PARTICIÓN Hardware-Software:

Contenido 1. Definición del problema 2. Caracterización 3. Modelado 4. Técnicas de partición Hw-Sw 5. Revisión de trabajos clásicos 6. Nuevos enfoques

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Contenido 1. Definición del problema 2. Caracterización 3. Modelado 4. Técnicas de partición Hw-Sw 5. Revisión de trabajos clásicos 6. Nuevos enfoques 7. Conclusiones

PARTICIÓN Hardware-Software: Modelado y técnicas

Mª Luisa López Vallejo Diseño de Circuitos Electrónicos Heterogéneos

Dpto. Ingeniería Electrónica-UPM

M. L. López Vallejo

2

M. L. López Vallejo

1. Definición del problema ƒ

1.1 Co-diseño Hw-Sw

¿Por qué Co-diseño?

n ió ac al c i f ci ion pe nc Es F u

Time-to-market

Ventajas 9 9 9 9 9

ƒ

Se explota el sinergismo Hw-Sw Mejores prestaciones Compromiso coste-prestaciones Tiempo de diseño menor Propiedad intelectual

I/O

Partición Hw-Sw: Impacto crítico 9

Hw

Memoria

Hw

...

Sistema

M. L. López Vallejo

1.2 Flujo de Co-diseño

4

1.3 Problemas de Co-diseño

Transformaciones

ƒ Formato Intermedio

Síntesis de ASIPs: Diseño y generación de un microprocesador

Partició ón HW-SW

Generació ón de có ódigo

Procesador

Arquitectura destino 3

M. L. López Vallejo

Hw

Memoria

Características coste-prestaciones

Especificació ón

Procesador

Interfaz

ƒ

ƒ

Diseño de Sistemas en un chip (SoC)

ƒ

Aceleración de ejecución: Máquinas con FPGAs

ASICs con cores de procesadores Sííntesis Hardware

Prototipado Integració ón

ƒ

Prototipado

M. L. López Vallejo

Diseño de Sistemas empotrados Sistemas heterogéneos propiamente dichos

Verificació ón Cosimulació ón

5

M. L. López Vallejo

6

1

1.4 Qué es Partición Hw-Sw ƒ

Tarea clave en el ciclo de Co-diseño

Interfaz de Usuario

9

Asigna bloques a unidades de procesamiento Hw/Sw 9 Planificación del sistema ƒ ƒ

9 9

ƒ

Entrada

MODELO DE SISTEMA

Basada en estimaciones Considera restricciones: Cotas impuestas por recursos: área, memoria... Límites impuestos por las prestaciones

Algoritmo

Salida

Estimadores

Técnicas: 9

Procedimientos generales de optimización Adaptación de algoritmos clásicos de partición 9 Métodos más sofisticados 9

Funció ón de coste

7

M. L. López Vallejo

M. L. López Vallejo

8

1.5 Diferentes problemas ƒ

9 9

ƒ

2.1 Tipo de especificación 2.2 Granularidad 2.3 Arquitectura destino 2.4 Tipo de aplicación

Sistemas Empotrados Sistemas en un Chip

División en conjunto de instrucciones 9

ƒ

1. Definición del problema 2. Caracterización

Distribución física de funcionalidad entre unidades de procesamiento diferentes

3. Modelado 4. Técnicas de partición Hw-Sw 5. Revisión 6. Nuevos enfoques

Síntesis ASIPs

Mapping o Mapping + partición 9

Máquinas aceleradoras basadas en FPGAs

7. Conclusiones M. L. López Vallejo

9

M. L. López Vallejo

2. Caracterización del problema ƒ

2.1 Tipo de Especificación

Identificación de aspectos clave: 9

Tipo de especificación

9

Granularidad Arquitectura destino Tipo de aplicación

9 9

10

ƒ

Lenguaje único 9

HDL: Verilog, VHDL... Lenguaje de programación: C, C++, Ada... 9 Técnica de descripción formal: Lotos, STL,… 9

ƒ

Diferentes lenguajes: 9

Más real Mejor adecuación 9 Contrario a la idea inicial 9

ƒ

Objetivos 9 9

Fundamentos para implementación Clasificación Estudio de los antecedentes

M. L. López Vallejo

¡Condiciona la representación interna!

11

M. L. López Vallejo

12

2

2.2 Granularidad Tamaño de los objetos manipulados 9

Gruesa:

9

Fina

Tareas Funciones Bloques

I/O

Instrucciones Operaciones

ƒ

Medida relativa

ƒ

Múltiples granularidades 9

Procesador

Interfaz

ƒ

2.3 Arquitectura destino

Hw

Memoria

Definida de forma dinámica

Genérica 13

M. L. López Vallejo

14

M. L. López Vallejo

2.5 Tipo de aplicación Auto-contenidos

Sistemas empotrados

Procesado informació ón

Consumidor

Ordenadores Emuladores Prototipado

1. Definición del problema

Control en transporte

Control de planta

Redes

Electrodomé ésticos

Automó óviles

Fabricació ón

Telé éfono

Juegos

Quíím ica

Defensa

Aviones

HiFi

Barcos

Concentrados

Trenes

2. Caracterización 3. Modelado 3.1 Modelo de sistema 3.2 Modelo de la arquitectura 3.3 Extensiones 3.4 Referencias de calidad

Centrales

Distribuidos localmente

Distribuidos

4. Técnicas de partición Hw-Sw 5. Revisión

Clasificación de Prof. De Micheli

6. Conclusiones 15

M. L. López Vallejo

16

M. L. López Vallejo

3. Modelado del problema

3.1 Modelo de sistema

Resolución de un problema Definición de un modelo Aspectos involucrados ƒ ƒ

Fundamento de implementaciones posteriores Puntos básicos: 9 9 9 9

M. L. López Vallejo

ƒ

Abstracción de la funcionalidad

ƒ

Define los objetos básicos de la partición

ƒ

Base de la estructura de datos

ƒ

Fundamentado en un modelo de computación

ƒ

Información asociada fundamental

Modelo de sistema Modelo de arquitectura Extensiones Formulación de la función de coste 17

M. L. López Vallejo

18

3

3.1.1 Modelos de Computación

3.1.2 Grafos de flujo ƒ

ƒ

ƒ

Tipo de grafo: dirigido

Formulación matemática Ö verificación

9 9

ƒ

Formalismos más utilizados 9 9 9 9

Granularidad: 9

Grafo de flujo de ejecución (DFG y CDFG) Redes de petri Máquinas de estados finitos Otros

9

19

M. L. López Vallejo

Acíclico: DFG, Grafos de tareas Cíclico: CDFG gruesa (tareas) fina (operadores) ARCO: ttransf (vi, vj ) wi j ni j

NODO: hai hti ssi sti ni

20

M. L. López Vallejo

3.1.2 Ejemplo de grafo de flujo

3.1.3 Redes de Petri

Orig

T4

ƒ

T7

ƒ

Vértice i T0

ƒ

ha i ht i ss i st i ni

T3

Lugares (places) Transiciones Fichas (tokens) P4

P2

T6

T1 5

T5

Arco (i,j)

T2

t transf(v ,v ) i

T4

j

wij nij

T8

T2

P1

T5

T6 P5 5

T1

T3 M. L. López Vallejo

21

End

3.2 Modelo de arquitectura

RAM

ƒ

ROM

ƒ

Modelado a dos niveles de abstracción: 9

Nivel RTL

9

Nivel funcional

Tres modelos básicos: 9 9 9

M. L. López Vallejo

22

(Sistema)

BUS (datos / direcciones / control)

COPRO1

P6

3.2.1 Bases del modelo de arquitectura

Estructura clásica: procesador-bus-coprocesador MICRO PROCESADOR

P3

M. L. López Vallejo

Procesador Co-procesador Interfaz

COPRO2

23

M. L. López Vallejo

24

4

3.2.2 Modelos integrantes ƒ

Procesador 9 9 9

Cache/ memory

Arquitectura load-store RISC ...

