μSpider Environnement de Conception de Réseaux sur Puce

μSpider Flot et Environnement de Conception de Réseaux sur Puce Samuel Evain
LESTER-UBS
Samuel Evain
Sécurité
Sécurité
TDMA avec des horloges hétérogènes
Sécurité
Les communications
Espace de conception
Avancée des travaux au cours du temps
Samuel Evain
Problématique de la conception
Moyen pour maîtriser la complexité.
Réutilisation de l’existant (IP),
Augmentation du niveau d’abstraction.
Un outil de CAO pour l’électronique prend en compte:
Logiciel,
Application,
Architecture.
Les communications
Contexte de l’étude
Sécurité
Performance (capacité de traitement et consommation faible),
Évolution, pérennité,
Satisfaire des contraintes de temps réel (bande passante, latence).
Réduire le temps de conception et de mise sur le marché.
Constructeur d’un outil de CAO
Abstraire le problème,
Réduire le temps d’exploration de l’espace de conception,
Chercher à maximiser des critères pour aboutir à une solution qui convient.
Sécurité
Les communications
Samuel Evain
Les communications
La communication devient dominante par rapport au traitement en termes
de temps,
de consommation,
Problématique
Apporter une solution pour appréhender la complexité de l’espace de conception.
IP
IP
IP
IP
IP
IP
IP
IP
IP
Sécurité
Les communications
Samuel Evain
NI: Network Interface
Sécurité
Les communications
NI
IP
W
NI
IP
W
NI
IP
W
Les avantages du réseau :
Pas d’arbitrage central.
Les inconvénients du réseau :
Risque de contention.
Pourquoi le NoC devient incontournable?
Complexité des schémas d’interconnexion entre les IPs.
Niveau d’abstraction: une offre unifiée de services de communications.
Formalisation: maîtrise de l’espace de solution.
Sécurité
Les communications
Samuel Evain
Large espace de conception
Profondeur des FIFOs.
Sécurité
Les communications
Un NoC
Samuel Evain
Problème d’optimisation
Maximiser l’utilisation du NoC.
Réduire la surface en faisant la meilleure utilisation du réseau en réduisant la quantité de FIFO requise.
Contraintes
QoS / Concepteur : Temps de conception.
Nos choix:
Sécurité
Les communications
Un NoC
Samuel Evain
Outil de CAO pour la conception automatique de NOC
Exploration.
Décision.
Synthèse.
Extraction des contraintes de communication depuis les contraintes applicatives.
Méthode de décision pour configurer le réseau et assurer le service.
Solution pour garantir la QoS en présence d’horloges hétérogènes
Technique faible coût de sécurisation.
Validation
Sécurité
Les communications
Un NoC
Samuel Evain
Flot de conception
3) Configuration automatique du NoC
Minimise la profondeurs des FIFOs
4) Génération automatique du code
Code VHDL RTL pour la synthèse logique
(NIs, Routeurs, Table d’instruction de chemin, …)
Code C (pilotes)
Interface
réseau
Wrapper
Interface
réseau
Wrapper
Sécurité
Les communications
Un NoC
Samuel Evain
Sécurité
Mise en œuvre sur plate forme FPGA Xilinx
Sécurité
Génération
du code VHDL RTL du NoC (routeurs, NIs, wrappers, liens),
des pilotes C pour le microprocesseur µBlaze,
des fichiers pour ajouter le Noc en tant que composant de la bibliothèque de EDK de Xilinx.
Sécurité
Outil complet et ouvert
Samuel Evain
Dimensionnement du TDMA en nombre de slots
Calcul du nombre de slots nécessaires à chaque communication
Exploration spatio-temporelle pour chaque communication
Pour chaque communication, sélection d’un chemins et des slots
Dimensionnement des FIFOs
Codes VHDL RTL du NoC (.vhd)
Contraintes de communication (.xls)
Topologie du NoC (.xml)
Génération / Importation d’une architecture
Dérivation des contraintes
library noc_v1_00_e;
use noc_v1_00_e.generique_parameter_pck.all;
use noc_v1_00_e.archi_noc3mb4RGT_noc_parameter_pck.all;
Sécurité
82.bin
Transaction lecture/écriture
Sécurité
NI2
WRS1
(Esclave)
NI2
WRS1
(Esclave)
@ pointée par le programme du processeur dans son espace mémoire
@ de l’adaptateur WRS1 sur le bus OPB1
Numéro de connexion
Sécurité
NoC
R
R
R
R
Plateforme de prototypage: Xilinx Virtex-II Pro FF1152 PROTO BOARD.
