Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen oktober 2004 Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Prof. dr. ir. Dirk Stroobandt Academiejaar 2004-2005 Dirk Stroobandt

Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Gegevens over cursus oktober 2004 Bedoeling van de cursus: Methodologie ontwerp ingebedde systemen aanleren Beschrijving van de ontwerpsstappen op topniveau Bovenbouw bij verschillende andere cursussen Achtergrond om hardware-project te kunnen maken Organisatie: Volledig nieuw vak Nog geen cursusnota´s, wel transparanten Copies uit Engelstalige boeken als achtergrondinformatie Eventueel eens een recent onderzoeksartikel 24 lessen ex-cathedra (vrijdag 8u30 – 11u30) Oefeningensessies en practica (woensdagnamiddag) Mogelijk bijkomende gastvoordracht 2004-2005 Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Dirk Stroobandt

Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Gegevens over cursus oktober 2004 Quotering: Permanente evaluatie tijdens oefeningensessies Schriftelijk examen met oefeningen Mondeling theorie-examen aan bord Apparatuur en ondersteuning: CAD-software op ELIS Begeleiding: Wim Meeus, Michiel Dhaene en Jan De Ceuster Spreekuur: vrijdag 14u00 – 15u00 Informatieverspreiding: Alles via Minerva (gebruik ook het forum voor vragen) E-mail algemeen: OCS@elis.ugent.be E-mail theorievragen: dstr@elis.ugent.be Telefoon: 09 264 34 01 2004-2005 Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Dirk Stroobandt

Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Inhoud (deel 1) oktober 2004 Inleiding over Ingebedde systemen, System-on-Chip en Platform-gebaseerd ontwerp Systeemspecificatietechnieken Functionele specificaties Specificatietalen Exploratie van de ontwerpruimte Prestatiematen De hardware/software-grens Prototypes, emulatie en simulatie 2004-2005 Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Dirk Stroobandt

Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Inhoud (deel 2) oktober 2004 Het belang van interconnecties Het belang van ingebed geheugen Het voorspellen van prestaties Architecturen voor complexe systemen Processorarchitecturen Herconfigureerbare hardware Hergebruik van IP-kernen Interfaces en interface-ontwerp 2004-2005 Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Dirk Stroobandt

Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Inhoud (deel 1) oktober 2004 Inleiding over Ingebedde systemen, System-on-Chip en Platform-gebaseerd ontwerp Ingebedde systemen Systemen-op-Chip en Hergebruik Platformgebaseerd ontwerp Karakteristieken van ingebedde systemen Toepassingsdomeinen Ontwerpstappen voor ingebedde systemen Systeemspecificatietechnieken Exploratie van de ontwerpruimte 2004-2005 Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Dirk Stroobandt

Definitie ingebed systeem Ingebedde systemen zijn informatiever-werkingssystemen die ingebed worden in een groter geheel. Valt niet meer op: “disappearing computer” Eigenlijk zal de computer overal zijn: Ubiquitous computing Pervasive computing Ambient intelligence 2004-2005 Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen

Overzicht ingebedde systemen Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Overzicht ingebedde systemen oktober 2004 Computersystemen zijn alomtegenwoordig We denken meestal aan “desktop” computers PC’s Laptops Mainframes Servers Maar er is een ander type computersysteem Komt veel meer voor... Slide Vahid Bron: Frank Vahid, UC Riverside 2004-2005 Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Dirk Stroobandt

Overzicht ingebedde systemen Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Overzicht ingebedde systemen oktober 2004 Voorbeelden: Slide van Marwedel Intro voor studenten: boek Marwedel: p. 1-9 Belangrijkste koopreden is niet informatieverwerking Bron: Peter Marwedel, Uni Dortmund 2004-2005 Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Dirk Stroobandt

Jaarlijkse verkoop microprocessoren Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen oktober 2004 Jaarlijkse verkoop microprocessoren 95% 5% Computers voor algemeen gebruik (PCs, werkstations, mainframes) Ingebedde systemen (draagbare telefoons, camcorders, wasmach.) Slide Corporaal Bron: Henk Corporaal, TU Eindhoven 2004-2005 Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Dirk Stroobandt