3.2.2 Modelo Co-procesador Hardware Datapath

Decode and issue unit

Fetch Unit

Multiple instruction

FU

FU

FU

FU

FU

Controlador

Abstracciones matemáticas Representación de la información, funciones booleanas

Abstracciones matemáticas: Máquinas de estados finitos (FSM)

Componentes principales • Puertas Lógicas & Flip-Flops •Componentes RTL

Componentes principales • Puertas Lógicas & Flip-Flops • Registros de Estado y componentes para Estado Siguiente

Input

FU

Input Status

Datapath

Register file

Controller

Register file

Control 25

M. L. López Vallejo

3.2.2 Modelo de interfaz

M. L. López Vallejo

Basada en bus

9

Memory-mapped

9

Protocolo asíncrono mediante interrupciones

9 9

ƒ

External Memory Interface

AHB DMA bus Master

B R I D G E

Latencia, Tp Área hardware, Ap Espacio en memoria, Mp

Restricciones 9 Modelo

Serial interface

de sistema:

– Máxima latencia, T 9 Modelo

Timer 27

3.4 Referencias de calidad

de arquitectura:

– Máxima área hardware, A – Máximo espacio en memoria, M – Velocidad de transferencia del bus, B – Anchura del bus, W

APB

M. L. López Vallejo

M. L. López Vallejo

9

ƒ

ESPECIFICACIÓN

Implementación todo-software 9

TRANSFORM. SW

MaxM MaxT

9

9 9 M. L. López Vallejo

SIMULACIÓN SISTEMA

ni

ss i ,st i

Hw-Sw

Procesos SW

TRANSFORM. HW

ESTIMACIÓN HW

hai ,ht i

PARTICIÓN

MaxA MinT

Siempre se cumple: 9

GRAFO

ESTIMACIÓN SW (PROFILING)

Implementación todo-hardware 9

28

Todo junto: Flujo de información

Implementaciones extremas ƒ

26

Atributos de calidad de la partición 9

ARM Processor

HW CoProcessor

Output

3.3 Extensiones a los modelos básicos ƒ

9

Output

tcomm,i,j

A, T, M Procesos HW

CO-ESTIMACIÓN HW-SW

Ap ≤ MaxA Mp ≤ MaxM MinT ≤ Tp ≤ MaxT

CO-SIMULACIÓN HW-SW

PROTOTIPADO

29

M. L. López Vallejo

30

5

4. Técnicas de Partición Hw-Sw 1. Definición del problema 2. Caracterización 3. Modelado 4. Técnicas de partición Hw-Sw

ƒ

Métodos de optimización general 9 9 9

4.1 Métodos de optimización general

ƒ

4.2 Adaptación de heurísticos

Adaptación de heurísticos

4.3 Técnicas especiales 4.4 Comparativa

5. Revisión 6. Nuevos enfoques 7. Conclusiones

ƒ

9

Min-cut

9

Agrupamiento

Técnicas especiales 9

31

M. L. López Vallejo

Recocido simulado Programación lineal Algoritmos genéticos

Sistemas basados en conocimiento

4.1 Métodos de optimización general ƒ

4.1.1 Función de coste

Problema de optimización combinatoria 9 Medida de calidad Î Función de coste 9 Espacio de soluciones Î Restricciones

ƒ

¡Sin conocimiento del problema!

ƒ

Métodos: 9 9 9 9

ƒ ƒ ƒ

9

9

Recocido simulado Programación lineal Algoritmos genéticos Otros

A

+ kT ×

T

+ kM ×

Mp M

+ kC ×

Cp C

[

Métodos de penalización, barrera o minimización del error cuadrático medio

ƒ

Ventajas de la formulación propuesta: 9 9 9 9

A

+ kT ×

Tp T

+ kM ×

Mp M

+ kC ×

Cp C

34

M. L. López Vallejo

]

Generalidad Eficiencia y sencillez Evita la alteración de algoritmos clásicos Permite adaptar el método al problema particular Fácilmente extensible

M. L. López Vallejo

Ap

Funciones de penalización

+ k p × r 2 ( Ap , A) + r 2 (Tp , T ) + r 2 ( M p , M )

ƒ

9

Restricciones impuestas a los atributos de calidad

kA ×

33

Tp

Atributos de calidad de la partición:

– A, T, M y C

Términos de corrección Ap

Guía los métodos de optimización Permite adaptar el algoritmo al problema Ha de considerar: – Ap, Tp, Mp y Cp

M. L. López Vallejo

kA ×

32

M. L. López Vallejo

A

35

M. L. López Vallejo

T 36

6

Minimización del error cuadrático medio

80

2

60

1.5

Fp(Ap,Tp)

Fp(Ap,Tp)

Funciones barrera

40 20

1 0.5 0 10

0 4A 2 Ap

2

T4

A5

2 0

0

Ap

Tp 37

M. L. López Vallejo

9 9 9

Soluciones del problema Coste Mínimo global Movimiento

Proceso físico de recocido 9 Estados del sistema 9 Energía 9 Cristalización 9 Perturbación

ƒ

Sistema en equilibrio térmico

ƒ

Los estados se ocupan siguiendo la distribución de Boltzmann −E

prob (estado Energía E ) α e kT

39

E E

Más probables Menos probables 40

M. L. López Vallejo

Fundamentos (y II)

Seudo-código

Test de Metropolis: Sistema en equilibrio térmico

T = T∞ = calienta(); actual_P = inicial_P; coste = funcion_coste(actual_P); WHILE (no congelado) { WHILE (no equilibrio) { genera_movimiento(); ∆E = incr_coste(); IF (acepta_metropolis(∆E)) actual_P = haz_movimiento(); coste = funcion_coste(actual_P); } } T = enfria(T); }

Perturbar sistema ligeramente Calcular ∆E If (∆E < 0) Aceptar // configuración menor energía else // configuración mayor energía Aceptar con Prob(∆E, T) = exp(- ∆E/kT)

Repetido a diferentes temperaturas decrecientes: Recocido Simulado M. L. López Vallejo

Tp

38

Estados Estados M. L. López Vallejo

0

Fundamentos

Basado en una analogía:

9

0

M. L. López Vallejo

4.1.2 Recocido simulado

Problema de optimización combinatoria

T1

41

M. L. López Vallejo

42

7

Evolución (mínimos)

Elementos clave

Coste

ƒ

Búsqueda local

9

Recocido

9

ƒ

9

puede

ƒ

poco probable

siempre

quizás

siempre

M. L. López Vallejo

9

T ↑↑

T ↓↓

43

Esquema de enfriamiento ƒ

Temperatura inicial: T∞

ƒ

Temperatura inicial: T∞

ƒ

Criterio de equilibrio

Solución aleatoria (gran aceptación)

Criterio de equilibrio: equilibrio Velocidad de enfriamiento: enfria(T)

ƒ

¿Cómo reducir temperatura? ƒ

44

M. L. López Vallejo

¿Cuándo hay equilibrio térmico? ƒ

Decisivo para una buena implementación Experimentales vs. Dinámicos

Esquema de enfriamiento (ejemplo)

¿Cuándo he alcanzado T∞? ƒ

Configuraciones Movimientos

Esquema de enfriamiento 9

nunca

Que refleje perfectamente la calidad de una solución ¿Evaluación incremental?

