An application development approach for the time-triggered system-on-chip architecture

Abstract

In der Time-Triggered System-on-Chip (TTSoC) Architektur sind Komponenten an ein Time-Triggered Network-on-Chip (TTNoC) angeschlossen und interagieren miteinander über ihr Linking Interface (LIF). Daraus folgt: (1) Das Systemverhalten resultiert aus den Interaktionsbeziehungen zwischen den Komponenten und (2) das Verhalten der Komponente wird durch ihr LIF bestimmt. Daher ist die Definition der Interaktionsbeziehungen zwischen den Komponenten und das Design der Komponentenschnittstellen der Schlüssel zur Entwicklung von Applikationen für die TTSoC Architektur. Eine von der Architektur bereitgestellte dynamische Ressourcenverwaltung impliziert jedoch, dass Komponentenschnittstellen und Interaktionsbeziehungen nicht notwendigerweise statisch sind. Zusätzlich ist sowohl der verfügbare Design-Raum als auch das Verlangen nach immer höherer Integration groß: Heutige Chips enthalten hunderte Cores und alle sollen aufgrund von Skalierungsvorteilen auch genutzt werden. Unser Ziel ist die Formulierung eines generischen Prozesses zur Entwicklung von verteilten Applikationen für die TTSoC Architektur. Dazu haben wir existierende Methoden sowohl für die Time-Triggered Architecture (TTA) als auch generell im Feld verteilter Systeme begutachtet. Basierend auf diesen Erkenntnissen haben wir einen Entwicklungsprozess für die TTSoC Architektur gestaltet und seine Brauchbarkeit anhand eines Fallbeispiels evaluiert. Im Entwicklungsprozess haben wir mehrere service-orientierte Modelle definiert, die das System auf unterschiedlichen Abstraktionsebnen darstellen. Modelltransformationen verfeinern das System bis es auf einer Plattform (e.g., einem TTSoC Chip) ausgeführt werden kann. Das zu diesem Zweck entwickelte Tool unterstützt die Modelltransformationen und erzeugt automatisch eine Konfiguration für Elemente der TTSoC Architektur (e.g., TTNoC, Gateways, ...). Im Zuge der Gestaltung des Entwicklungsprozesses wurden existierende Arbeiten zur TTSoC Architektur sowohl auf Konzept- als auch Implementierungsebene erweitert. Wir haben das Konzept rekursiver Komponenten auf die TTSoC Architektur angewendet, sodass Komponenten andere Komponenten enthalten können und als Gateways Verbindungen zwischen Komponenten herstellen können. Ein Fallbeispiel validiert die entwickelten Erweiterungen der Architektur und zeigt die Brauchbarkeit des Entwicklungsprozesses. Das Konzept der rekursiven Komponenten erlaubt eine Systemgestaltung die bezüglich Komplexität, Zuverlässigkeit, Performance und Energie skaliert. Mit dieser Arbeit hoffen wir die TTSoC Architektur für weitere wissenschaftliche Evaluierung, ihren Einsatz in Lehrveranstaltungen und ihre Verwendung in der Industrie gefördert zu haben.

In the Time-Triggered System-on-Chip (TTSoC) Architecture components attached to a Time-Triggered Network-on-Chip (TTNoC) interact with each other via their Linking Interfaces (LIFs). This implies: (1) System behavior is determined by the interaction relations of its components and (2) component behavior is determined by the component LIF. Consequently, the definition of the interaction relations between components and the design of these component interfaces are the key to develop applications for the TTSoC Architecture. However, dynamic resource management provided by the architecture entails that both the component interfaces and the interaction relations are not necessarily static. Additionally, we are faced with a large available design space and the demand for denser integration: Todays chips offer hundreds of cores and for saving costs and other scaling benefits, we want to use them all. Our goal is to formulate a generic application development approach that enables engineers to create distributed applications for the TTSoC Architecture. To this end, we studied existing development methods intended for the Time-Triggered Architecture (TTA) and the general field of distributed systems. Based on these findings, we designed our development approach for the TTSoC Architecture and evaluated its viability in a case study. In our model-based development approach we defined a set of service-oriented models that represent the system at multiple abstraction levels. A series of model-transformations refine the system until it can be executed on a platform (e.g., a TTSoC Architecture conforming chip). For this purpose, we implemented a tool that assists the model transformations and automatically derives platform configuration data (e.g., schedules, mapping information, ...) for TTSoC Architecture elements, i.e., TTNoC, dynamic resource management, diagnosis and gateways. In support of the development approach, we advanced existing work concerning the TTSoC Architecture both conceptually and regarding the implementation. We applied a recursive component concept to the TTSoC Architecture, i.e., components can contain other components and can establish links between components. The case study validates the developed architectural extensions and supports the viability of the proposed development approach. The recursive component concept facilitates the formation of systems such that they scale with respect to complexity, reliability, performance, and power. By making the TTSoC Architecture accessible for application development we hope to encourage its further scientific evolution, its use in university courses and its deployment in industry.