Cours Informatique Temps Réel

 

Calculateurs Temps Réel

Cours Informatique Temps Réel [email protected] 

ENIM ENI M – Univer Universit sité é de Mo Monas nastir  tir  20 2007 07 - 20 2008 08

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1

 

CalculateursPlan Tempsdu Réel cours

• Géné Généra ralilité téss sur sur les les sys systè tème mess tem temps ps ré réel el (1s (1s)) • La CAO de dess Sys Systtèm èmes es Mat atér érie iels ls (5 (5s) s) • Les Les Sys Systè tème mess d’E d’Exp xplo loititat atio ion n (2s (2s)) • La prog progrram amma matition on pa parral allè lèle le (2 (2s) s) • Le Less STR STR em emba barq rqué uéss : le less SOC SOC et le less SOP SOPC C (2s (2s))

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CalculateursPlan Tempsdu Réel cours

• Géné Généra ralilité téss sur sur le less sys systè tème mess tem temps ps ré réel el • La CAO de dess Sy Syst stèm èmes es Mat atér érie iels ls • Les Sy Systèmes d’E d’Exxplo loiitation • La progr gram amm mation parallllè èle • Le Less STR STR em emba barq rqué uéss : le less SO SOC C et le less SO SOPC PC

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Calculateurs Réeltèmes Temp Générali néralités tés sur s urTemps les Systèmes Sys Tempss Réel

Les systè syst ème mess temps ré r éel : dé défin finiti itions ons Qu’est-ce qu’un qu’u n Système temps rré éel ?

Un système sys tème temps réel réel est un système qui contrôle cont rôle ou pilot p ilote e un Un système sys tempsàréel rée l est un système cont contrôle rôle oudepilot p ilote procédé procé détème physique une vitesse vite sse ada dapté ptée equi à l’év l’évolution olution ce e un procédé procé dé que quelles lles que soie soient nt les conditions d’utilisa d’utili sation tion

• Temps Temps réel réel strict/ strict/dur dur (har (hard d real-t real-time ime)) : le non respect d’une contrainte de temps a des conséquences graves (humaines, économiques, écologiques) : besoin de garanties • Temps réel souple/mou (soft real-time) : on peut tolérer le non respect occasionnel d’une contrainte de temps (garanties probabilistes) probabilistes)

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Calculateurs Réeltèmes Temp Générali néralités tés sur s urTemps les Systèmes Sys Tempss Réel

sys tèmess temps ré Les système r éel : dé d éfifini nitition onss (2 (2)

Un système temps réel est un système réactif devant fournir des sorties logiquement correctes tout en respectant strictement des contraintes temporelles explicites •

•

Tout système réactif est au minimum un système temps réel souple.

Le terme "temps réel" est généralement assimilé à "temps réel dur". Ce sont les les systèmes de de ce type qui posent des problèmes spécifiques tant d'analyse que de réalisation et de validation.

•

Le "temps réel" n'est pas un problème de de rapidité intrinsèque. Il suffit suffit de respecter les contraintes de temps imposées par l'environnement.

•

La structure embarquée ou détachée du système n'en change pas les principes. Elle n'influence que le type de solution retenue qui sera spécifique ou standard et plus ou moins réutilisable.

•

La plupart des systèmes dits "temps "temps réel" comportent à la fois des fonctions temps réel d dures ures et des fonctions temps réel souples.

•

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Calculateurs Réeltèmes Temp Générali néralités tés sur s urTemps les Systèmes Sys Tempss Réel

Mauv uva ais ise es int i nte erp rpréta rétatition onss de d e la notio not ion n de d e temps ré r éel « Reall-time time is not re rea all-fa fast st » ou « ri rien en n ne e se sert rt d de e co cour urir ir,, il ffau autt pa part rtir ir à po poin intt »

 Aller vite n’est pas l’objectif recherché recherché

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Calculateurs Réeltèmes Temp Générali néralités tés sur s urTemps les Systèmes Sys Tempss Réel

Domaines d’application (1/2) • • •

Télécommunications mo mobiles de de 3ème génération Fonctions multimédia Grand public

Satellite Faible portée Région Grande Portée

Local Area Large région

Grande Gra nde mobili mobilité té

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Faible Faible mobil mobilité ité

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Calculateurs Réeltèmes Temp Générali néralités tés sur s urTemps les Systèmes Sys Tempss Réel

Domaines d’application (2/2)

• • •

Une Me Merc rce ede dess cla class sse e S : 65 65 pr proc oces essseu eurs rs Élec Él ectro troni niqu que e emb embar arqu quée ée : 27 27 à 30 30% % du du coû coûtt d’u d’un n vé véhi hicu cule le,, 40 40% % du du coû coûts ts (2020) [source PSA] Logiciels da dans un un vé véhicule  – 1ko (1980) et 2Mo (2000 (2000))  – même tendance que l’aéronautique

Source: Sour ce: numatec numatec autom automotive otive

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Calculateurs Réeltèmes Temp Générali néralités tés sur s urTemps les Systèmes Sys Tempss Réel Système Informatique

Hardware Évolution de l’architecture

Software

• Monoprocess Monoprocesseur, eur, Multipro Multiprocesseu cesseurs rs •• Scalaire, CISC CI SC,ire, , RISC RISC Scala sup superscala erscalaire, ire, vec vectoriel toriel • Van Neuman Neumannn  Harvard

CAO de circuits intégrés Outils de description matériel VHDL, Handel-C, Handel-C, SystemC SystemC .. Design Des ign Reu Reuse se : IIP P

OS

Langage

• DOS, DOS, Window Windowss 9x, XP XP • Unix, Linux, Linux, HPUX HPUX ..

Assembleur, Fortran C, C++, LISP, ADA

RTOS RTLinux, µClinux, TRAI, VxWorks

Programmation parallèle V Fortran, C

Conception logicielle Matérielle CODESIGN Lotfi BOUSSAID

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Calculateurs Réeltèmes Temp Générali néralités tés sur s urTemps les Systèmes Sys Tempss Réel

Microp Mic roproc rocess esseur eurss - le 8080 •

Intel 8080 - 3/1/1974  – Mots de 8 bits  – bus adresses 1 16 6 bits, bus don données nées 8 bits  – 7 registres 8 bits, A à E,H,L, ⇒ BC, DE, HL 16 bits  – 64 k octets adre adressables ssables  – transistors rs  – 6000 2 MHztransisto  – ~ 0.02 mips ?

