Title: A tripartite approach for design space exploration; hardware/software design space exploration of low volume embedded systems
Language: English
Authors: Brunmayr, Peter 
Qualification level: Doctoral
Keywords: Eingebettete Systeme; Elektronische Systemebene; High Level Synthese; Exploration des Entwurfsraumes; SystemC; Hardware-Software Codesign; Elektronische Entwurfsautomatisierung; Programmierbare Logikbausteine; Digitaler Signalprozessor
Embedded Systems; Electronic System Level; High Level Synthesis; Design Space Exploration; SystemC; Hardware-Software Codesign; Electronic Design Automation; Field Programmable Gate Array; Digital Signal Processor
Advisor: Grimm, Christoph
Assisting Advisor: Schmid, Ulrich
Issue Date: 2012
Number of Pages: 158
Qualification level: Doctoral
Abstract: 
Eingebettete Systeme sind elektronische Komponenten, die meist in ein übergeordnetes System integriert und für eine spezielle Aufgabe optimiert sind. Entwurfsziele wie die maximalen Kosten, der maximale Leistungsverbrauch oder die minimale Performance resultieren aus dieser speziellen Aufgabe. Da diese Ziele bei jedem System anders sein können, werden spezielle Entwurfsverfahren benötigt, die den Entwickler unterstützen die besten Entwurfsentscheidungen zu treffen. Eine schwierige und kritische Entscheidung ist die Wahl der Systemarchitektur und die Zuordnung von funktionalen Blöcken zu Verarbeitungseinheiten. Um diese Entscheidung optimal treffen zu können, wurden in den letzten Jahren Verfahren für die sogenannte Exploration des Entwurfs\-raums entwickelt. Diese Verfahren ermöglichen das Evaluieren und Vergleichen verschiedener Architekturen und Zuordnungen.
Bestehende Werkzeuge, die den Entwickler bei diesem Schritt unterstützen, zielen in erster Linie auf den Entwurf eines Ein-Chip-Systems ab. Für eingebettete Systeme mit geringer Stückzahl rentiert sich ein Chipentwurf jedoch nicht, daher wird die geforderte Funktionalität typischerweise mit Standardkomponenten realisiert.
Zusätzlich haben die meisten Verfahren Modellierungseinschränkungen: so werden zum Beispiel von kaum einem Werkzeug komplexe Datenstrukturen unterstützt, was die Höhe der Abstraktionsebene deutlich beschränkt.
In dieser Arbeit wird ein neuer Ansatz zur Exploration des Entwurfsraumes vorgestellt, bei dem Berechnungen, Kommunikation und Datenstrukturen getrennt modelliert werden. Diese Trennung erleichtert das Erzeugen verschiedener Hardware/Software Implementierungen und ermöglicht zusätzlich die Unterstützung von komplexen Datenstrukturen.
Diese werden mittels optimierter Komponenten aus einer Bibliothek auf die jeweilige Zielarchitektur abgebildet. Das präsentierte Konzept zielt speziell auf den Entwurf von eingebetteten Systemen mit geringer Stückzahl ab. Es werden Methoden zur Verfügung gestellt, die das effiziente Abbilden von abstrakten Systemmodellen auf gängige Standardkomponenten unterstützen. Die Evaluierung verschiedener Hardware/Software Realisierungen eines Systems wird mit dem vorgestellten Modellierungsansatz deutlich vereinfacht. Es hilft dem Entwickler die beste Zuordnung der funktionalen Blöcke zur Systemarchitektur zu finden. Der Ansatz wurde anhand einer Fallstudie, bei der verschiedene Realisierungsmöglichkeiten eines "Voice over IP" Systems verglichen wurden, evaluiert. Im durchgeführten Vergleich mit einem traditionellen Entwurfsablauf ergab die Verwendung des neuen Konzeptes einen deutlich reduzierten Modellierungsaufwand.

Embedded systems are electronic devices, which are integrated into a larger system and optimized for a specific purpose. Depending on the purpose, different design goals such as the maximum costs, maximum power consumption or minimum performance can be identified. Since these goals may be different for each system, particular design methods, which support the designer to make the best design decisions, are required. A difficult and critical decision is the selection of the system architecture and the mapping of functional components to processing units. To find the best solution to this decision, methodologies for exploring the design space have been developed in recent years. These methodologies enable the evaluation and comparison of different architectures and mappings. Existing solutions, which support the designer during this step, target especially the design of system on chips. However, for low volume systems the design of a new integrated circuit is not profitable. In this case, the demanded functionality is typically realized with standard components. Additionally, most approaches have modeling restrictions. Examples are complex data structures, which are not supported by many current solutions. This significantly limits the level of abstraction.
In this work a new approach for design space exploration, which separately models computation, communication and data structures, is presented. This separation simplifies the generation of various hardware/software implementations and additionally, enables the support of complex data structures. They are mapped to the respective target architecture by using a library based approach. The presented concept targets especially low volume systems. Methodologies are provided, which support the efficient mapping of abstract system models to common standard components. The approach simplifies the evaluation of different hardware/software realizations. It helps the designer to find the best application-to-architecture mapping. The concept has been evaluated via a case study. Different realizations of a Voice-over-IP engine have been generated and compared. The analysis of the modeling effort has shown a significant reduction compared to a traditional design approach.
URI: https://resolver.obvsg.at/urn:nbn:at:at-ubtuw:1-59242
http://hdl.handle.net/20.500.12708/9848
Library ID: AC07813342
Organisation: E384 - Institut für Computertechnik 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
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