FPGA Xilinx Virtex-II Pro FF1152 VP-50-5.
Logiciel: Xilinx ISE 8.2 SP3.
FPGA: Xilinx Virtex-II Pro
Sécurité
Samuel Evain
Sécurité
Routage spatio-temporel
Principe pour décider les chemins
Algorithme de routage
Communications mutuellement exclusives
Sécurité
Des slots de temps pour répartir le trafic
L’utilisation des liens est répartie dans le temps entre les communications.
L’envoi des paquets depuis les interfaces d’entrée du réseau est rythmé par des réservations de slots de temps dans des tables TDMA.
Le pré-ordonnancement du TDMA
Assure la bande passante,
Sécurité
Nous voyons 3 IPs qui doivent communiquer au travers d’un lien.
L’utilisation des liens est divisée en slots de temps.
A chaque lien correspond une table de slots de temps.
Les IP accèdent aux routeur aux travers d’interfaces réseaux.
Celles-ci possèdent un ordonnancement qui indique les slots durant lesquels chaque communication peut être émise de sorte que les paquet n’utiliseront jamais un même lien au même moment.
ANIMATION !!!!
Sécurité
Le TDMA permet de réduire les FIFOs dans les routeur
Samuel Evain
Définir le nombre de slots de la table TDMA: N.
Bande passante d’un slot=1/N de la bande passante du lien.
Répartition de l’utilisation du lien
Influe sur:
la latence
la taille des FIFOs
Définir le nombre de slots à réserver dans la table TDMA
Bande passante de la communication
Décider du chemin spatio-temporel
delai
Sécurité
R10
R11
R00
R01
NI_1
NI_2
On détermine donc la table de slots de taille minimale et on réitère à partir de cette valeur minimale jusqu’à obtenir la solution.
Samuel Evain
Tâche
1
Tâche
2
Tâche
3
Tâche
4
Sécurité
A partir d’un graphe décrivant les contraintes applicatives, nous désirons déterminer la configuration du NoC
La détermination de l’ensembles des paramètres relatifs aux communications est un problème complexe qui contient de nombreuse interdépendances!
Samuel Evain
Les interdépendances du problème
Tâche
1
Tâche
2
Tâche
3
Tâche
4
entrée
sortie
Sécurité
Latence
=f(L,Bw)
Comi
Sécurité
Extraction des contraintes de communication depuis les contraintes applicatives
Le relâchement de la contrainte sur la longueur des chemins permet de trouver plus facilement une solution lors de l’étape d’exploration des chemins spatio-temporels.
Arrondi supérieur durant le calcul des slots à réserver dans la table TDMA
Bande-passante
Latence
Bande passante obtenue i
Bande passante requise i
Sécurité
Nous débutons avec l’hypothèse optimiste que le chemin sélectionné sera le plus court de ceux existant pour aller d’une source à une destination.
Nous déterminons les bandes passantes requises et en déduisons les bandes passantes obtenues par l’arrondi supérieur du nombre de slots TDMA réservés.
Nous disposons alors d’une bande passante supérieure à celle requise.
Ceci permet de relâcher la contrainte sur la longueur des chemins pour nous permettre d’utiliser des chemins plus long et donc plus de liberté pour trouver une solution.
Samuel Evain
Faire les meilleurs choix pour allouer les chemins pour 2 raisons:
Aboutir à une solution avec le NoC le moins coûteux.
Aboutir à une solution avec la taille de table TDMA la plus réduite pour réduire la taille des FIFOs.
Des slots de temps pour répartir le trafic
Sécurité
Plusieurs chemins possibles
Décision concerté par pré-réservation des slots.
Un poids est affecté à chaque slot de chaque chemin candidat.