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Calculateurs Réeltèmes Temp Générali néralités tés sur s urTemps les Systèmes Sys Tempss Réel Micr Mi crop opro roce cess sseu eurs rs - Le Penti Pentium© um© Pr Pro o

•

Intel Pentium Pro 27/3/95  – bus interne 300 300 bits  – bus externe 64 bit  –  –  –  –

mémoire : 4 Go mémoire virtuelle virtuelle : 64 To processeur 5.5 M transistors cache intégré intégré

 – 166, 180, 200 MHz MHz

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Calculateurs Réeltèmes Temp Générali néralités tés sur s urTemps les Systèmes Sys Tempss Réel

Carte mère et Bus PC • •

Format standard  – Classique (AT), ATX Supporte :  – processeur (ou (ou carte fille Slo Slot1) t1)  – mémoire (RAM • SIMM, (RAM, DIMM , cache, BIOS)  –  –  –  –  –

“chipset” (gestion log logique ique bus) bus ISA et/ou PCI peut inclure un contrôleur SCSI cartes d’extension d’extension connecteurs divers périphériques, alimentation

Ex : carte Pentium

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Calculateurs Réeltèmes Temp Générali néralités tés sur s urTemps les Systèmes Sys Tempss Réel

• Vo Vonn Ne Neum uman annn MÉMOIRE MÉMOIRE

• Harvard

MÉMOIRE MÉMOIRE DONNÉES DONNÉES

Von Neumann vs. Harvard CPU CPU

IO IO

IO IO

IO IO

•••••

BUS SYSTÈME BUS INSTRUCTIONS

MÉMOIRE MÉMOIRE PROGRAMME PROGRAMME

CPU CPU

IO IO

IO IO

IO IO

•••••

BUS DONNÉES Lotfi BOUSSAID

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Calculateurs Réeltèmes Temp néralités tés sur s urTemps les Systèmes Sys Tempss Réel Générali

Les processeurs CISC (Complex (Com plex Inst Instruct ructions ions Set Computer) Computer)

Les avantages • Instructions pplus lus proche prochess d'un lang langage age de ha haut ut niveau • Prog Programm rammation ation pplus lus com compact pact Écrituredd'occupation pplus lus rapide mémoire et plus éélégante légante des application •• Moins 'occupation des pro programmes grammes • Exécution nécessite moins d'octets mémoire

Les inconvénients

• beaucoup trop ddee code codess d'instru d'instruction ction différents différents • taill taillee des iinstr nstructio uctions ns éle élevée vée eett variabl variablee (1 à 15 by bytes tes – octe octets ts par instr instructio uction) n) • structure des in instructions structions non sta standardisées: ndardisées: exéc exécution ution complex complexe, e, peu perform performante ante

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Calculateurs Réeltèmes Temp néralités tés sur s urTemps les Systèmes Sys Tempss Réel Générali

Les processeurs RISC (Reduced (Red uced Inst Instruct ructions ions Set Computer) Computer) • Nette séparatio séparationn entre les instructions dd'accès 'accès mémoire mémoire et les autr autres es • Instructions sta standardisées, ndardisées, en taille et en ddurée urée d'exé d'exécution cution • Unité de dé décoda codage ge câ câblée, blée, non m micro icrocodé codéee arch architect itecture ure ppipeli ipeline, ne, su supersc perscalair alairee • Très nom nombreu breuxx rregist egistres res à usag usagee ggénér énéral al • Un ou plusieur plusieurss cache (s) interne internes(s) s(s) ainsi que des tamp tampons ons internes et un jeu d'instruction réduit aux instructions simples

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Le pipeline (ou  pipelining )

• LI : Lecture Lecture de l'Instruction l'Instruction (en anglais FETCH instruction) instruction) depuis le cache cache ; • DI : Décodage Décodage de l'Instr l'Instructi uction on (DECODe (DECODe instruct instruction) ion) et et recherch recherchee des opéran opérandes; des; • EX : Exécu Exécution tion de l'Inst l'Instruc ruction tion (EXECut (EXECutee instruc instruction tion)) •• MEM : Accès Acc mémoir mém (MEMor (ME Mory y acce aclacess) , écrit éc ritur ure e oudans ch char argem gement deres. la mé mémoi moire re ; Ecr itureeès(Write (Wr iteoire instru inestructio ction) n) de valeu vss), aleur r calculée calc ulée les regist reent gistres. ER : Ecritur

Objectif du pipeli Objectif pipeline ne : Être capable de réaliser réaliser chaqu chaquee étape étape en  parallèle avec les étapes amont et aval

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Calculateurs Réeltèmes Temp Générali néralités tés sur s urTemps les Systèmes Sys Tempss Réel

Les calculateurs Parallèles Les ordinateurs séquentiels : 

Augmentation des performances 2 fois / 14 mois (Lois de Moore) Insuffisance pour certaines applications : météorologie, météorolog ie, synthèse et reconstr reconstruction uction d'i d'images, mages, simulations numériques, etc.

Déve évelop lopper per de d es calcul calculate ateurs urs para parallllèle èless

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Calculateurs Réeltèmes Temp Générali néralités tés sur s urTemps les Systèmes Sys Tempss Réel

Les calculateurs Parallèles Applications Challenge également appelées  parce qu'ellesGrand nécessitent pour leur exécution [1]: « Applications 3T »,

• 1 Té Téra ra octet fl flop opssdde (f (flo atin inggire oper operat atio ionn pe per seco cond nd)) ; eloat mémo mémoire cen centrale trale ; r se • 1 Téra octet par seconde de ban bande de passante pou pourr produire les résultats. résultats.

Ces applications ne sont réalisables actuellement qu’en faisant faisant re recours cours à un para parallélisme llélisme ma massif ssif : Plus de 800 8000 0 processeur proc esseurss GPP !!