Conjunto de movimientos 9

Soluciones casi siempre bastante probable

Función de coste

9

nº estados aceptados > un orden de magnitud n

9

nº estados generado > dos órdenes de magnitud n

Velocidad de enfriamiento: enfria(T) 9

T

Tnew = Told * 0.9

Criterio de parada: congelado ¿Cuándo se ha parado el sistema? ƒ

Criterio de parada 9

45

M. L. López Vallejo

3 bucles consecutivos sin mejora 46

M. L. López Vallejo

Ejemplo de funcionamiento

Análisis

Cost Function

800

Polémico: ¡No es la panacea!

600 400

ƒ

200

9

0 1

51

101

151

201

251

301

351

9

401

ƒ

40000

Temperature

Ventajas Escapa de mínimos locales Independiente de la solución inicial

Inconvenientes

30000

9

Tiempos de ejecución elevadísimos

20000

9

10000

9

Múltiples parámetros Î Difícil de ajustar No garantiza mínimo global

0 1

M. L. López Vallejo

51

101

151

201

251

301

351

401

47

M. L. López Vallejo

48

8

4.1.2 Programación lineal ƒ ƒ ƒ ƒ

Aplicación a partición Hw-Sw

Formulación matemática de un problema de optimización combinatoria “LP solvers” Se reduce a formular inecuaciones Formulación: x Variables 9 9

Maximizar (min) Cumpliendo

c Tx

Ax ≤ a x≥0

ƒ

Variables: implementación de cada objeto xhi ∈ { 0 , 1 } xsi ∈ { 0 , 1 }

ƒ

Inecuaciones: Σhai xhi ≤ A Σssixsi ≤ M

Coste Restricciones

ƒ

Coste y restricciones lineales respecto a x

ƒ

Variables enteras Î ILP

Σstixsi + Σhtixhi ≤ T

¡Atención!!!

xsi + xhi =1 ... ƒ

Objetivo: ????

49

M. L. López Vallejo

4.1.3 Algoritmos genéticos ƒ ƒ

ƒ ƒ

Seudo-código

Analogía: proceso de evolución en la naturaleza Población de posibles soluciones Codificada en cromosomas Objetivo: nueva generación Proceso de selección 9 9

9

Sobrevive el mejor 010010 110 Cruces 001001 010 Mutaciones 001011000

010010 010 001001 110

51

M. L. López Vallejo

FOR (i=0; i < pop_size; i++) Pop ← Pop U random_cromosoma(); REPEAT { new_pop ← ∅; FOR (i=0; i < num_cruces; i++) { padre1 = select(pop); padre2 = select(pop); cruce (padre1, padre2, hijo1, hijo2, crit); new_pop ← new_pop U {hijo1, hijo2}; } FOR (i=0; i < num_mut; i++) { mutante = select(pop); muta (mutante); new_pop ← new_pop U {mutante}; } new_pop ← new_pop U select_mejores(); pop = new_pop; UNTIL stop(); Selecciona_mejor() } M. L. López Vallejo

Búsqueda tabú 9 9 9 9

ƒ ƒ

Hill-climbing Se mueve al vecino menos costoso Lista tabú: para evitar ciclos Más rápido que recocido

ƒ

Heurístico Î conocimiento del problema

ƒ

¿Adaptación o redefinición? 9 9 9

Problema de la mochila (knap-sac) Etc.

9

ƒ

9

53

Se utilizan unidades de ejecución heterogéneas Medida de calidad más compleja Dificultad en la evaluación incremental ¡Reestructuración completa del algoritmo!!!

Algoritmos más conocidos: 9

M. L. López Vallejo

52

4.2 Adaptación de heurísticos de partición de circuitos

4.1.4 Otros ƒ

50

M. L. López Vallejo

Migración de grupos Agrupamiento (clustering)

M. L. López Vallejo

54

9

4.2.1 Migración de grupos ƒ

ƒ

9 9

B

A

Búsqueda local mejorada Se puede escapar de algún mínimo local Procedimiento 9

ƒ

K&L: funcionamiento B

A

coste

Odenación de nodos por ganancias Intercambia todos los nodos en cada pasada Guarda registro de los mejores movimientos y los realiza

B

A

Dos versiones: 9 9

Kernighan & Lin, implementación básica Fiduccia & Mattheyses: mejora estructura de datos

nuevo coste

55

M. L. López Vallejo

56

M. L. López Vallejo

Seudo-código

F&M: Estructura de datos max

REPEAT { actual_P = mejor_P = Pi; WHILE (hay_nodos_libres(actual_P)){ Obj = SelectMov(actual_P); actual_P = mueve_y_fija(actual_P, Obj); ActualizaCostes(actual_P, Obj); mejor_P = MenorCoste(actual_P,mejor_P); } } UNTIL (Coste(mejor_P) > coste(actual_P));

C

vé értice

v min

1

v

vé értice

2

v

3

v

n

C

Bucket array 57

M. L. López Vallejo

M. L. López Vallejo

Adaptación

Análisis de migración de grupos

Esquema de control: se conserva

ƒ

Ventajas 9

Aspectos de nivel de sistema

n M. L. López Vallejo

9

Estructura de datos

Función de coste

Clave

Dato

0.345

Nodo7

0.914

Nodo11





1.467

Nodo4

58

MAPAS: - emulan el bucket array - claves reales - acceso rápido

ƒ

59

Inconvenientes 9

9

ƒ

Tiempos de ejecución bajos Escapa de algunos mínimos locales

Muy dependiente de la solución inicial Irregular No garantiza mínimo global

Aplicación: Refinamiento de otras técnicas

M. L. López Vallejo

60

10

4.2.2 Técnicas de agrupamiento ƒ ƒ

Algoritmo constructivo Elementos clave: 9

9

Fundamentos

Semilla

A 10

B

5

Función de proximidad: métrica que sirve para agrupar objetos Matriz de proximidad

C

3

AB CDE A B 10 C 57D 03 7E 30 0 8-

de corte 3

7

b) Matriz de proximidad

D

Árbol de agrupaciones: representación del proceso

Líínea

7

A

B

D

C

E

8

9

Línea de corte: determina el resultado final

E a) Objetos y proximidades originales

61

M. L. López Vallejo

62

M. L. López Vallejo

Seudo-código

Modificaciones

G: grafo, G = (V,A) C: matriz de proximidad, C = {cij | 1 T ?

Posible Solució ón

∑ st n + ∑ st m

v n ∈ pi

¿Ap > A ?

