesis, communication protocol selection, interface generation. iiTable des matières Table des Matières Liste des Figures vii.............................................................................. Liste des Tableaux x Chapitre 1: Introduction 1...................................................................... 1.1. Motivations.................................................................................. 2 1.2. La conception conjointe de logiciel/matériel 3............................................. 1.3. Objectifs 5..................................................................................... 1.4. Contribution................................................................................. 6 1.5. Plan de la thèse 7............................................................................. Chapitre 2: Modèles, langages de spécification au niveau système, et systèmes de conception logiciel/matériel 9.......................... 2.1. Introduction 10............................................................................... 2.2. Systèmes de conception conjointe logiciel/matériel : État de l'art 11................... 2.2.1. Taxonomie des outils de conception logiciel/matériel....................... 13 2.3. Modélisation: État de l'art 15............................................................... 2.4. Langages du niveau système : État de l'art 19............................................ 2.4.1. Taxonomie des langages de spécification 20.................................... 2.4.1.1. Puissance d'expression............................................... 2.4.1.2. Puissance d'analyse................................................... 22 2.4.1.3. Arguments commerciaux 23............................................. 2.4.2. Comparaison des langages de spécification.................................. 2.5. Conclusion 26................................................................................ Chapitre 3: Modélisation pour la synthèse de systèmes mixtes logiciels/matériels 27........................................................... 3.1. Introduction 28............................................................................... 3.2. Le format SOLAR : Les concepts de 28 base............................................. 3.3. La table d'états............................................................................ 33 3.4. L'unité de conception 34.................................................................... 3.5. Le canal de communication 35............................................................. 3.6 Conclusion 39................................................................................ iiiListe des Figures 1.1. La statégie de conception d'un système.................................................. 4 2.1. Approche typique de synthèse 12.......................................................... 2.2. Étapes du cycle de développement d'un système..................................... 2.3. Modèle de machine à états finis pour un four à micro-onde 17......................... 3.1. Environnement de Solar 29................................................................. 3.2. Système de contrôle d'une pompe minière (a) Représentation schématique (b) Représentation au niveau système par des MEFs communicantes 30............. 3.3. (a) Représentation de ABC par un StateCharts (b) Représentation hiérarchique de ABC 32.............................................. 3.4. Attributs d'une table d'états 33............................................................. 3.5. Machine Request : (a) Représentation par un StateCharts, (b) Représentation hiérarchique et parallèle de la table d'état : Request 34............ 3.6. Unités de conception 35..................................................................... 3.7. Structure d'un canal Solar qui offre m services....................................... 36 3.8. Niveaux d'abstraction d'un canal connectant deux processeurs : (a) vue conceptuelle, (b) extrait de la spécification en Solar du système, (c) description en Solar d'un canal, (d) réalisation d'une unité canal physique 38............................................. 3.9. Organisation de la structure d'une description en Solar.............................. 39 4.1. Approche de synthèse dans COSMOS................................................. 42 4.2. Saisies des spécifications 44................................................................ 4.3. Conversion du modèle SDL en un modèle Solar 45..................................... 4.4. Étape de découpage dans COSMOS 49................................................... 4.5. Étape d'affectation des canaux 51.......................................................... 4.6. Étape de synthèse des interfaces 52........................................................ 4.7. Étape de génération d'un prototype virtuel 53............................................ 4.8. Procédé de traduction d'une table d'états : (a) Flot de traitement, (b) Exemple de traduction d'une table d'états............... 55 4.9. Procédé de traduction de l'unité de conception structurelle.......................... 56 4.10. Style de description d'un programme C généré : (a) Modèle de la machine d'états décrite en Solar, viiListe des Tableaux 2.1. Tableau comparatif des outils de conception logiciel/matériel 14....................... 2.2. Comparaison des langages de spécification 24........................................... 4.1. Correspondance entre Solar et VHDL comportemental 54.............................. 5.1. Résultat de fusion de MEFs 69............................................................. 5.2. Estimation du coût de chaque processus de la figure 5.2 69............................ 5.3. Résultats de découpage du système de la figure 5.2 70.......