[1] François PELLEGRINI, Architecture et systèmes des calculateurs parallèles, ENSEIRB, Octobre 2003.

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Calculateurs Réeltèmes Temp Générali néralités tés sur s urTemps les Systèmes Sys Tempss Réel

Modèles de Calculateurs Parallèles Classification de Flynn [1] strea eam m» Architecture SISD « Single Instruction stream, Single Data str

stream » Architecture MISD « Multiple Instruction stream, Single Data stream

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Calculateurs Réeltèmes Temp Générali néralités tés sur s urTemps les Systèmes Sys Tempss Réel

Modèles de Calculateurs Parallèles Classification de Flynn [1] stream » Architecture SIMD « Single Instruction stream, Multiple Data stream

Architecture MIMD « Multiple Instruction stream, Mingle Data strea stream m»

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CalculateursPlan Tempsdu Réel cours

• Géné Généra ralilité téss sur sur le less sys systè tème mess tem temps ps ré réel el • La C CA AO de des Sy Systèmes Ma Matérie iells • Les Sy Systèmes d’E d’Exxplo loiitation • La progr gram amm mation parallllè èle • Le Less STR STR em emba barq rqué uéss : le less SO SOC C et le less SO SOPC PC

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Calculateurs Temps CAO des La CAO SysRéel Syst t èm es Matéri Matériels els

Les circuits circuits FPGA FPGA (Field (Field Programma Programmable ble Gate Arra Array) y) PLD PLD Programmable ProgrammableLogic LogicDevice Device

SPLD SPLD Simple Simple PLD PLD (PAL & GAL) (PAL & GAL)

CPLD CPLD Comp Co mple lex xx PLD PL D Comp Co mple lex PLD PL D

FPGA FPGA Field Field Programmable Programmable Gate Ga te Ar Arra Ar ray Gate Ga te Arra ray yy

SPGA SPGA System System Programmable Programmable Gate Ga te Ar Arra Ar ray Gate Ga te Arra ray yy

~~ 00 àà 550000 Gates Gates

~~ 500 50 5000 àà 30 500 30 0000 000 000 00 Gates Gates

~~ 1000 10 1000 1000 00 àà 250 250 000 000 Gates Gates

~~ 500 500 000 000 Gates Gates

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Calculateurs Temps La C CAO AO des SysRéel Syst t èm es Mat Mat ér i el s

Les différentes technologies des FPGAs Résumé de dess diffé différe rente ntess te technologie chnologiess Nom:

Reprogrammable:

Volatile:

Technologie:

Fuse

Non

Non

Bipolaire

EPROM

Oui,i, en Ou en deho dehors rs du ci circ rcui uitt

Non

UVCMOS

EEPROM

Oui,, dans le circu Oui circuitit

Non

EECMOS

SRAM

Oui,, dans le circu Oui circuitit

Oui

CMOS

 Antifuse

Non

Non

CMOS

Les Fabricants XILINX, ALTERA, ACTEL, Vantis, Lattice, Lucent, Cypress, Atmel, QuickLogic, Philips ..

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Calculateurs Temps La C CAO AO des SysRéel Syst t èm es Matéri Matériels els

Architecture interne des FPGAs

Switch Matrix Slice S1 Slice S0

Synchronous Dua Dual-P l-Port ort RAM • Fa Fast st & effic efficien ientt log logic ic • Hig ighe hest st flexib flexibility ility

Slice S3 Slice S2

Powerful CLB >300 MHz Performance

BRAM

Programmabl Prog rammablee I/O I/O • 84 840 0 Mbp bps s LV LVDS

Digital Clock Ma Manageme nagement nt • phase Prec Precise isecontrol frequenc frequency y gene generati ration on and • Both Both on on-chip -chip & off-chip clock syn synchron chronization ization

EmbeddedPowerPC • 300 MHz • 420 DMIPS IPS

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Calculateurs Temps La CAO SysRéel Syst t èm es Matéri Matériels els CAO des

Les ressource ressourcess logiques logiques de base base des circuits circuits FPGAs FPGAs : • Les bloc blocss logiq logiques ues configurabl configurables es CLBs Bloc I/O

• Les blocs entrée entrée/sorti /sortiee • Les cellu cellules les d’inte d’interconnections rconnections programmables

Bloc CLB

Cellules d’interconnections PSM = Programmable Switch Matrix 10 interconnect points per matrix

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Calculateurs Temps La CAO des CAO SysRéel Syst t èm es Matéri Matériels els

ressourcess logiques Les ressource logiques de base base des circuits circuits FPGAs FPGAs : 1 CLB = 2 (4) Tranches (Slices)

LUT à 4 Entré Entrées es (Look-Up-T (Look-Up-Table) able) Une tableimplanter de transcodage combinatoire (LUT)  pouvant :  – deux fonctions indépendantes à 4 variables  – une fonction complète à 5 variables  – une fonction incomplète à 6 variables Tranche (Slice)

• Deux cellules cellules sé séquent quentielles ielles (bascule (basculess D) • Des multiple multiplexeurs xeurs de cconfig onfiguration uration

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Calculateurs Temps La CAO SysRéel Syst t èm es Matéri Matériels els CAO des

Exemple circuits uits FPGAs Xilin Xilinxx Exemple de circ La série Virtex de chez Xilinx compte trois modèles :   

niveaux de de métallisation) métallisation) Le Virtex 2.5V Le Virtex-E 1.8V ((0.22µm, 0.18µm, 65 niveaux Le VirtexVirtex-E E 1.8V Exten Extended ded Memor Memoryy

 Architecture des Virtex 2.5V et 1.8V [Xi [Xilinx00] linx00]

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Calculateurs Temps La CAO des CAO SysRéel Syst t èm es Matéri Matériels els

 Advantages des circuits FPGA • Dél Délai ai de de conce concepti ption on • Pos Possib sibilit ilité é de rec reconf onfigu igurat ration ion • Pr Proto ototyp typage age rapi rapide de • Ré-ut Ré-utilisat ilisation ion de bibliothèque bibliothèque de composants composants (IPs) (IPs) • Fac Facilit ilité é de mis mise e en œu œuvre vre et de test test..