SI

NO

vm ∈ p j

¿Mp > M ?

ht k = max{ ht n with vn ∈ pi ∪ p j }

SI

HwP1 A1

<

HwP2 A2

<

HwP3 A3

Sw

NO

ht k = max{ t end (vn )} − min{ t start (vn )} − tidle SOLUCIÓ ÓN

67

M. L. López Vallejo

Funcionamiento

Area y latencia normalizadas

Análisis de agrupamiento ƒ

Area Latencia Restricciones

1.6

68

M. L. López Vallejo

Ventajas 9

Tiempos de ejecución muy bajos

1.4

ƒ

1.2

Inconvenientes 9

1

Muy dependiente de las restricciones

Irregular

0.8

ƒ

0.6

Aplicación: partición inicial de calidad

0.4 0.2

¡Agrupamiento + Migración de grupos!

0 0

5

10 Nºde iteraciones

15

20

M. L. López Vallejo

69

M. L. López Vallejo

4.3 Técnicas de Inteligencia Artificial

70

Qué es un Sistema Experto

Fundamentos: 9

• Sistema basado en el conocimiento (experto)

Sistema basado en conocimiento – Emula la forma de pensar de un experto – Se aprovecha el conocimiento adquirido por otros – Trabajo al nivel del conocimiento

9

• El conocimiento se puede estructurar mediante reglas algorítmicas: if A then B

Lógica borrosa

• Componentes principales:

– Interfaz con humanos. Lenguaje del experto – Modelado de parámetros imprecisos – Control de matices 9

9 9

y

Metodología CommonKADS

Motor de Inferencia Base de conocimiento

Ejemplo: CLIPS

– Soporte para el diseño y construcción del sistema experto – Librería de PSMs M. L. López Vallejo

71

M. L. López Vallejo

72

12

Sistema Experto: estructura

¿Por qué Lógica borrosa? ƒ

El diseñador experto utiliza expresiones en lenguaje natural utilidad de las variables lingüísticas.

ƒ

Se manejan magnitudes imprecisas, vagas, inciertas ambiguas o inexactas: estimaciones, tendencias, etc.

ƒ

M. L. López Vallejo

73

Simplicidad y efectividad probada.

M. L. López Vallejo

Lógica borrosa: Fundamentos Conjunto borroso: A = {(x, µ A(x)) / x ∈ X} µ A(x) ∈ [0,1] Función de pertenencia X: Universo de discurso

ƒ

Variable lingüística: (W,T(W), X, G, M), con 9W nombre de la variable 9 T(W) conjunto de valores lingüísticos 9U universo de discurso 9G regla sintáctica para T(W) 9M regla semántica

ƒ

Ejemplo: variable lingüística edad 9 W edad 9 T(W) = { niño, joven, maduro, viejo... } 9 U = [0,100] 1,0 0,8

Á(x)

ƒ

Lógica borrosa: Fundamentos

Niño Joven Maduro Anciano

0,6 0,4 0,2 0,0

0

20

40

60

80

100

Edad (a±os) M. L. López Vallejo

Lógica borrosa: Fundamentos ƒ

Relaciones borrosas: representan el grado de presencia o ausencia de interacción entre los elementos de dos conjuntos borrosos mediante una función de pertenencia.

M. L. López Vallejo

Particionado Hw-Sw: planteamiento ƒ

Entradas: 9

Composición: AND, OR, NOT...

ƒ

Reglas IF THEN borrosas: inferencia de mínimo o de producto

ƒ

Ejemplo: IF área es pequeña AND mejora en tiempo es grande THEN es buen candidato

M. L. López Vallejo

Grafo del sistema con anotaciones: – Estimaciones de tareas (área y tiempo HW, tamaño y tiempo SW, nº medio de ejecuciones, etc). – Estimación de comunicaciones: tiempos de transferencia, frecuencias de comunicaciones, etc.

Ejemplo: x está (muy) cerca de y ƒ

76

9

Bases de conocimiento: – Clasificación – Restricciones – Tentativas

ƒ

Salida: 9

Grafo anotado con implementaciones

M. L. López Vallejo

13

5.3 Aquitectura del Sistema Experto

SHAPES: Módulo clasificador µ(Area) 1,0

Clasificador

Ejemplo:

BC Clasif

0,8 0,6

Pequeña Media Grande

0,4 0,2

Asignador





Evaluador

NO

1,0

Implementación

BC Restricc.

BC Comunic.

Estrategia BC Tentativas

Si

Procesos SW Procesos HW

0,0 0

σ /2

σ

3σ/2

0,6 Umbral 0,43

0,4

Salida

0,2

Solución

Area(%)

0,8

0,0

P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10 P11 P12 P13 P14 P15 P16 P17 P18 P19 P20 P21 P22 P23

Procesos 79

M. L. López Vallejo

M. L. López Vallejo

4.4 Comparativa

6.1 Calidad de la solución 25

PRUEBAS: 9

Evaluar los métodos considerando: Coste de la solución

– Calidad de la solución – Tiempo de cálculo 9

Recocido simulado Kernighan&Lin Agrupamiento Sistema experto

20

Tres tipos de ejemplos – Casos de estudio – Universidad de Cincinnati – Generados

15

10

5

9

Influencias: – Función de coste: tipo y parámetros de control – Variantes de los algoritmos

0 REG

81

M. L. López Vallejo

LU

Mean

Laplace

FFT

Ejemplos con sus restricciones

82

M. L. López Vallejo

6.2 Tiempo de CPU

6.3 Comparativa

40

Método

Límite

Grano

Ventajas

Inconvenientes

Aplicación

50

Grueso

Calidad Regularidad

Lento

Referencia

Kernighan & Lin

100

Indiferente

Rápido

Irregular

Agrupamiento

500

Fino

Rápido

Irregular

Preprocesado

75

Grueso

Calidad Regularidad

Interpretado

Partición Hw-Sw Interacción

35

Tiempo de CPU (s)

30

Recocido simulado (x 1/15) Kernighan&Lin

Recocido Simulado

Agrupamiento Sistema experto

25

20

Refinamiento

15

10

5

Sistema experto

0

REG

M. L. López Vallejo

LU

Mean Complejidad

Laplace

Información

FFT

83

M. L. López Vallejo

84

14

5. Revisión de trabajos clásicos Entorno Especificación

1. Definición del problema

HardwareC

Vulcan

2. Caracterización 3. Modelado 4. Técnicas de partición Hw-Sw 5. Revisió Revisión de trabajos clá clásicos 6. Nuevos enfoques

Aplicación Grano Datos

Cosyma Subconjunto C

Datos

Ptolemy Silage

Tiempo Real

SpechCharts

Vahid

C extendido

Castle

Control -

7. Conclusiones CADLab VHDL

85

M. L. López Vallejo

Control

Fino

Algoritmo Mejora

(Instruc.) Iterativa

Formato Intermed. DFGs

Fino

Recocido

Árbol

(BSB)

Simulado

Sintáctico

Grueso

GCLP

(tareas)

(constr.)

Grueso (tareas) Grueso

Heurísticos Program.

(función) Posibilística Grueso

CDFG

Arquitectura Estándar Estándar Sistema empotrado

SLIF

Estándar

-

Estándar

Rec. Simul.

Grafo de

(función) Búsq. Tabú

Procesos

Estándar

86

M. L. López Vallejo

5. Revisión de trabajos clásicos (cont.) Entorno Especificación

Aplicación Grano

Algoritmo

DDEL

C y VHDL

Datos

Grueso (tareas)

Wolf

Orientada a objetos

Tiempo Real

Grueso (tareas)

Polis

Esterel

Sistemas Reactivos

Grueso (bloque)

Tiempo Real

Fino Manual (instruc.)

Telecomunicación

Fino Manual (instruc.)