Componenten van Ingebedde Systemen Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Componenten van Ingebedde Systemen oktober 2004 Sensor A/D -pro- cessor DSP Actuator D/A ASIC MEMS 2004-2005 Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Dirk Stroobandt

Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Vroege geschiedenis oktober 2004 Late 1940’s: MIT Whirlwind computer ontworpen voor ware-tijdsoperaties. Oorspronkelijk ontworpen voor een vluchtsimulator. Eerste microprocessor was de Intel 4004 in de vroege 1970’s. HP-35 rekenmachine gebruikte in 1972 verschillende chips om een microprocessor te implementeren. Slide Morgan Kaufman 2004-2005 Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Dirk Stroobandt

Vroege geschiedenis, vervolg Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Vroege geschiedenis, vervolg oktober 2004 Autos kregen microprocessor-gebaseerde motorcontrole-eenheden begin de jaren ‘70. Controle van brandstof/lucht-mengsel, motorregeling, enz. Verschillende toestanden: opwarmen, rijden, klimmen, enz. Zorgt voor lagere CO2-uitstoot, lager brandstofgebruik. Slide Morgan Kaufman 2004-2005 Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Dirk Stroobandt

Tweede trend: System-on-a-Chip (SoC) Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen oktober 2004 Tweede trend: System-on-a-Chip (SoC) Gisteren en Vandaag Hergebruik (IP) Platform-gebaseerd ontwerp ASIC- ontwerp Fysische Componenten Systeem-Bord- Integratie Vandaag en Morgen Ontwerp van IP-blokken Virtuele Componenten Systeem-Chip Integratie 2004-2005 Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Dirk Stroobandt

Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Wat is SoC Definitie: Een complexe IC die de belangrijkste functionele elementen van een compleet eindproduct integreert in een enkele chip of chipset. Bevat in het algemeen: Programmeerbare processor On-chip geheugen Hardwareversnellers Interface met omgevingsapparaten en de omgeving Zowel HW als SW Vaak ook analoge componenten en/of MEMS 2004-2005 Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen

Evolutie van SoC-ontwerp Gestart midden jaren ’90 (.35 en .25 mm) Gegroeid met Moore’s Law Aantal transistoren op een chip verdubbelt elke 18 maanden 2004-2005 Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen

Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Moore’s law Let op de logarit-mische schaal! 2004-2005 Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen

Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Moore’s law oktober 2004 Waaw Dergelijke groei is moeilijk voor te stellen; de meeste mensen onderschatten dit Vergelijk: Hoeveel voorouders van 20 generaties geleden heb je? d.i., ongeveer hoeveel mensen uit de jaren 1500 waren er nodig om jou te maken? 220 = meer dan 1 miljoen mensen (Deze onderschatting is de basis van de pyramide-spelen!) Grafisch: Slide Vahid 1981 1984 1987 1990 1993 1996 1999 2002 10,000 transistoren 150,000,000 transistoren Toonaan- gevende chip in 1981 Toonaan- gevende chip in 2002 Bron: Frank Vahid, UC Riverside 2004-2005 Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Dirk Stroobandt

Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Ontwerpskloof oktober 2004 Alhoewel de produktiviteit van ontwerpers gedurende de laatste decenia indrukwekkend gegroeid is, heeft de mate van verbetering de snelle groei van de chipcapaciteit niet kunnen volgen Complexiteit: 40%/jaar Produktiviteit ontwerp: 15%/jaar 250 200 150 100 50 1995 1998 2001 2004 2007 [ 106 T/chip ] [ SIA roadmap ] Slide Vahid Bron: Frank Vahid, UC Riverside / Francky Catthoor, KU Leuven 2004-2005 Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Dirk Stroobandt

Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Ontwerpskloof oktober 2004 1981: toonaangevende chip vereist 100 persoonsmaanden 10.000 transistoren / 100 transistoren/maand 2002: toonaangevende chip vereist 30.000 persoonsmaanden 150.000.000 / 5000 transistoren/maand SEMATECH Design Investment Roadmap (spec to tapeout): Slide Vahid 1995 .35 mm 5.1 MTr 362 PY $51M 1998 .25 mm 20.2 MTr 818 PY $114M 2001 .18 mm 81.3 MTr 1846 PY $256M Bron: Frank Vahid, UC Riverside 2004-2005 Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Dirk Stroobandt