Meilleur compromis entre les critères de coût, de flexibi flexibilit lité é et de perform performance ance

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Calculateurs Temps La CAO SysRéel Syst t èm es Matéri Matériels els CAO des

Les pro progr grè ès technol techn olog ogiq ique ue des des FPG FPGAs

• Compo Composants sants toujou toujours rs pl plus us rap rapides ides • Cap Capaci acité té d’i d’inté ntégra gratio tion n plu pluss éle élevée vée Domaines d’application des FPGAs: • Prototypage rapide • Traitement d’images • Traitement du signal • Cryptographie • Réseaux informatiques • etc...

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Calculateurs Temps CAO AO des SysRéel Syst t èm es Matéri Matériels els La C Stratégie Straté gie de Conceptio Conception n Spécification Spécification Fonctionnelle Fonctionnelle Raffinement & Réutilisation Synthèse Synthèse et et Validation Validation

Niveau Niveau Comportemental Comportemental C, C, VHDL VHDL .... Synthèse Synthèse de de Haut Haut niveau niveau Niveau Niveau RTL RTL VHDL Cont RTL roller  VHDL RTL Data r r  Data Path Path -- Controlle Controlle Cont roller  Synthèse Synthèse RTL RTL Niveau Niveau Logique Logique Nelist Nelist

Prototypage Prototypage

Synthèse Synthèse Logique Logique Niveau Niveau Physique Physique

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Calculateurs Temps CAO AO des SysRéel Syst t èm es Matéri Matériels els La C

Développement d’un FPGA Entrée schématique VHDL

 Modelsim

Entrée syntaxique Langage: VHDL VHDL

Diagrammes d’états VHDL

Vérification des erreurs de syntaxe

Simulation fonctionnelle STIMULI Ou TESTBENCH

VHDL

Synthèse

 Xilinx Integrated Software Software  Environnementt  Environnemen  ISE

EDIF, XNF

Optimisation Placement / routage dans le circuit choisi

VHDL STIMULI Ou TESTBENCH

Simulation Après synthèse

VHDL, SDF

Simulation temporelle STIMULI Ou TESTBENCH

JEDEC La programmation du circuit se fait soit: • En utilisant utilisant un programma programmateur  teur  • En téléchargeant le code JEDEC sur l’objet technique (JTAG ou ISP)

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Calculateurs Temps CAO des La CAO SysRéel Syst t èm es Matéri Matériels els

Carte d’évaluation SPARTAN-3 3 connecteurs d’extensions

FPGA Spartan-3 216 Kbits Kbits de bloc RAM Horloge Horlo ge interne interne jusqu’à 500 Mhz

Mémoire SRAM

Port VGA

(256 (256 Kb x 32) 32) Intégrée Intégr ée à la carte carte

Port série Port PS2

9 Leds

8 interrupteurs et 4 boutons-poussoirs

4 afficheurs afficheurs 7 segme segments nts à Leds

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Calculateurs Temps CAO des La CAO SysRéel Syst t èm es Matéri Matériels els

Le VHDL VHSIC (Very High Speed Integr Integrated ated Circui Circuit) t) Hardwa Hardware re Descrip Description tion Langua Language ge

• • • • • • • •

Obje Objets ts et opér opérat ateu eurs rs de base base Logi Logiqu quee conc concur urre rent ntee VS VS syn synch chro rone ne Les « Entity » Les « Component » Les « Package » Les « Test benches » La Syntaxe Fonc Foncti tion onss Comb Combin inat atoi oire ress

• Fonc Foncti tion onss Séque Séquent ntie iell lles es

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Calculateurs Temps CAO AO des SysRéel Syst t èm es Matéri Matériels els La C

Analogie avec circuits logiques réels Exemple: Exem ple: Comp Comparate arateur ur 4 bits bits entity comparateur is port(( A, B: i n bit_vector(0 to 3); port EQ: out bit); en end d comparateur;

architecture arch of comparateur is begin EQ SORTIE SORTIE => SORTIE SORTIE S1 S1 S1 S1 : retrait du module Vérification que le module n'est pas utilisé. Execution Execu tion de cleanup_m cleanup_module odule..  – lsmod : liste de tous tous les modules contenus contenus dans le noyau. ●

●

●

●

●

Le Les s modules modules: RTLinux RT Linux : temps-réel. API POSIX.  – rtl_sched.o scheduler   – rtl_fifo.o : API API de gestion des FIFOs FIFOs temps-réel.  – rtl_posixio.o : API API d'opérations bas-niveau sur les devices.  – rtl_time.o : API API de gestion du temps temps (précision : nanoseconde)  – rtl.o : micro-noyau micro-noyau temps-réel. L'insertion du module rtl.o rtl.o lance le noyau temps-réel. temps-réel. Les modules modules RTLinux doivent doivent être insérés insérés préalablemen préalablementt à l'insertio l'insertion n de tout module définissant des tâches temps-réel. ● ●

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Calculateurs Temps Less Sys Systè tème messRéel d ’Exp d’E xplo loitita atition on Le

Les Systèmes d’Exploitation Temps Réel Système ystèmess Temps Temps Réel basé sur linux l inux 1.

RTAI (Real Time Application Application Interfa Interface) ce) Départemen Départementt d'ingénieri d'ingénierie e aérospatiale aérospatiale (DIAPM (DIAPM)) de l'Ecole l'Ecole polytechnique polytechniq ue de Milan (Politecni (Politecnico co di Milano). Milano). Il intègre intègre des améliorations améliorations et des correctio corrections ns concernant en particulier les modes temps réel et la gestion des nombres flottants.

2.

µClinux (pro (prononc noncer er « you see lin linux ux ») ») est l'a l'acro cronym nyme e de Microco Microcontr ntroll oller er Linux. Linux. Le proj projet et µCli µClinux nux lancé en janvier 1998 est un portage portage de Linux version version 2.0.x originellem originellement ent sur des processeurs processeurs ne possédant posséd ant d'unité d'unité de gestion mémoire mémoire MMU (Memory (Memory Management Management Unit). Unit). Il supporte les processeurs processeurs (Motorola (Moto rola 683xx, Motorola Motorola ColdFire, ColdFire, i960 d'Intel, d'Intel, ARM7T ARM7TDMI DMI et NIOS NIOS d'Altera. d'Altera. µClinux µClinux basé sur le le noyau Linux 2.4.x est maintenant opérationnel.