R02
R12
R03
R13
R22
R23
R32
R33
NI_E2
NI_E3
NI_W2
NI_W3
R01
R11
R21
R31
NI_E1
NI_W1
R00
R10
R20
R30
NI_E0
NI_W0
NI_N0
C0
C5
C4
C2
C1
C3
C6
C7
NI_N1
NI_N2
NI_N3
NI_S0
NI_S1
NI_S2
NI_S3
Sécurité
La pré-réservation des slots
1/3+1/3 = 2/3
Trois emplacements possibles pour transférer les 2 slots du paquet de cette communication dans la table de slots de ce lien
Slot déjà réservé
1/3
1/3
1/3
1/3
1/3
1/3
NI_1
Communication nécessitant un paquet de 2 slots dans la table TDMA
1/3+1/3 = 2/3
Sécurité
1 => la probabilité d’occupation d’un slot de temps d’un lien varie. Elle est connue par la pré-réservation.
2 => On en tient compte lors du choix des chemins.
La pré-réservation est plus élevée pour les slots les plus indispensables pour permettre de trouver une solution pour placer une communication.
Samuel Evain
Algorithme
Tant que les communications n’ont pas toutes un chemin réservé (elles ne sont pas satisfaites)
Extraction des chemins candidats pour chacune des communications non satisfaites.
Pré-réservation de chaque slot de chaque chemin candidat par un poids pour chacune des communications non encore satisfaites.
Sélection de la communication Ci à satisfaire parmi toutes les communications non satisfaites.
Sélection d’un chemin Pi pour la communication Ci parmi les chemins candidats.
Réservation des slots du chemin Pi par la communication Ci. Ci est marquée comme satisfaite.
Annulation de toutes les pré-réservations devenues obsolètes.
Sécurité
C’est un heuristique qui vise a satisfaire le placement de toutes les communications.
Samuel Evain
Sélection de la communication
Sélection du chemin
Le chemin ayant la plus faible pré-réservation maximale sur son chemin.
Cette méthode permet de trouver une solution avec:
Une table TDMA plus petite,
Des FIFOs également plus petites.
Plus de chance de succès.
Inconvénient:
Heuristiques
Sécurité
Le plus court chemin
Le chemin ayant la plus faible "somme des pré-réservations sur ses arcs"
Le chemin ayant la plus faible "pré-réservation maximale"
Application 1
Application 2
Application 3
8
8
8
8
6
6
6
6
9
5
5
7
6
6
6
6
7
7
7
7
6
6
6
6
7
7
7
7
5
5
5
5
14
4
4
8
5
3
3
3
7
7
7
7
9
7
7
7
4
4
4
4
3
3
3
3
5
5
5
5
3
3
3
3
5
3
7
7
7
5
5
5
0
0
0
0
10
8
8
8
126
102
106
112
9.44644780175129E-16
0
0
0
126
102
106
112
3
3
3
3
0
0
5
7
6
6
2
2
9
3
3
7
4
4
4
4
12
6
6
6
4
4
4
4
0
0
0
4
4
4
4
4
5
5
3
3
0
0
0
4
3
3
3
3
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
4
3
3
3
3
15
5
9
5
4
4
4
4
6
6
6
6
0
0
5
5
5
5
5
5
5
5
5
5
0
0
0
8
5
5
5
3
0
0
0
7
7
7
7
7
4
4
4
4
6
6
6
6
84
74
81
94
0
0
0
0
0
0
0
94
Sécurité
Optimisation:
Réservation commune de slots de temps entre les communications mutuellement exclusives.
Les réservations multiples permettent
une meilleure utilisation des slots de temps,
une réduction de la longueur de la table TDMA et donc de son temps de rotation.
Réservations multiples
Mais on peut encore optimiser en tirant profit des connaissances sur l’application…
Afin de maximiser l’utilisation des slots, nous proposons des multi-réservations des slots entre des communications qui sont mutuellement exclusives, ce qui évite tout conflit entre elles.
Ceci peut être une alternative à l’habituel Use Case.
La réservation multiple permet une meilleure utilisation des slots de temps.
Samuel Evain
Sécurité
Sécurité
Conclusion, perspectives
Nous avons vu comment nous pouvons utiliser un TDMA lorsqu’une seule horloge est distribuée sur l’ensemble d’un circuit.
Le problème des horloges ne se pose pas sur les FPGAs.