De mythische persoonsmaand Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen De mythische persoonsmaand oktober 2004 De situatie is zelfs slechter dan de produktiviteitskloof stelt In theorie: toevoegen ontwerper vermindert afwerkingstijd van project In realiteit: produktiviteit per ontwerper daalt als gevolg van de complexiteit van team management en communicatie In de software-wereld bekend als “the mythical man-month” (Brooks 1975) Vanaf een bepaald punt: contra-produktief Team 60000 15 16 16 18 50000 19 Slide Vahid 40000 24 23 30000 Maanden tot afwerking 20000 43 Individueel persoon 10000 10 20 30 40 Aantal ontwerpers Bron: Frank Vahid, UC Riverside 2004-2005 Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Dirk Stroobandt

Ontwerp op systeemniveau Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Ontwerp op systeemniveau oktober 2004 Oplossing Verhoog het abstractieniveau Uitvoerbare specificaties Verfijn tot RT-VHDL/C Hergebruik van gedrags-IP (SW+HW) Slide van Catthoor Bron: Francky Catthoor, KU Leuven 2004-2005 Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Dirk Stroobandt

DSM veroorzaakt verschuiving Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen DSM veroorzaakt verschuiving oktober 2004 1991 90 % nieuwe ontwerpen 1996 2001 hergebruikte Virtuele componenten min(ontwerptijd) max(IP hergebruik) optimiseer systeemniveau Celgebaseerd ontwerp min(oppervlakte) max(prestaties) optimiseer poortniveau Gegevens: Pinto 2004-2005 Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Dirk Stroobandt

Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Kost van hergebruik 2004-2005 Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen

Hergebruik schaalt ook Ook IP-hergebruik kan met de technologie meeschalen: compactie 2004-2005 Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen

Evolutie van SoC-ontwerp Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Evolutie van SoC-ontwerp oktober 2004 Economische motieven (lage kosten) Hergebruik van IP VSIA – Virtual Socket Interface Alliance (’96) Reuse Methodology Manual (Mentor Graphics en Synopsys, ’98) Alba-project in Schotland (’97-’99): overheid-industrie-universiteiten (ook in andere landen opgestart) Verminderde eind jaren ’90 door hoge kosten ASIC’s en te snelle groei (geen methodologie en infrastructuur, geen tools) Commercieel nooit hoge ogen, wel intern in grote bedrijven Historisch overzicht van SoC-ontwerp: uit « Winning the SoC Revolution », p. 1-18 2004-2005 Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Dirk Stroobandt

Evolutie van SoC-ontwerp Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Evolutie van SoC-ontwerp oktober 2004 Opkomst van platform-gebaseerd ontwerp VSIA-definitie: Platform = een geïntegreerde set van gemeenschappelijke eigenschappen waarop een set van producten gebouwd kan worden. Een platform is een virtuele component (VC). Platform-gebaseerd ontwerp = integratie-georiënteerde ontwerpsmethode met nadruk op systematisch hergebruik voor het ontwikkelen van complexe producten gebaseerd op platformen en compatibele HW en SW VCs, met het doel de ontwikkelrisico’s en –kosten en de time-to-market te verminderen. Historisch overzicht van SoC-ontwerp: uit « Winning the SoC Revolution », p. 1-18 2004-2005 Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Dirk Stroobandt

Platformgebaseerd ontwerp Evolutie naar platformgebaseerd ontwerp Timing-Driven Design (TDD) Block-Based Design (BBD) Platform-Based Design (PBD) mPcore SRAM ROM ATM Dcache I/F Logic MPEG RAM mPcore SRAM ROM Logic Soft I/F IP Logica ASIC Complexe ASIC met enkele IPs Plug-and-Play Systeem-op-Chip 2004-2005 Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen

Evolutie van SoC-ontwerp: toekomst Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Evolutie van SoC-ontwerp: toekomst oktober 2004 SW-compilatie naar HW HP: Program-In, Chip-Out (PICO) project UC Berkeley: GARP ARC Cores en Tensilica: instructie-configuratie van ingebedde processor-cores Xilinx Virtex II Platform en Altera System-on-a-Programmable Chip (SOPC) Networks-on-Chips Systeemontwerp evolueert meer en meer naar SW-ontwerp Historisch overzicht van SoC-ontwerp: uit « Winning the SoC Revolution », p. 1-18 2004-2005 Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Dirk Stroobandt

Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Inhoud (deel 1) oktober 2004 Inleiding over Ingebedde systemen, System-on-Chip en Platform-gebaseerd ontwerp Ingebedde systemen Systemen-op-Chip en Hergebruik Platformgebaseerd ontwerp Karakteristieken van ingebedde systemen Toepassingsdomeinen Ontwerpstappen voor ingebedde systemen Systeemspecificatietechnieken Exploratie van de ontwerpruimte 2004-2005 Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Dirk Stroobandt

Karakteristieken van ingebedde systemen (1) Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Karakteristieken van ingebedde systemen (1) oktober 2004 Moeten betrouwbaar zijn: Betrouwbaarheid (Reliability R(t)) = probabiliteit dat een systeem nog correct werkt als het werkte op t=0 Onderhoudbaarheid (Maintainability M(d)) = probabiliteit dat een systeem correct werkt d tijdseenheden na het optreden van een fout. Beschikbaarheid (Availability): probabiliteit dat een systeem werkt op tijdstip t Veiligheid (Safety): er mag geen schade veroorzaakt worden Beveiliging (Security): confidentieel en authenticatie Zelfs perfect ontworpen systemen kunnen falen als de veronderstellingen over de werklast en mogelijke fouten foutief blijken te zijn. Slide Marwedel Bron: Peter Marwedel, Uni Dortmund 2004-2005 Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Dirk Stroobandt

Karakteristieken van ingebedde systemen (2) Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Karakteristieken van ingebedde systemen (2) oktober 2004 Moeten efficiënt zijn in Energie (vermogen) Code-grootte (vooral voor SoC) Verwerkingstijd Gewicht Kost Zijn toegewijd voor een specifieke toepassing Kennis over het gedrag kan bij de ontwerpfase gebruikt worden om middelen te besparen en de robuustheid te verhogen Vaste user interface (geen muis, toetsenbord en scherm) Slide Marwedel Bron: Peter Marwedel, Uni Dortmund 2004-2005 Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Dirk Stroobandt

Karakteristieken van ingebedde systemen (3) Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Karakteristieken van ingebedde systemen (3) oktober 2004 Zeer vaak ware-tijdseisen Een ware-tijdsysteem moet reageren op stimuli van het controllerende object (of de operator) binnen het tijdsinterval opgelegd door de omgeving. Voor ware-tijdsystemen zijn juiste oplossingen die te laat komen ook fout. „Een ware-tijdsbeperking noemt men hard als het niet naleven van de beperking tot een catastrofe kan leiden “ [Kopetz, 1997]. Vb: vliegtuigcontrole Alle andere ware-tijdseisen worden zacht genoemd. Vb.: video on demand Een gegarandeerde systeemreactie moet uitgelegd worden zonder statistische argumenten Slide Marwedel Bron: Peter Marwedel, Uni Dortmund 2004-2005 Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Dirk Stroobandt

Karakteristieken van ingebedde systemen (4) Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Karakteristieken van ingebedde systemen (4) oktober 2004 Vaak voor gesofistikeerde of verschillende algoritmen (GSM, laserprinter). Vaak verbonden met de fysieke omgeving door sensoren en actuatoren. Hybriede systemen (analoog + digitaal). ES zijn typisch reactieve systemen: „Een reactief systeem is er een dat in voortdurende interactie staat met de omgeving en taken uitvoert aan een ritme opgelegd door die omgeving “ [Bergé, 1995] Gedrag hangt af van de input en de huidige toestand.  automatenmodel is geschikt, model van berekenbare functies niet. Slide Marwedel Bron: Peter Marwedel, Uni Dortmund 2004-2005 Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Dirk Stroobandt