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CalculateursPlan Tempsdu Réel cours

• Géné Généra ralilité téss sur sur le less sys systè tème mess tem temps ps ré réel el • La C CA AO de des Sy Systèmes Ma Matérie iells • Les Sy Systèmes d’E d’Exxplo loiitation • La progr gram amm mation parallllè èle • Le Less STR STR em emba barq rqué uéss : le less SO SOC C et le less SO SOPC PC

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Calculateurs Temps Réel La programmation Parallèle

Un aperçu du parallélisme

 Sequencement Sequencement du du travail travail d'un d'un maçon maçon travaillant travaillant seul seul

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Calculateurs Temps Réel La programmation Parallèle

Un aperçu du parallélisme (2)

 Sequencement Sequencement du du travail travail d'un d'un maçon maçon travaillant travaillant seul seul

 {{ Sequencement Sequencement du du travail travail de de deux deux maçons maçons travaillant travaillant sur sur deux deux portions portions de de mur mur séparées. séparées.

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Calculateurs Temps Réel La programmation Parallèle

Le Calcul parallèle : qu'est ce que c'est? « Faire coopérer plusieurs processeurs processeurs pour réaliser un ca calcul lcul »  Avv ant antages ages  A

: • Rapidi pidité té : Pour N processeurs, processeurs, tem temps ps de ca calcul lcul divisé par N, en théorie.

Tailille le mémoire mémoir e : • Ta Pour N processeurs, on dispose de N fois plus de mémoire (en général) 

Difficultés Difficul tés : • Il faut gérer le partage des tâches. • Il faut gérer l'écha l'échange nge d'information d'inf ormation.. (tâches non indépendant indépendantes) es)

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Calculateurs Temps Réel La programmation Parallèle

Qu'est ce qui n'est pas du calcul parallèle. Quand les processeurs ne coopèrent pas :



Calculs monoprocesseurs séquentiels  Calculs multiprocesseurs : • Exéc Exécution ution pour une sé série rie de conditi conditions ons initial initiales es différ différentes entes.. • Prob Problème lème divis divisible ible en sous sous-pro -problèmes blèmes indép indépendant endants: s: Exemple: Mouvement de N particules test dans un champ extérieur.

Une architecture architecture parallèle efficace efficace coûte cher, il faut l'utiliser à bon escient.

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Calculateurs Temps Réel La programmation Parallèle

Modèle de parallélisme  Ar  A r c h i t ec ectt u r e m mat atér érii el elll e:

Modèle de pro programmatio grammation: n:

Le plus utili utilisé sé

Outils de parallélisation:

OpenMP ordinateur à mémoire partagée partagée

MPI ordinateur à mémoire distribuée

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Calculateurs Temps Réel La programmation Parallèle

Mémoire partagée / distribuée

Mémoire distribuée

Mémoire partagée (SMP) Tous les processeurs ont accès à l'ensemble de la mémoire.

Chaque processeur possède sa propre mémoire. mémo ire. Il n'a pa pass accès à celle de dess autre autres. s. ➔

 Attention auxsurcoût conflits.de parallélisation. Très peu de ➔ Le plus plus so souven uventt nb proc < 32. ➔ Architecture coûteuse. ➔ ➔

Il faut gérer l'échange de messages (surcoût)

 Architecture bon-marché. bon-marché. Il faut ajouter un réseau de com. performant. ➔ Nb de p proc roc ~ ilillim limité ité..

➔ ➔

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Calculateurs Temps Réel La programmation Parallèle

Revue d'effectif 1: dans le monde Tous les ans, une liste des 500 plus gros ordinateur est publiée sur: http://www.top500.org Extrait de la liste du 8 Novembre 2004:

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[1] Programmation parallèle pour le le calcul scientifique, scientifique, Benoit Benoit Semelin, 2005 2005

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Calculateurs Temps Réel La programmation Parallèle

Outils de parallélisation La parallélisa parallélisation tion peutpeut-être être effec effectuées tuées à diver diverss niveaux niveaux:: Langages :

Compositio Composi tional nal C++ (C (CC++ C++)) ➔ Fortran M ➔ Hig High h per perfor forman mance ce Fort Fortran ran (HPF) (HPF) ➔ etc...

➔

Bibliothèques :

Mess Message age Passi Passing ng Interf Interface ace (MP (MPI) I) ➔ Par Parall allel el Vir Virtua tuall Mach Machine ine (PV (PVM): M): ~ obsolè obsolète. te. ➔

Directives de compilation : ➔

OpenMP

➔

Instructions Compilateurs: effica eff icacit cité éspécifiques trèss faible trè faible :constructeur. ➔

Intel Fortran/C compiler: gratuit.

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Calculateurs Temps Réel La programmation Parallèle

Modèle de programmation OpenMP OpenMP est un ensemble de directives de compilation compilation pour parall paralléliser éliser un code sur une architecture SMP (interfaces Fortran, C et C++) Le compilate compil ateur ur interprète in terprète les directive directive OpenMP OpenMP (si il en est capable!) capable!) Les standards d'OpenMP d'OpenMP datent de 1997, ceux d'OpenMP-2 de 2000. Les développeurs de de compilateurs les implémentent.

Modèles d'exécution OpenMP:

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Calculateurs Temps Réel La programmation Parallèle

Com omme ment nt « fa fair iree tou tourn rner er » un co code de Op Open enM MP ? Écrire le code séquentiel (tout ou partie)  Débuguer   Se placer sur une machine SMP multiprocesseur   Insérer les directives OpenMP  Compiler avec l'option appropriée: f90 -omp toto.f90 -o toto.out  Définir le nombre de CPU: exp expor ortt OMP OMP_NU _NUM_T M_THRE HREADS ADS =4 

Lancer normalement: ./toto.out Débuguer...  Éval Évaluer uer les perfo performanc rmances, es, en pa particu rticulier lier le « speed speedup up »: Temps exécution N procs / Temps exécution 1 proc  

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Calculateurs Temps Réel La programmation Parallèle

Parallélisat Parall élisation ion sur archit architecture ecturess à mémoir mémoiree distribuée distribuée : Communications Temps Temps de transmissi transmission on d'un message

Sur une architecture architecture à mémoire distri distribuée, buée, les unités de calcu calculs ls doivent échange échangerr des messages. Ces communications communications ne so sont nt pas ins instantanée. tantanée. Le coût dépend du réseau de communications et de l'implémentation MPI. Détails des contributions au coût de communication. Voir graphique.