Genético Heurístico

Formato

Arquitectura

1. Definición del problema

DAG

Estándar

2. Caracterización

Grafo de Tareas

Escalable

CFSM

Estándar

3. Modelado 4. Técnicas de partición Hw-Sw 5. Revisión de trabajos clásicos

-

Sistema Empotrado

6. Nuevos enfoques

-

Sistema Empotrado

7. Conclusiones

Intermed.

Sin partición automática

Chinook Verilog IMEC

VHDL y C++

Manual

87

M. L. López Vallejo

6.1 Dynamic HW-SW partitioning: a first approach

6. Nuevos enfoques 1. Dynamic HW-SW partitioning: a first approach G.M. Stitt, R. Lysecky F. Vahid. DAC’03

ƒ

Motivación 9

Department of Computer Science and Engineering University of California, Riverside

Optimizaciones dinámicas cada vez más en uso – Optimizaciones dinámicas de software – Transmeta Crusoe:

2. Physically-aware HW-SW Partitioning For Reconfigurable Architectures with Partial Dynamic Reconfiguration

z

Dynamic code morphing

– Compilación “Just In Time” (lenguajes interpretados)

ƒ

S. Banerjee, E. Bozorgzadeh, N. Dutt Center for Embedded Computer Systems (CECS) University of California, Irvine

Ventajas 9

Optimizaciones transparentes – Sin esfuerzo del diseñador – Sin restricciones de herramientas

3. Co-síntesis de sistemas empotrados: FLECOS

9

J.M. Moya Fernández UPM M. L. López Vallejo

88

M. L. López Vallejo

89

Se adapta al uso actual

M. L. López Vallejo

90

15

Introducción ƒ

Introducción

Desventajas de las optimizaciones dinámicas actuales 9

ƒ

Se limitan a optimizaciones software – Aceleración limitada (1.1x a 1.3x)

ƒ

Idealmente, se puede realizar partición HW-SW dinámicamente:

Como alternativa, se puede realizar hw/sw partitioning

9

9

Se consiguen elevadas aceleraciones (2x a 10x) 9 Sin embargo, optimizaciones dinámicas no existían hasta ahora

– Soporta todos los lenguajes/herramientas – La mayoría de enfoques previos incluyen flujos complejos de herramientas

Sw

Profiler

______ ______ ______

Partición transparente

9

Se consiguen mejores resultados que con optimizaciones software

9

Se adapta al uso actual

Critical Regions

– >2x aceleración, ahorro energético Sw

______ ______ ______

Hw

______ ______ ______

ƒ

Es necesario una arquitectura apropiada 9

Processor

Con un procesador y lógica reconfigurable

ASIC/FPGA

91

M. L. López Vallejo

Arquitectura destino

Ideas básicas ƒ

ƒ

Plataformas con Microprocesador/FPGA integrado 9

El binario se analiza (profiling) y se identifican candidatos hardware 9 Las regiones identificadas se “decompilan” en CDFG 9 CDFG se sintetiza a hardware 9 El binario se actualiza para utilizar el hardware

Ejemplos 9

ƒ

Xilinx Virtex II Pro, Triscend E5/A7, Altera Excalibur, Atmel FPSLIC

La partición dinámica se hace más factible 9

Sin embargo, la partición se debe realizar a nivel binario

Processor

Processor

FPGA

ƒ

FPGA

ƒ

1990s

2003

M. L. López Vallejo

93

Partición Hw/Sw dinámica: Funcionamiento add add add MicroMicroadd processor processor add add MicroMicroadd add processor processor add add add add Dynamic add add Partitioning add Module add add add add add add Memory SW add add add

Binary

Profiling

Binary Updater

Decompilation

Ventajas frente a partición de código fuente 9

Soporta cualquier lenguaje/compilador

9

Mejor estimación de prestaciones y tamaño de código software

Permite la partición HW-SW dinámica

Hw Exploration

Behavioral Synthesis Updated Binary

Processor

Netlist

FPGA

94

M. L. López Vallejo

Partición Hw/Sw dinámica: Funcionamiento beq beq beq MicroMicrobeq processor processor beq beq MicroMicrobeq beq processor processor beq beq beq beq Dynamic beq beq Partitioning beq Module beq beq beq beq beq beq Memory SW beq beq beq

Configurable Logic

SW

Configurable Logic

SW

_________ _________ _________

M. L. López Vallejo

Partición hw/sw a nivel binario 9

Comunicación más eficiente, menor tamaño – Mayores prestaciones, bajo consumo

ƒ

92

M. L. López Vallejo

_________ _________ _________

95

M. L. López Vallejo

96

16

Partición Hw/Sw dinámica: Funcionamiento add add add MicroMicroadd processor processor add add MicroMicroadd add processor processor add add add add Dynamic add addadd add Partitioning add Module add add add add add add Memory SW add add add

Partición Hw/Sw dinámica: Funcionamiento beq beq beq MicroMicrobeq processor processor beq beq MicroMicrobeq beq processor processor beq beq beq beq Dynamic beq beqbeq beq Partitioning beq Module beq beq beq beq beq beq Memory SW beq beq beq

Configurable Logic

SW

SW

_________ _________ _________

_________ _________ _________

97

M. L. López Vallejo

98

M. L. López Vallejo

Partición Hw/Sw dinámica: Funcionamiento

Partición Hw/Sw dinámica: Funcionamiento

MicroMicroprocessor processor

MicroMicroprocessor processor

MicroMicroprocessor processor

MicroMicroprocessor processor

Dynamic Partitioning Module

SW SW SW SW

Configurable Logic

Dynamic Partitioning Module

HW HHW WHHW WHHW W

SW Memory SW

SW SW SW

Configurable Logic

Frequent Loops

Memory SW

SW

_________ _________ _________

Configurable Logic

SW

_________ _________ _________

Frequent Loops

99

M. L. López Vallejo

Módulo de Partición Dinámica ƒ

MicroMicroprocessor processor MicroMicroprocessor processor

Implementa las herramientas de partición “on chip” 9

Configurable Logic

Dynamic Partitioning Module

SW HW/SW

80

20

Memory SW

Profiler, compilador de partición, síntesis, place&route SW Source

MicroMicroprocessor processor

Profiler

MicroMicroprocessor processor

60 40

Frequent Loops

100

M. L. López Vallejo

Partición Hw/Sw dinámica: Funcionamiento

100

Frequent Loops

0

Time

Partitioning Compiler

Energy

SW Binary

Synthesis

Dynamic Partitioning Module

Configurable Logic

Place&Route

SW

_________ _________ _________

M. L. López Vallejo

HW

Frequent Loops

101

M. L. López Vallejo

Memory

102

17

Módulo de Partición Dinámica ƒ

Arquitectura del sistema

Herramientas de síntesis y P&R on-chip

Microprocesador(s)

ƒ

9

Normalmente se ejecutan en estaciones de trabajo 9 Idea que “horripila” a la mayoría de los investigadores ƒ

Sin embargo, la partición dinámica sólo trabaja con regiones de código pequeñas 9

ƒ

ƒ

9

ƒ

Por lo tanto, podemos desarrollar herramientas ligeras que trabajen específicamente en estos bucles pequeños El overhead de área no es crítico por la tendencia actual (Ley de Moore)