Karakteristieken van ingebedde systemen (5) Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Karakteristieken van ingebedde systemen (5) oktober 2004 ES zijn ondergerepresenteerd in onderwijs en publieke discussies: „Embedded chips aren‘t hyped in TV and magazine ads ... [Mary Ryan, EEDesign, 1995] Niet elk ES heeft alle karakteristieken van hiervoor. Def.: Informatieverwerkingssystemen die de meeste van bovenstaande karakteristieken hebben worden ingebedde systemen genoemd. Slide Marwedel Bron: Peter Marwedel, Uni Dortmund 2004-2005 Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Dirk Stroobandt

Ingebedde systemen en ubiquitous computing Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Ingebedde systemen en ubiquitous computing oktober 2004 Ingebedde systemen leveren fundamentele technologie voor ubiquitous computing (Informatie gelijk wanneer, gelijk waar). Communicatie- technologie Optische netwerken Netwerkmanagement Gedistribueerde toepassingen Netwerkdiensten UMTS, Hiperlan, ATM Quality of Service Ingebedde systemen Robots Controlesystemen Kenmerkextractie en –herkenning Sensoren, actuatoren A/D-converteren Betrouwbaarheid Ware tijd Slide Marwedel Gedistribueerde systemen Ingebedde websystemen Pervasive/Ubiquitous computing 2004-2005 Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Dirk Stroobandt

Toepassingsdomeinen (1) Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Toepassingsdomeinen (1) oktober 2004 Auto-elektronica Vliegtuigelektronica Treinen Telecommunicatie Slide Marwedel 2004-2005 Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Dirk Stroobandt

Toepassingsdomeinen (2) Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Toepassingsdomeinen (2) oktober 2004 Medische systemen Militair Authentificatie Slide Marwedel 2004-2005 Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Dirk Stroobandt

Toepassingsdomeinen (3) Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Toepassingsdomeinen (3) oktober 2004 Verbruikselektronica Fabricage-elektronica Slimme gebouwen Slide Marwedel 2004-2005 Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Dirk Stroobandt

Toepassingsdomeinen (4) Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Toepassingsdomeinen (4) oktober 2004 Robot „Johnnie“ (Courtesy and ©: H.Ulbrich, F. Pfeiffer, TU München) Robotica „Pipe-climber“ Slide Marwedel 2004-2005 Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Dirk Stroobandt

Toepassingsdomeinen (5) Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Toepassingsdomeinen (5) oktober 2004 Simpele controle: voorpaneel van een microgolfoven, enz. Canon EOS 3 heeft drie microprocessoren. 32-bit RISC CPU zorgt voor autofocus. Analoge TV: kanaalselectie, enz. Digitale TV: programmeerbare CPUs + vaste logica. Huidige auto’s hebben tot 100 microprocessoren: 4-bit microcontroller controleert stoelriem; microcontrollers sturen dashbord-eenheden aan; 16/32-bit microprocessor controleert motor. Slide Morgan Kaufman 2004-2005 Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Dirk Stroobandt

Motivatie voor deze cursus (1) Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Motivatie voor deze cursus (1) oktober 2004 Groeiend economisch belang van ingebedde systemen .. but embedded chips form the backbone of the electronics driven world in which we live ... they are part of almost everything that runs on electricity [Mary Ryan, EEDesign, 1995] 79% van alle nieuwe processoren worden gebruikt in ingebedde systemen DE groeipool volgens alle voorspellingen Slide Marwedel 2004-2005 Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Dirk Stroobandt

Motivatie voor deze cursus (2) Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Motivatie voor deze cursus (2) oktober 2004 Basis voor de “post PC era” ES nauwelijks bediscussieerd in andere cursussen ES belangrijk voor de universiteit ES belangrijk voor Europa Brede blik: zet de context voor meer gespecializeerde cursussen Domein in volle ontwikkeling: nog veel onderzoekswerk mogelijk Slide Marwedel 2004-2005 Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Dirk Stroobandt

Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Inhoud (deel 1) oktober 2004 Inleiding over Ingebedde systemen, System-on-Chip en Platform-gebaseerd ontwerp Ingebedde systemen Systemen-op-Chip en Hergebruik Platformgebaseerd ontwerp Karakteristieken van ingebedde systemen Toepassingsdomeinen Ontwerpstappen voor ingebedde systemen Systeemspecificatietechnieken Exploratie van de ontwerpruimte 2004-2005 Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Dirk Stroobandt

Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen oktober 2004 Een procedure om systemen te ontwerpen. De methodologie begrijpen helpt je om niets over te slaan. Compilers, software-ontwikkeltools, computer-gesteund ontwerp (CAD) tools, enz., kunnen gebruikt worden om de methodologiestappen te helpen automatiseren; het overzicht te bewaren op de methodologie zelf. Slide Morgan Kaufman 2004-2005 Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Dirk Stroobandt

Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Top-down vs. bottom-up oktober 2004 Top-down-ontwerp: Starten van de meest abstracte beschrijving; Werken naar het meest gedetailleerde. Bottom-up-ontwerp: Werken van kleine componenten naar een groot systeem. Echte ontwerpen gebruiken beide technieken. Slide Morgan Kaufman 2004-2005 Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Dirk Stroobandt

Stapsgewijze verfijning Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Stapsgewijze verfijning oktober 2004 Op elk abstractieniveau, moeten we het ontwerp analyseren om de karakteristieken van de huidige toestand van het ontwerp te bepalen; het ontwerp verfijnen om detail toe te voegen. Slide Morgan Kaufman 2004-2005 Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Dirk Stroobandt

Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Ontwerptraject oktober 2004 Systeemspecificatie Architectuurexploratie Platformontwerp Hardware/software-partitionering HW SW Hardware-ontwerp Software- compilatie 2004-2005 Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Dirk Stroobandt

Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Systeemspecificatie Beschrijft functionaliteit en prestatie-eisen (snelheid, vermogen, kost, …). Vaak: ware-tijd-systemen Zowel HW als SW. Welke taal? VHDL, C, C++, JAVA? Formele beschrijvingstaal (UML). Plethora aan beschrijvingstalen. SystemC wordt standaard. 2004-2005 Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen

Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Ontwerptraject oktober 2004 Systeemspecificatie Architectuurexploratie Platformontwerp Hardware/software-partitionering HW SW Hardware-ontwerp Software- compilatie 2004-2005 Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Dirk Stroobandt

Architectuurexploratie Uit de veelheid aan implementatiemogelijkheden deze zoeken die zo goed mogelijk voldoen aan de vereisten. Laag vermogenverbruik Zo goedkoop mogelijk Vereist ontwerpsbibliotheken. Belangrijk: prestatieschattingen in HW en SW uitvoeringstijd / geheugengebruik oppervlakte / vermogenverbruik Snelle schattingen / gradueel verfijnen. -pro- cessor DSP ASIC m-pro- cessor 2 ARM Virtuele HW- component 2004-2005 Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen

Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Ontwerptraject oktober 2004 Systeemspecificatie Architectuurexploratie Platformontwerp Hardware/software-partitionering HW SW Hardware-ontwerp Software- compilatie 2004-2005 Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Dirk Stroobandt

Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Platformontwerp Hergebruik van ontwerpstappen voor familie van produkten Definieer platformmethodologie 1 x uitvoeren Produceer het platform Definieer afgeleide ontwerpmethodologie vele x uitvoeren Ontwerp afgeleide produkten 2004-2005 Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen

Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Ontwerptraject oktober 2004 Systeemspecificatie Architectuurexploratie Platformontwerp Systeemontwerp Hardware/software-partitionering HW SW Hardware-ontwerp Software- compilatie 2004-2005 Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Dirk Stroobandt

Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Ontwerptraject oktober 2004 Systeemspecificatie Architectuurexploratie Platformontwerp Hardware/software-partitionering HW SW Hardware-ontwerp Software- compilatie 2004-2005 Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Dirk Stroobandt

Hardware/software partitionering -pro- cessor DSP ASIC m-pro- cessor 2 Virtuele HW- component ARM Verdelen taken over HW (eventueel verschillende HW-blokken) en SW (over verschillende processoren). In ware-tijd-systemen: toewijzen van taken tijdens uitvoering. Algoritme { Code 1 Code 2 Code 3 Code 4 } 2004-2005 Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen

Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Ontwerptraject oktober 2004 Systeemspecificatie Architectuurexploratie Platformontwerp Hardware/software-partitionering HW SW Hardware-ontwerp Software- compilatie Compilatie naar specifieke processor. Tegenwoordig: ASIP’s 2004-2005 Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Dirk Stroobandt

Ontwerp van ingebedde software Ontwerpskost voor SW is hoger dan voor HW Belangrijke elementen: Ervoor zorgen dat de juiste afwegingen gemaakt worden Verifiëren van de ingebedde SW-implementatie in complexe systemen Zorgen voor de porteerbaarheid van ingebedde SW naar toekomstige produktevoluties, keuze van RTOS, processors, middleware, enz. 2004-2005 Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen

Ontwerp van ingebedde software Ingebedde SW <> PC SW PC SW is niet ware-tijd en geeft geen gegarandeerde reactie Betrouwbaarheid was nooit echt belangrijk PC SW is steeds gegroeid (nieuwe tools, OO, …) 2004-2005 Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen

Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Ontwerptraject oktober 2004 Systeemspecificatie Architectuurexploratie Schattingen vooraleer implementatiedetails bekend zijn! Platformontwerp Hardware/software-partitionering HW SW Hardware-ontwerp Software- compilatie Hoogniveausynthese Logisch ontwerp Fysisch ontwerp Component- selectie Hergebruik van IP IP management 2004-2005 Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Dirk Stroobandt

Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Ontwerptraject oktober 2004 Systeemspecificatie Architectuurexploratie Platformontwerp Hardware/software-partitionering HW SW Analoog ontwerp Hardware-ontwerp Software- compilatie Hoogniveausynthese Component- selectie Logisch ontwerp Fysisch ontwerp 2004-2005 Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Dirk Stroobandt

SoC met analoge blokken Meestal integratie van analoge blokken in SoC Belangrijke punten: Controleren van substraatruis door plaatsing Controleren van ruis rond de omgeving van een analoog blok Geen routes over analoog blok Controleren ruis in vermogenstroken Plaatsing van analoog blok ver van digitaal blok Metaalschild compleet rond en over analoog blok Controleren van overspraakruis op analoge bussen Controleren van overspraakruis op de I/O-ringen 2004-2005 Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen

Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Ontwerptraject oktober 2004 Systeemspecificatie Architectuurexploratie Platformontwerp Hardware/software-partitionering HW SW Analoog ontwerp Hardware-ontwerp Software- compilatie Communicatie Hoogniveausynthese Component- selectie Interface- synthese Logisch ontwerp Fysisch ontwerp 2004-2005 Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Dirk Stroobandt

Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Interfacesynthese Selectie van communicatieprotocols. Synthese van bussen tussen processoren, geheugens en IP-blokken. Synthese van vertalers voor IP. Scheiding van berekeningen en communicatie is essentieel voor het ontwerpen van ingebedde systemen. Ondersteunen van “plug-and-play” voor IP-blokken. 2004-2005 Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen

Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Ontwerptraject oktober 2004 Simulatie en Verificatie Systeemspecificatie Architectuurexploratie Platformontwerp Hardware/software-partitionering HW SW Analoog ontwerp Hardware-ontwerp Software- compilatie Communicatie Hoogniveausynthese Component- selectie Interface- synthese Logisch ontwerp Fysisch ontwerp Testing 2004-2005 Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Dirk Stroobandt

Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Ontwerptraject oktober 2004 Hfst 2 Hfst 3 Simulatie en Verificatie Systeemspecificatie Architectuurexploratie Hfst 6 Hfst 7 Schattingen vooraleer implementatiedetails bekend zijn! Platformontwerp Hardware/software-partitionering HW SW Analoog ontwerp Hardware-ontwerp Software- compilatie Communicatie HW/SW co-ontwerp Hoogniveausynthese Hfst 8 Component- selectie Interface- synthese Logisch ontwerp Fysisch ontwerp Testing RTOS 2004-2005 Dirk Stroobandt: Ontwerpmethodologie van Complexe Systemen Dirk Stroobandt