Conséquences: Il vaut mieux envoyer 1 gros message que plein de d e pe petit titss . Il faut grouper les communication!

T   e m  p  s   d   e  t   r   a n  s  m i    s   s  i    o n

 (   1   0  -1   0   0   µ  s   )  

Débit Dé bit (ba (bandwi ndwidth) dth) Préparation du message (Packing) Initialisation paramètres réseau

Latence

Taille des messages (1-10 Ko) Lotfi BOUSSAID

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Calculateurs Temps Réel La programmation Parallèle

Modes de communications entre process Exemple de mécanisme de communication: (two-sided, buffered, synchrone)

Mode de commnications: définitions   One One-side -sided d / Two-side Two-sided d: Un seul processeur gère tout les éléments de la la com / les deux processeurs interviennent, il gère chacun une partie des éléments de la com.   Synchrone / Asynchrone Asynchro ne:: Le processeur qui envoi (1) attend / n'attend pas que le processeur qui reçoit (2) ait signalé qu'il était prêt. En mode asynchrone, le processeur (1) transmet les données qui sont écrites dans le buffer de réception du processeur (2). Il viendra les lire plus tard, quand le code lui

dira de faire. Lotfi BOUSSAID

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Calculateurs Temps Réel La programmation Parallèle

MPI : Introduction MPI est une bibliothè bibliothèque de communica communication tion pour le parallé parallélisme lisme sur architectures architectures à mémoire partagée (Fortran, C,que C++).

Les standards st andards MP MPI: I: MPI 1 (1994): Le coeur de la bibliothèque - Com Commu munic nicate ateur urss - Comm Communic unicatio ations ns locales locales et globale globale - Défin Définition ition de type type de va variab riable le - To Topo polo logi gies es   MPI 2 (1997): extensions et support C++ et f90 - Comm Communic unicatio ations ns ''one-sided ''one-sided'''' - Entrées-sorti Entrées-sorties es pa parallèles rallèles (non traitées ici)  

Impléme mplémentations ntations gratuites:  

L A M: http://www.lam-m http://www.lam-mpi.org pi.orgsur grille de PC ou architectures SMP. MPI 1 et 2 (en partie)   MPICH2 MPICH2:: http://www-unix. http://www-unix.mcs.anl.gov/m mcs.anl.gov/mpi/mpich2/ind pi/mpich2/index.htm ex.htm MPI 1 et 2 (en partie) sur grille de PC ou architectures SMP.

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CalculateursPlan Tempsdu Réel cours

• Géné Généra ralilité téss sur sur le less sys systè tème mess tem temps ps ré réel el • La C CA AO de des Sy Systèmes Ma Matérie iells • Les Sy Systèmes d’E d’Exxplo loiitation • La progr gram amm mation parallllè èle • Le Less STR STR em emba barq rqué uéss : le less SO SOC C et le less SO SOPC PC

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Temps :Réel Les STRCalculateurs embarqués les SOC et les SOPC

Évolution des Applications Multimédia (1) De plus en plus présent dans le quotidien ..

Visiophone GSM 3G TV HD

eTV

Éducation VOD (Set (Set Top Box )

GPS

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Temps :Réel Les STRCalculateurs embarqués les SOC et les SOPC

Évolution des Applications Multimédia (2) Évolution de la demande de services en : -Télécommunication, - Multimédia, - Traitement du signal

Systèmes sophistiqués : - Puissance de calcul - Flexibilité - Consommation - Portabilité

Objectifs

Satisfaire les besoins de l’utilisateur  Répondre aux exigences de ces nouvelles applications

En 2003 : 1 Milliard de téléphones portables pour 200 Millions de PC Cours Informatique Temps Réel

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Temps :Réel embarqués les SOC et les SOPC Les STRCalculateurs

Évolution de standards de communication - GSM  GPRS  EDGE  UMTS - Blue Blueto toot oth h 11 Mbi Mbits ts/s /s  Hiper Hiperlan2 lan2 à 54 Mbits/ Mbits/ - USB USB 1 1.0 .0  USB 2.0  Firewire - Etc.

Évolution des normes du multimédia M P E  E G  G 2  21   Au t  th     h

M P E  EG    7  G    7

e n  e    t  n ti  i  f   f  i    c  c a  at  t   i  io     n  o n 

D e  es  c r  ri  i  p    t  ti  i  o  o n d e  e  C o  o nt e  en   u  AV 

MPEG4 Codage objet et interactivité

M P  P E  EG    1 G   C D  D V ii  d d  é  é o o  

 

M P  PE    G  E    2  G 2 

D V  V D  D , T

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T V  V H D  D 

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Temps :Réel embarqués les SOC et les SOPC Les STRCalculateurs

Exemple d’application Description de Contenu Audiovisuelles : Les Métadonnées

Cut A. Ghaieth

Cut

Cut Désert

Ciel

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« Arrissala » Lotfi BOUSSAID

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Temps :Réel Les STRCalculateurs embarqués les SOC et les SOPC

Métadonnées = Données sur les Données !! Mouvement  MovingRegionType "> Person xml:lang="en">Person  00:00:15  00:00:15      00:00:30  00:00:30  …

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Temps :Réel embarqués les SOC et les SOPC Les STRCalculateurs

Les contraintes de conception des SOC • Les produits ont une durée de plus en plus faible - Ré Rédu duir ire e lle e« «titime me to ma mark rket et» » - Réutil Réutilisati isation on pour conc concevoir evoir d’au d’autres tres prod produits uits

rentabiliser 

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Temps :Réel embarqués les SOC et les SOPC Les STRCalculateurs