ƒ

103

M. L. López Vallejo

ƒ

MicroMicroprocessor processor Configurable Logic

Dynamic Partitioning Module

Memory

104

M. L. López Vallejo

Módulo de Partición Dinámica ƒ

MicroMicroprocessor processor

Memoria on-chip Lógica Configurable Módulo de partición dinámica

ƒ

Caso típico: bucles internos de pequeño tamaño

MIPS (puede haber varios)

Lógica configurable ƒ

Detecta dinámicamente bucles activos y los reimplementa en hardware sobre lógica configurable Componentes arquitecturales

ƒ ƒ

Muy simplificada para permitir herramienta P&R ligeras DMA se usa para acceder a memoria Dos registros 9

9

Profiler 9 Procesador y memoria (adicionales)

9

ƒ

– SOCs pueden tener muchos en cualquier caso – Alternativa: compartir el procesador principal

R0_Input almacena datos desde memoria R1_InOut almacenamiento temporal de datos & retorno a memoria

Configurable Logic Fabric 9 9

Proporciona lógica combinacional Impone ejecución de bucles en un solo ciclo (restricción temporal)

Profiler

DMA

R0_Input

R1_InOut

Memory Configurable Logic Fabric

Partitioning Co-Processor

105

M. L. López Vallejo

Configurable Logic Fabric ƒ

ƒ

Binary

3-input 2-output LUTS rodeadas de matrices de interconexión

Small, Frequent Loops

SM

Switch Matrix

LUT

RT and Logic Synthesis

SM M

M. L. López Vallejo

0 1 2 3

SM

LUT T

LUT UT SM M

SM SM ...

Inputs ...

3 2 1 0

De-compilación Modificación de binario

DMA Configuration

Configurable Logic Fabric

SM M

9

Decompilation

3-input (8 word) 2-output SRAM

Configurable Logic Fabric

El flujo de diseño es diferente del del partición convencional 9

Conecta cables en el mismo canal y distinto lado

LUT 9

ƒ

Loop Profiling

Matriz de interconexión 9

ƒ

Herramienta: descripción general

Fabric 9

106

M. L. López Vallejo

3 2 1 0

Inputs

Tech. Mapping Place & Route

SRAM

(8x2)

Binary Modification

Bitfile Creation Updated Binary

0 1 2 3

Outputs

107

HW M. L. López Vallejo

108

18

Profiling de bucles ƒ

Non-intrusive profiler 9

ƒ

Des-compilación recupera información de alto nivel Crea CDFG optimizado

ƒ

Monitoriza el bus de instrucciones

Overhead muy pequeño 9

ƒ

Des-compilación

ƒ

9

Pequeña cache (~16 entradas) y 2,300 puertas lógicas

Menos del 1% overhead en consumo

Partición de binarios ha demostrado resultados similares que partición a nivel de código fuente en muchas aplicaciones [Greg Stitt, Frank Vahid, ICCAD 2002]

ƒ

To L1 Memory

rd/wr rd/wr Microprocessor

addr

Frequent Loop Cache Controller

addr

data

Se eliminan todas las ineficiencias del conjunto de instrucciones

Frequent Loop Cache

saturation

sbb

data

++

data

109

M. L. López Vallejo

110

M. L. López Vallejo

Configuración DMA ƒ

Síntesis RT

Mapping de accesos a memoria en la arquitectura DMA

ƒ

Mapping operaciones del DFG a componentes de librería hw

ƒ

Crea expresión booleana para cada bit de salida en el DFG reemplazando componentes hw con las correspondientes expresiones

9

9

Reads/writes Incrementa/decrementa actualización de direcciones 9 Modos de petición single/block 9

ƒ

Optimiza DFG para DMA 9 9

Sumadores, Comparadores, Multiplexores, Shifters

Elimina cálculo de direcciones Elimina condiciones de contadores/salidas de bucle

1

• Memory Read

r1 +

DMA Read

• Increment Address Read

r1

r2

• Block Request

r1 32-bit adder

r2

+ r3

+

r4

r5

32-bit comparator

……. M. L. López Vallejo

Síntesis lógica

ƒ

8 <

r4[1]=(r1[1] xor r2[1]) xor carry[0], carry[1]= …….

111

M. L. López Vallejo

112

Technology Mapping

Optimiza ecuaciones booleanas desde nivel RT 9

r3

r4[0]=r1[0] xor r2[0], carry[0]=r1[0] and r2[0]

r3

ƒ

r2 +

ƒ

Gran oportunidad para la minimización lógica por la utilización de valores inmediatos en el binario

Mapping de operaciones lógica a LUTs de 3-input, 2-output

Simple minimización lógica de 2-niveles 9

Lysecky/Vahid DAC’03 r1

4 +

r2

r2[0] = r1[0] xor 0 xor 0 r2[1] = r1[1] xor 0 xor carry[0] r2[2] = r1[2] xor 1 xor carry[1] r2[3] = r1[3] xor 0 xor carry[2] … M. L. López Vallejo

r2[0] = r1[0] r2[1] = r1[1] xor carry[0] r2[2] = r1[2]’ xor carry[1] r2[3] = r1[3] xor carry[2] …

3-input, 2-output LUTs

113

M. L. López Vallejo

114

19

Placement ƒ ƒ

Routing

Nodos en el camino crítico se colocan en una fila horizontal única Se construyen dependencias entre los nodos restantes nodes y se colocan 9

ƒ

2.

Coloca los nodos por encima o debajo de los nodos ya colocados LUT

LUT

LUT

LUT

LUT

LUT

LUT

LUT

LUT

LUT

LUT

LUT

3.

ƒ

115

M. L. López Vallejo

Algoritmo Greedy 1.

Para cada matriz de interconexión, elegir la dirección que rutar Continuar rutando hasta alcanzar la matriz de interconexión en uso actual Backtrack a la matriz previa, y probar otra dirección

P&R es la tarea más compleja;

Creación del bitfile ƒ

Modificación del binario

Combina descripción hardware del P&R con la configuración del DMA en el fichero bitfile 9

116

M. L. López Vallejo

ƒ

Actualiza el binario de la aplicación para utilizar todo el nuevo hardware 9

Utilizado para inicializar lógica configurable

9

Se reemplaza el bucle por salto código inicialización hw Wisconsin Architectural Research Tool Set (WARTS)

9

Se asume que la memoria es RAM o ROM programable

– EEL (Executable Editing Library) DMA Configuration

HW Netlist

Bitfile Creation

DMA

Bitfile

R0_Input

R1_InOut

Configurable Logic Fabric

loop:

loop:

hw_init:

Load r2, 0(r1)

Jump hw_init

1.

Initialize HW registers

Add r1, r1, 1

..

2.

Enable HW

Add r3, r3, r2

after_loop:

3.

Blt r1, 8, loop

…..

after_loop: …..

117

M. L. López Vallejo

ƒ

Ejecutada en SimpleScalar

M. L. López Vallejo

452

0.05

4,695

88

360

1.04

118

Información de Benchmarks Powerstone (Brev, g3fax1&2) NetBench (url) 9 Kernel de minimización lógica (logmin)

ƒ

Resultados 9

55% de tiempo total en bucles que se llevan a hardware Aceleración ideal de 2.8 9 Estos bucles eran sólo 2.4% del tamaño de la aplicación original 9

Code Binary Data Size size size Time (Lines) (Kbytes) (Kbytes) (s) 125

Jump to after_loop

9

– Tiempo total de ejecución: 1.09 segundos – Requiere menos de ½ megabyte de RAM – Tamaño de código mucho más pequeño que herramientas estándar de síntesis

7,203

5.