Or, les circuits de grande taille intègrent plusieurs domaines d’horloges,
De plus une horloge ne pourra pas être distribuée sur l’ensemble du circuit tout en restant synchrone. => skew
Samuel Evain
Technique avec délai minimum avant envoi
Notre solution
Sécurité
Circuit de grande taille
Les instructions dans les sub-NoCs
Les systèmes futurs ne permettront pas de distribuer une horloge synchrone sur l’ensemble du circuit (skew)
Plusieurs domaines d’horloge.
Samuel Evain
Sécurité
Horloge déphasée (skew)
A l’intérieur d’un sub-NoC
masquer le problème de liens qui ont un délai de traversée trop long pour permettre le pipeline de la communication au travers du sub-NoC.
s’accommoder des parties mésochones.
=> routeur temporel.
Au niveau du NoC global
garantir le trafic, faire tampon entre les différents sub-NoCs qui sont ordonnancés individuellement avec leur propre table TDMA.
=> interfaces de synchronisation
Routeur temporel
Horloge 2
Horloge 3
Horloge 4
Horloge 5
Sécurité
A l’intérieur d’un sub-NoC
masquer le problème de liens qui ont un délai de traversée trop long pour permettre le pipeline de la communication au travers du sub-NoC.
s’accommoder des parties mésochones.
=> routeur temporel.
Au niveau du NoC global
garantir le trafic, faire tampon entre les différents sub-NoCs qui sont ordonnancés individuellement avec leur propre table TDMA.
=> interfaces de synchronisation
Les instructions dans les sub-NoCs
La connaissance des instructions de routage au travers des différents Sub-NoCs est distribuée.
Réduction de la taille du champ instruction de chemin dans l’entête du paquet.
Plus grande indépendance entre les Sub-NoCs.
R
R
NI1
S
S
R
R
S
S
NI2
IP1
IP2
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
1
3
2
ID
S
S
S
S
NI3
IP3
NI4
IP4
Sécurité
Instructions de routage
3
2
2
Les instructions de chemin transportée dans l’entête du paquet doivent être courtes pour économiser de la bande passante.
Nous proposons la technique de codage des instructions de routage suivant
Samuel Evain
Sécurité
Sécurité
Sécurisation en Multi-zones
QOS pour l’utilisateur voir aussi pour le concepteur = protection du FIRMWARE des IP … de nouveaux pb
C’est aussi la sécurité.
Samuel Evain
Problématique
Offrir une solution avec une mise en œuvre efficace, simple et peu coûteuse.
Principe
Ne pas s’appuyer sur des informations transportées en tant que données (qui peuvent donc être facilement modifiées),
Utiliser l’information de routage des paquets.
Sécurité
X-Y:
Street-sign avec codage relatif
instruction en fonction du port d’entrée et de sortie du routeur.
X
Y
Nord
Sud
Ouest
Est
Descendre
Routeur
+5
+1
+4
+3
+2
Routeur
Routeur
Sécurité
Notre outil µSpider permet au routeur de supporter les politiques de routage standard

Aller:
Retour:
!
Sécurité
déduction du chemin retour
On n’ a plus besoin de transporter dans le paquet l’@ pour le retour.
Samuel Evain
Complément & décalage
Avant l’exécution de la première instruction par le routeur:
Exécution et complément de l’ instruction dans le routeur:
Instruction retour=(nombre de ports du routeur) – instruction aller
4=( 6 - 2)
Sécurité
des instructions de routage
Le nombre de ports de chaque routeur peut être différent =>Le nombre de bits nécessaire au codage des instructions peut donc varier aussi.
Pour réduire le codage du champ d’instruction => codage de largeur variable
Pb: comment inverser l’ordre des instructions au niveau du destinataire (il ne connaît pas la taille de chacune).
1
2
3
4
2
3
4
Sécurité
Problématique
Réarrangement binaire automatique
Nous proposons une solution a faible cout
La réduction de la longueur du champ instruction en nombre de bits permet de réduire la taille de l’entête du paquet et donc d’obtenir un meilleur rendement.