Réutilisation -- Approche Appro rete pouràlimiter lim iter de lesblocs coûts coût Conceptio Conceche ption nretenue d’un d’unue n SOC partir blo cssprédéfin prédéfinis is

IP : Intellectua Inte llectuall Properties

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Temps :Réel embarqués les SOC et les SOPC Les STRCalculateurs

Vers la réutilisation de bloc prédéfinis (Bibliothèques, IP)

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Temps :Réel Les STRCalculateurs embarqués les SOC et les SOPC

Exploitation des ressources des nouveaux FPGA

Synchronous Dua Dual-P l-Port ort RAM • Fa Fast st & effic efficien ientt logic logic • Hig ighe hest st flexib flexibility ility

Switch Matrix Slice S1 Slice S0

Slice S3 Slice S2

Powerful CLB • >3 >300 00 MHz Perform Performan ance ce

BRAM

Programmabl Prog rammablee I/O I/O • 84 840 0 Mbp bps s LV LVDS

Digital Clock Ma Manageme nagement nt • Precise Precise frequenc frequency y gene generati ration on and phase control • Bo Both th on-chip on-chip & off-chip clock syn synchron chronization ization

EmbeddedPowerPC • 300 MHz • 420 DMIP IPS S

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Temps :Réel embarqués les SOC et les SOPC Les STRCalculateurs

Réduction des coûts Cons onsé ééquences que qu ences de la réduct réduction ion de d es coûts coû ts de d e con conceptio ception n du ma m atériel onséque - Réduir duire e les coûts du maté matériel riel

augmente en propo proportio rtion n les coûts du logi logiciel ciel

 – 80% du coût coû t de développeme développement nt d’u d’un n SO SOC Ce est st aujourd’ aujourd’hui hui dû au logi logiciel ciel

- Le –coût du test croî t cation de façon façon expone exponentie ntielle lle Equipes Equipe sd de ecroît vé vérifi rification 2 foi fois s pl plus us no nombreuses mbreuses que ce celles lles de déve développeme loppement nt

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Temps :Réel embarqués les SOC et les SOPC Les STRCalculateurs

La révolution 1400

-

Le nom nombre bre de SOC ve vendus ndus croî croîtt de 30% pa parr an an

- Pré révisi vision on de ré répa partit rtition ion par par secte secteur ur pour 20 2004 :  – Communicati Commun ication on : 44% 44% (cro (croiss issance ance 24% 24% par an)  – Ele Electr ctroni onique que grand publi pu blicc : 28 % (cro (crois issance sance 43% 43% par an)  – Le reste rest e 28 %

- Les outils de conception évoluent moins vite vit e que la technologi technologie e

1200 1000 800

Nb Soc (M)

600 400 200 0 1995

2000

2005

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Temps :Réel Les STRCalculateurs embarqués les SOC et les SOPC

Qu’estt ce qu’un systèm Qu’es systèmee embarqué embarqué sur une seule seule puce SOC SOC ? SoC

Composants sur carte CISC

Glue CAN

Glue

UART CNA

ROM RAM

Fonctions spécifiques ASIC Composants virtuels vir tuels IP ROM

RISC

 ASIC  ATM

CAN Cœur 

RAM

FPGA

UART

CAN

DSP

RAM 1

Cœur 

RAM 2

RISC

ROM

MPEG  Anal  An alo o

E/S

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Temps :Réel embarqués les SOC et les SOPC Les STRCalculateurs

ntelle llectua ctuall Prope roperty rty ) Noti otion on d’I d ’IP P (Inte • Bl Bloc ocss fon fonct ctio ionn nnel elss com compl plex exes es ré réut utililis isab able less  – Hard: déjà implanté, dépe dépendant ndant de la ttechnologies, echnologies, fort fortement ement optimisé  – Soft: dans un langage langage de haut niveau (VHDL (VHDL,, Verilog, C++…), paramétrab paramétrables les  – Firm: Constitué Constitué d’une combinaison combinaison de code RTL synthétisabl synthétisable, e, de références références de bibliothèque de l’architecture l’architecture cible et d’une Netlist Netlist au niveau po portes rtes

• Normalisat atiion des int nte erfac aces es • Envi Enviro ronne nneme ment nt de déve dévelo lopp ppeme ement nt (co(co-de desi sign gn,, co-sp co-spec ec,, co-ve co-veri rif) f) • Pe Perrform forman ance cess moye moyenn nnes es (pe (peu u opti optimi misé sé))

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Temps :Réel embarqués les SOC et les SOPC Les STRCalculateurs

Utitililisa satition on d’I d’ IP • Bloc ré réutilisable (I (IP)  –  –  –  –  –

connaître les fonctionnalités estimer les performances dans un système être sûr du bon fonctionnement de l’IP intégrer cet IP dans le système valider le système

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Temps :Réel embarqués les SOC et les SOPC Les STRCalculateurs

Comme ommerce rce d ’IP ’IP « de design sign & reuse reuse »

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Temps :Réel embarqués les SOC et les SOPC Les STRCalculateurs

Problématique • Mod odél élis isat atio ion n des des appl applic icat atio ions ns • Cons Constr truc ucttion ion de l’ar l’arch chititec ectu ture re •• Le pr lème me par tion onne nem matio ent en tns Le prob prob problè oblè lème me du des despa comm cortititi mmun unic icat ions • Le p prroblèm lème d de e la la co consomm ommation

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Temps :Réel embarqués les SOC et les SOPC Les STRCalculateurs

Flot de conception Logicielle/Matérielle : Le Codesign Spécification  Partitionnement  Co-synthèse 

 

Co-simulation Prototypage.

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Temps :Réel embarqués les SOC et les SOPC Les STRCalculateurs

Less Bus utilisé Le utilis é da dans ns les les SO SOC Le Le Bus Bus AMBA AMBA

Il comprend trois bus bu s : 1. A MB A A HB (  Ad A d v anced anc ed Hig h-p h-per erff or man c e Bu Bus) 2.

Adva Advanc nce ed Sys Syste tem m Bus Bus (AS (ASB) B)

3.