9

Resultados

Tool Decom pilation DMA Config. RT Synthes is Logic Synthes is Tech. Mapping Place & Route

Store any results

Resultados Experimentales

– Similar al conjunto de instrucciones de MIPS – Usa reloj de 60 MHz (como el dispositivo A7 de Triscend) „

Woken up by HW interrupt

4.

M. L. López Vallejo

Pruebas de la herramienta „

Shutdown processor •

Exam ple brev g3fax1 g3fax2 url logm in 119

M. L. López Vallejo

Total Loop Loop Loop Ideal Ins Ins Tim e% Size% Speedup 992 104 70.0% 10.5% 3.3 1094 6 31.4% 0.5% 1.5 1094 6 31.2% 0.5% 1.5 13526 17 79.9% 0.1% 5.0 8968 38 63.8% 0.4% 2.8 Avg: 55.3% 2.4% 2.8

120

20

Resultados Experimentales (cont.) ƒ

Análisis de este enfoque

Resultados

ƒ

9

Cosigue aceleración media de 2.6, cerca del ideal 2.8 9 Bucles hardware 20X más rápidos que bucles software ƒ

9

Transparente al usuario Los diseñadores consiguen aceleración sólo con escribir software 9 Menor calidad que otros enfoques, por lo que sólo se recomienda para cuando la transparencia es crítica (¡muy a menudo!) 9

Incluso con arquitecturas y herramientas sencillas se consiguen aceleraciones ƒ

Ex a m ple brev g3fax1 g3fax2 url logmin

Sw Hw Loop Loop Sw /Hw Spe e d Tim e Tim e Tim e up 0.03 0.001 0.02 3.1 7.35 0.82 16.98 1.4 7.39 1.49 17.61 1.3 303.74 13.29 89.45 4.2 10.42 0.21 6.12 2.7 65.78 3.16 26.03 2.6

Sw Tim e 0.05 23.50 23.50 379.90 16.32 Avg:

Desventajas 9

Coste en área muy elevado Arquitectura destino muy poco real (muchas limitaciones) 9 Simplificaciones excesivas (no concurrencia, patrones de acceso a memoria limitados, ...) 9 Aspectos no muy claros (des-compilación, P&R,...) 9

121

M. L. López Vallejo

Ventajas de la partición hardware/software dinámica

6.2 Physically-aware HW-SW Partitioning For Reconfigurable Architectures with Partial RTR

Planteamiento (cont.)

Design Specification Partial Dynamic Reconfiguration (RTR)

T1

T2

T4

T3

T6

HW

….

HW

(Partial RTR)

Objetivo:

Flujo de CoCodiseñ diseño

Communication

SW

T5

Reuso hardware Î Mejores prestaciones M

Shared M

M

HW

I/f

P

Plataforma HW-SW

Task Dependency graph

Partitioning

SW

122

M. L. López Vallejo

Minimizar el tiempo de ejecución de la aplicación (schedule length) (Mapping de cada tarea a Hardware o Software) 123

M. L. López Vallejo

Arquitectura reconfigurable dinámicamente

124

M. L. López Vallejo

Placement de línea crítico: ejemplo

Off-chip memory

T1

Width C1

C2

C3

C4

Execution time

Height

Contexto sencillo Basado en columnas

T1

T2

T4

On-chip shared memory CLB

T3

T3 T2 t2 T4

Partial RTR Simple example of infeasibility

Tj Task Ti M. L. López Vallejo

Width 125

M. L. López Vallejo

126

21

Placement de línea crítico: ejemplo detallado

Placement de línea crítico: ejemplo Width

1

C2

C3

T1

C4

C2

C1

T3 T2 t2

Execution time

Execution time

C1

C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C9

Width C3

C4

2 3 4

T1

5 6 7 8

T3 T2

t2

T4

Imposible

T4

9 10

Posible

Planificación y placement simultáneospara garantizar feasibility 127

M. L. López Vallejo

Forma de resolverlo z Formulación exacta (ILP: integer linear programming)

Puntos clave en partición HW-SW

Variables clave:

~

Considerar restricciones físicas (colocación de tareas en columnas) como parte integrante del problema

~

xi,j,k , ri,j,k : Tarea i planificada (reconfigurada) en el time-step j,

Hacer prefetch de configuración para ocultar el overhead de reconfiguración ~ Considerar múltiples puntos de implementación de tareas ~

colocada en la FPGA empezando en la columna k Restricciones:

~

optimizaciones del compilador, heterogeneidad Recursos dedicados

(HW-SW partitioning tradicional + contiguous linear placement

(multiplicadores buitl-in)

+ prefetch configuración)

Feasible, solucionesde alta calidad (short schedule length) ~ Para cada tarea, se determina : El punto de implementación adecuado

9

El tiempo de ejecución inicial

9

Ubicación espacial

M. L. López Vallejo

~

~ 129

~

Múltiples puntos de implementación

Basado en KLFM 130

M. L. López Vallejo

Physically-aware List-scheduling z Cada tarea limitada a un punto de implementación

Consideraciones adicionales: Placement en línea

Implementación en CPLEX- extremadamente lenta

z Formulación heurística

KLFM para HW-SW partitioning con RTR parcial ~

128

M. L. López Vallejo

Descripción detallada del problema

9

T10

z Prioridad de tareas HW baseda en consideraciones físicas List-scheduling kernel para selección de siguiente tarea

kernel KLFM modificado para partial RTR

for each schedulable task,

while (more unlocked nodes)

// all parent dependencies satisfied

compute EST (earliest start time of computation)

for each unlocked node

EFT (earliest finish time) = EFT + task execution time

for each non-current implementation point of node

Choose task that maximizes

Calculate makespan by physically-aware list-scheduling

f (EST, path length, width, EFT)

best Node = SELECT NODE

z El cálculo de EST incluye restricciones físicas y de arquitectura

MOVE AND LOCK (best Node, implementation point) UPDATE NEIGHBOURS (best Node) endwhile M. L. López Vallejo

f = - A * width - B * EST + C * (path length) - D * EFT 131

M. L. López Vallejo

132

22

Cálculo de EST: Ejemplo T1

Time C1

T6

T2

C2

C3

Cálculo de EST: aproximación

C5 C6

C4

Proc

1

T4

2 EXECUTE

T3

3

Task 1

E1 R4

5

Task HW time 1 5 2 2 3 2 4 3 5 2 6 3

SW time 23 9 11 14 10 7

HW area 3 3 2 1 2 4

7

R5

RECONFIG Task 5

E4

Gap E3

10

C3

C4

First-fit placement

E2 E1

4

R3

5

Gap E3

7

C65

HW-SW comm (6,5) E5

T2

T1

C5 C6

T3

R4

Buscar la primera tarea que se puede colocar Buscar el primer slot reconfig. sin control (y con espacio disponible)

E4

If (reconfig. finish time < parent finish) EST = parent finish time

6

8 9

C2

1

3

PREFETCH gap

6

Time C1

2

P6

R3

4

T5

Task 6 on SW

E2

(overhead hidden- possible gap)

8 Else 9

133

M. L. López Vallejo

EST = reconfig finish time

134

M. L. López Vallejo

Consideraciones de heterogeneidad

Arquitectura heterogénea Off-chip memory

z A menudo, más eficientes

Height

*** Síntesis de DCT 2-dimensiones en Virtex-II, XC2V2000 On-chip shared memory

*** Placement de línea y restricciones de rutado: CLB

~

Implementación homogénea:

64 MHz

~

Implementación heterogénea:

88 MHz

Heterogénea

multiplicadores built-in (MULTX18) + memoria empotrada (BRAM)

Contexto sencillo

z Recursos limitados, sólo en columnas fijas

Basado en columnas

z La solución se debe ampliar para tratar heterogeneidad

Partial RTR Embedded multipliers, memory M. L. López Vallejo

~

Modificación básica: placement de tareas

~

Enfoque sencillo: añadir descriptor de tipo a cada columna

Width 135

Resultados experimentales

Pruebas de feasibility

z Application graph structures, and, large set of problem instances generated with TGFF ~

Varying Graph size

~

Varying In-degree/Out-degree

~

Varying area constraints

Placement-unaware

(Dick et al, CODES ’98)

Design space TGFF Graph size

20

z Detailed JPEG case study ~

40

60

80

100

(Indegree, Outdegree)

Multiple implementation points, Heterogeneity

(3,4) Area constraint

(5,5)

8 12 16 20 M. L. López Vallejo

(6,7)

136

M. L. López Vallejo

area

Topt

Feasibility

Topt

tg1

10

Y

10

11

tg5

25

NO

26

26

21

Y

21

21

tg7

20

Y

20

20

tg10

27

NO

28

29

FFT

25

Y

25

25

tg11

36

38

41

tg12

14

NO NO

15

18

27

Y

27

27

area

8 12 16 20 137

Theu

Mean-value

4-band eq

(5,5)

Placement-aware

Test

Topt

Exact schedule length with area consideration

Topt

Exact schedule length with columnar placement (new ILP)

M. L. López Vallejo

138

23

Calidad del heurístico

Calidad del heurístico Quality =

Placement-unaware (LPF) Placement-aware

Graph type

Schedule length

LPF: nodes on Longest Path First

8

12

16

20

8

12

16

20

Test 2

Test 1

Experimentos para grafos con 60 nodos 139

M. L. López Vallejo

v20

Execution time (s)

4.75%

4.71%

7.83%

v60

4.93%

8.80%

6.86%

v80

4.09%

10.57%

7.33%

v100

8.96%

11.92%

10.44%

Avg gain

4.30%

9.34%

Aumenta la ganancia al aumentar la restricción de área Aumenta la ganancia con el tamaño del grafo 140

M. L. López Vallejo

ƒ

Ventajas 9 9 9

90

9

45

ƒ 100

9 9 9 9

Medido sobre: SunOS 5.8 con procesador sparcv9 502 MHz 141

Partición HW-SW comprensiva que incluye RTR parcial Partición, planificación, placement en línea Múltiples puntos del espacio de diseño en HW Tiempo de ejecución razonable (o(minutos))

Inconvenientes

Graph size (number of vertices)

M. L. López Vallejo

Avg gain

1.68%

180

50

More columns (16, 20) 7.60%

Análisis de este enfoque

O(minutOs) para grafos con 100 nodos, 20 columnas

20

Few columns (8, 12) 1.83%

v40

Tiempo de ejecución

10

(Tlpf – Theu)/Theu * 100

Representación naif del problema Placement muy limitado Calidad del heurístico Puntos oscuros (reconfiguración, múltiples implementaciones, etc.)

M. L. López Vallejo

142

6.3 Co-síntesis de sistemas empotrados: FLECOS

6.3 Flecos ƒ

Basado en la idea de compilación HW-SW 9 9

Compilador HW-SW transforma comportamiento en operaciones del procesador virtual Programa = control de la(s) ruta(s) de datos. – Control jerárquico. – Ruta de datos repartida en subsistemas. – Sincronización incluída en operaciones.

9

M. L. López Vallejo

143

Optimizador define la correspondencia entre comportamiento y operaciones de la ruta de datos, con los criterios definidos por el usuario.

M. L. López Vallejo

144

24

Recursos homogéneos

Recursos homogéneos

145

M. L. López Vallejo

146

M. L. López Vallejo

Recursos homogéneos

Co-Síntesis: análisis ƒ

Ventajas 9

Flexibilidad en la especificación Reutilización 9 Trabajo en grupo 9

9 9

ƒ

Interfaces homogéneas a los recursos Desacoplo de aspectos por dominios de conocimiento

Limitaciones procesador virtual 9

Cambios obligan a recompilar Composición limitada 9 No escala bien 9

M. L. López Vallejo

147

Limitaciones procesador virtual ƒ

148

M. L. López Vallejo

Proceso de diseño

Limitaciones procesador virtual 9

Cambios obligan a recompilar Composición limitada 9 No escala bien 9

ƒ

Solución: 9

Definición de “Cajas” (boxes) que cumplen la misma función que el Sistema Operativo

M. L. López Vallejo

149

M. L. López Vallejo

150

25

Co-Síntesis: Análisis ƒ

7. Conclusiones

Unificación del diseño de sistemas HW y SW 9

Interfaz homogénea: procesador virtual y sistema operativo HW-SW 9 Especificación y compilación conjunta de HW y SW ƒ

ƒ

Análisis de partición Hw-Sw: conocimiento

ƒ

Formulación del problema: base 9

Ortogonalización por dominios de conocimiento

9

9

“Comportamiento + arquitectura + optimizador”: frente a refinado iterativo 9 “Aplicación + abstracciones + sistema operativo”: frente a “computación + comunicación” ƒ

Escalabilidad

Modelado Función de coste

ƒ

Implementaciones clásicas y más innovadoras

ƒ

Es un problema aún abierto

9

Composición de unidades arquitecturales con procesadores virtuales. 9 Composición funcional de recursos con sistema operativo.

151

M. L. López Vallejo

Vahid: On-chip Logic Minimization

Dynamic Hardware/Software Partitioning ƒ

JIT compilation for FPGAs 9

1 Initialize

Minimizer

I$

Proc.

MEM

D$

2 Execute

9

Minimizer

3

Indicate Completion

ARM7

152

M. L. López Vallejo

Detecta dinámicamente bucles ejecutados frequentemente y re-implementa los bucles software usando lógica configurable on-chip Requiere herramientas de síntesis lógica para sistemas empotrados Profiler

DMA Warp Processor

Dynamic Partitioning Module

MEM On-chip Minimizer

Warp Processor

System-On-Chip

153

M. L. López Vallejo

1,4

Codesign ROCM Results

(Execution Time)

(Energy Consumption)

HW/SW (200/75 MHz)

1,0 0,8 0,6 0,4 0,2

M. L. López Vallejo

154

• Average energy reduction of 59.2%

SW (75 MHz)

IP Routing Table ACL Reduction Reduction (32) (128)

D$

Configurable Logic

Codesign ROCM Results

1,2

0,0

Warp Processor

I$

Warp Processor

Energy Consumption (mJ)

Execution Time (s)

1,6

MIPS/ ARM

M. L. López Vallejo

• Average speedup of 7.8

1,8

Warp Warp Processor Processor

90 HW/SW (200/75 MHz)

70 60 50 40 30 20 10 0

Logic Synthesis (128)

155

SW (75 MHz)

80

M. L. López Vallejo

IP Routing Table ACL Reduction Reduction (32) (128)

Logic Synthesis (128)

156

26

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