Samuel Evain
Sécurité
Les instructions dans l’entête du paquet:
Problématique
B3
B0
B2
B0
B4
B0
B5
B0
B1
B2
B1
B1
B3
B4
B1
B2
B3
B2
B4
B0
B1
B2
B3
B3
B0
B1
B2
B2
B0
B1
B3
B0
B1
B2
B2
B0
B1
B4
B0
B1
B2
B3
b0
b3
b0
b2
b0
b4
b0
b5
b2
B1
b1
b4
b2
b1
b3
b2
b1
b3
Conclusion
Solution simple et efficace pour réarranger l’ordre des instructions à la réception sans que le récepteur ne connaisse la taille de chacune de ces instructions.
Samuel Evain
Chemin AtoB
Sécurité
R
R
R
R
R
R
Le gros intérêt est que les chemins de retour pour des réponses de lecture n’ont
ni besoin d’être transportés dans les paquets aller,
ni d’être stocké dans l’interface D.
Samuel Evain
Routeur
Routeur
NIb
Routeur
NIa
Routeur
Routeur
Routeur
Routeur
Routeur
Routeur
A
C
1,1,1,1,0
2,2,1,3,0
Sécurité
Vérifier les instructions de routage
sur le trajet : Path filter
Ne laisse passer que les paquets dont le chemin est autorisé en amont et en aval.
à la réception.
Sécurité
On peut ainsi sécurisé le NoC a différents endroits
Les instructions de routage passées et à venir peuvent être vérifiée tout au long du chemin.
Samuel Evain
Sécurité
Sécurité
Chaîne MC-CDMA MC-SS-MA
Intégration composant dans la bibliothèque EDK
Exemple
Traitement d’image
Sécurité
Ces applications ont été choisies en raison de leurs caractéristiques différentes
Ces applications ont permis de montrer la flexibilité de l’outil pour s’adapter à différents cas.
Samuel Evain
Sécurité
3 processeurs µBlaze
3 Bus OPB
Sécurité
3 bus OPB
Le NoC est vu comme un IP qui assure un service de communication
Différents exemples ont été testés en BE et le GT.
Samuel Evain
3 microBlazes, 3 RAMs
NoC
4 routeurs, 6 Nis, 3 wrapper_S (4 channels), 3 wrapper_M (2 channels).
Lectures et écritures
Polling
Le processeur scrute l’arrivée des données sur le wrapper esclave.
Interruption
Le wrapper esclave prévient le processeur qu’une donnée est arrivée par une interruption.
1 million de mots de 32 bits transférés avec succès entre les 3 processeurs et les 3 RAMs.
Fréquence maximale: 91MHz
Sécurité
Répartition des composants du NoC en %:
Sécurité
Elle a permis de valider:
La technique de dimensionnement du TDMA,
La technique d’allocation des slots de temps,
L’utilisations des multi-réservations pour les communications mutuellement exclusives.
Sécurité
Qui cherche par simulation un cas pour lequel cela fonctionne
Samuel Evain
Solution trouvée
Synthèse xilinx
Sécurité
Samuel Evain
Turbo décodeur
Application complexe
Les communications:
Chaque processeur émet par chacun de ses deux ports une information extrinsèque selon l’ordonnancement de l’entrelaceur.
NoC
P5
P6
P7
P4
oa
ob
ia
ib
P3
P2
P1
P0
oa
ob
ia
ib
Sécurité
Samuel Evain
Turbo décodeur
128 communications peuvent être identifiées. Alors que seulement 16 informations extrinsèques sont créées tous les Temiss ;
Le débit total des échanges est de 16*90Mo/s=1,4Go/s.
Une solution à base de bus est donc exclue.
Une entrée i peut recevoir jusqu’à 8 informations extrinsèques à la fois
Débit pire cas de 720Mo/s. Probabilité de 1/224.
En moyenne, une entrée reçoit une seule information extrinsèque par cycle d’émission soit un débit de 90Mo/s.
C’est donc un problème complexe
Sécurité
Priorité maximale à l’informations extrinsèque transportant l’ information la plus significative,
Utilisation d’un arbitrage sur priorité dans les routeurs.
GT avec restriction
Limitation à 5 informations extrinsèques reçue par un port durant 3 périodes consécutives de l’entrelaceur,
Utilisation des exclusions mutuelles: Indispensable car sinon il faudrait reconfigurer les tables TDMA à chaque période de l’entrelaceur, soit toutes les 0,1 µs.
Solution avec un NoC à 200 MHz, 24 bits de largeur de données. Table TDMA de 10 slots.
Sécurité
A chaque période de l’entrelaceur une reconfiguration serai nécessaire si on n’utilisait pas les exclusions mutuelles entre les communications.
Ainsi l’utilisation de cas d’utilisation « use case » comme réalisé par AEthereal nécessiterait des reconfigurations trop fréquentes.
Samuel Evain
Projet EPICURE (CEA)
Elle a permis de valider la technique de dérivation des contraintes.
Exclusion mutuelle
Érosion
Reconstruction
morphologique
Étiquetage
Img a. (320*240*1)
Img b.
Sécurité
10
5
Application de traitement d’image
Elle a permis de valider le technique de dérivation des contraintes.
Samuel Evain
Sécurité
Sécurité
Définition d’un flot de conception.
Définition d’une technique d’affectation des chemins dans le réseau.
Technique pour garantir le service dans un contexte multi horloges.
Technique de codage des instructions de routage avec des aspects sécurités.
Développement d’une architecture paramétrable générique d’un réseau sur puce.
Développement d’un outil de CAO pour configurer et générer le réseaux sur puce (code C et VHDL RTL).
Validation sur plateforme FPGA Xilinx.
Sécurité
INSA - IETR (Institut d'Electronique et de Télécommunications de Rennes)
UBS – LESTER (Laboratoire d'électronique des systèmes temps réels)
GET R-PUCE (2005 - 2006)
UBS – LESTER
Sécurité
Thèse en cours au LESTER
Interaction entre le NoC et l’OS pour contrôler la QoS et la sécurité,
Synthèse systemC TLM car le test du monitoring impose une simulation rapide.
Conception spécifique à l’application
Dépôt projet ANR collaboration avec TAMCIC (ENST Bretagne)
Lien application-NoC. Transfert data dépendant. Optimisation guidée par la connaissance de l’application.
Valorisation (études en cours)
Sécurité
Communications scientifiques
Samuel Evain
Communications scientifiques
Conférences internationales
S. Evain, J-Ph. Diguet, Milad El Khodary and D. Houzet, “Automated derivation of NoC Communication Specifications from Application Constraints”, IEEE SIPS 2006, Workshop on Signal Processing Systems, Banff, AB, Canada, October 2-4, 2006.
S. Evain, J. P. Diguet, D. Houzet, "µSpider NoC Road Map", DATE 06 Workshops, Future Interconnects and Networks on Chip Workshops, March 10, 2006.
S. Evain, J. P. Diguet, "From NoC Security Analysis To Design Solutions", in IEEE SIPS 2005, Workshop on Signal Processing Systems, Athens, Greece, November 2-4, 2005.
S. Evain, J. P. Diguet, D. Houzet, "A CAD Tool for efficient NoC design", IEEE ISPACS 2004, International Symposium on Intelligent Signal Processing and Communication Systems, Seoul, Korea, November 18-19, 2004.
S. Evain, J. P. Diguet, D. Houzet, "µSpider: a CAD Tool for efficient NoC design", IEEE NORCHIP 2004, Oslo, NORWAY, November 8-9, 2004.
Revue Internationale
S. Evain, J-Ph. Diguet and D. Houzet, “NoC Design Flow for TDMA and QoS Management in a GALS Context”, EURASIP Journal on Embedded Systems, Volume 2006, Hindawi Publishing Corporation, 2006, accepté.
Brevet
“Routeur et réseau de routage". Déposé le 28 octobre 2005.
Sécurité
Instruction retour R1
Dans chaque routeur, l’instruction de retour est calculée et l’ordre de ses bits (poids fort - poids faible) est inversé
Instruction aller R2
A destination, l’ordre des bits (poids fort - poids faible) de l’ensemble du champ instruction est inversé
Les instructions aller pour les routeurs R1 à R4:
Les instructions retour avec les bits inversés et toujours dans l’ordre R1 à R4:
Les instructions retour pour les routeurs R4 à R1:
Sécurité

μSpider Environnement de Conception de Réseaux sur Puce

Documents

Transcript of μSpider Environnement de Conception de Réseaux sur Puce