Adva Advanced nced Pe Perip riphe hera rall Bus Bus ((AP APB) B)

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Temps :Réel embarqués les SOC et les SOPC Les STRCalculateurs

Less Bus utilisé Le utilis é da dans ns les les SO SOC Le Le Bus Bus AVALON AVALON

- Le bus bus Avalon Avalon est un un bus bus de chez chez Al  A l t era er a util utilisé isé pour le processeu processeurr embarqué embarqué Nios OPC C Builder system d’ Al - L’outil SOP  A l t er era a génère automatiquement l’ensemble du bus - Les maîtres et esclaves du du bus Avalon interagit ensemble ensemble avec une technique d’arbitrage d’arbitrage appelé Slave-Side - L’arbi L’arbitra trage ge Slave-side déte détermine rmine lequel lequel des maître maître gagne l’accès l’accès à l’esclave l’esclave à un évènement évènement ou plusieurs plusieurs maîtres tentent tentent d’accéder d’accéder au même temps temps à l’esclave.

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Temps :Réel embarqués les SOC et les SOPC Les STRCalculateurs

Less Bus utilisé Le utilis é da dans ns les les SO SOC Le CoreC onnect Le Bus Bus CoreConnect CoreConnect CoreC onnect

Il comprend trois bus : 1. PL B (Processor Lo cal Bus ) On-chip chip Periph Periph eral eral Bus Bu s ) 2. OPB (On3. DCR b u s (De Device vice Contro l Regist Regist er bus)

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Temps :Réel embarqués les SOC et les SOPC Les STRCalculateurs

Less Bus utilisé Le utilis é da dans ns les les SO SOC Le W one Le Bus Bus Wishb Wishbone Wishb ishbone one

Bus partagé

Il comprend deux interface in terfacess de bus : 1.

Maste st er Inte nterfa rf ace

2.

Sl ave ave Inte nterfa rface

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Crossba rossbar switch switch interconn interconne ection ction Lotfi BOUSSAID

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Temps :Réel embarqués les SOC et les SOPC Les STRCalculateurs

SoC vs SoP SoPC C • SoC  – Peu évolutif   – Grandes productions  – Fabrication et test long et coûteux

• System on Programmable Chip  – Prototypage rapide sur FPGA  –  –  –  –

Composant reconfigurable à volonté Moins de portes logiques disponible Consommation plus élevée Performances moins bonnes

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Temps :Réel Les STRCalculateurs embarqués les SOC et les SOPC

Qu’est-ce qu’un Système sur puce reconfigurable SOPC ?   Multiplieurs

Resources Matérielles disponibles 

MEM

Processeur SW ou HW

CPU MEM

Process HW

Resources Matérielles disponibles

Transmetteurs

Processeur Région HW reconfigurable

Process HW

Process HW

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Temps :Réel Les STRCalculateurs embarqués les SOC et les SOPC

Méthodologie de conception des SOPC ? Une seule Partition

* Temps de reconfiguration ** Contraintes Mémoires *** Contraintes surfaces

HW Process

Firm IP

Statique

Hard. IP Soft. IP 

IP

HLE

RDP

Resources programmable

RDT

disponibles variables

HW Process

HW Process

1

Surface /Latence

T4 

T41 T43 T41  T4   3 T422T4

4

Graphe de tâche

3

2

9 5

6

1

7 1

1

Partition( 1) Partition( n)

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Temps :Réel Les STRCalculateurs embarqués les SOC et les SOPC

Vérification formelle des IP µP Codeur  vidéo

DSP

DRAM Réseau Intégré

 ASIC  A SIC

SRAM

- Vérifier Vérifier que le comport comportement ement des des IP est conform conformee aux spécifica spécifications tions - Simulation Simulation fonctionn fonctionnelle elle traditionne traditionnelle lle insuffisante insuffisante surto surtout ut pour éviter les erreurs d’incompat d’incompatibilit ibilitéé dans les SoC

Faire appel à des preuves de vérificatio vérificationn formelle ou semisemi-formelle formelle

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Les STR embarqués : les SOC et les SOPC Vérification formelle des IP

Langage    

VHDL Verilog PSL

Outil : Solver 

PEC

  

SVE: Siemens ACL2: Texas Instrument HOL: Unive Université rsité de Camb Cambridge ridge ImPROVE-HDL : TNI-Valiosys  

Méthodologie

Assertions Simples Génération d’une librairie

(Assertion + Environnement)

(Property/Environment Constraints)

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Les STR embarqués : les SOC et les SOPC Con oncepti ception on basé basée e Plate latefo form rme e Module CELOXICA RC203E

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Calculateurs Temps Réel

Les STR embarqués : les SOC et les SOPC L’Environnement PDK Design Suite • La Bibliothèqu Bibliothèquee PSL (Platform (Platform Sup Support port Labrary) Labrary)  – Virgule fixe/flottante, Prise en charge des RAM, Les Filtres FIR, Microblaze

• La Bibliothèqu Bibliothèquee PAL (Platform (Platform Abst Abstractio ractionn Layer) génériques iques (cons (console, ole, contrô contrôleur leur PS/2)  – Cores génér

• La Bibliothèq Bibliothèque ue DSM (Data (Data Stream Stream Mana Manager) ger)  – Assure la communication entre la partie matérielle et les parties exécutées par un processeur ex: Microblaze

• Le langage Handel-C  – Le parallélisme par { }, les canaux de communication, Multi Domaines

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Lesd’Architecture STR embarqués les SOC et les SOPC Modèle Générique: pour les Applications Applications Multimédia Étude de cas Réel

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Calculateurs Temps Réel

Les STR embarqués : les SOC et les SOPC Applica App licatio tionn : Rés Résumé umé Vid Vidéo éo Effet Ef fetss de Tra Transi nsitio tionn

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Les STR embarqués : les SOC et les SOPC Prototype d’Analyse de Contenu AV Extraction d’Images Clés Flux Vidéo MPEG2

Détecteur de Cut

Détecteur de Fondu

Segmentation de la vidéo

Images Clés (Keyframes)

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Les STR embarqués : les SOC et les SOPC Implémentation du détecteur de Cut

16 x histogrammes (Dim. 4)

Partie Contrôle

Partie Opérative

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Schéma synoptique du détecteur de cut Lotfi BOUSSAID

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Les STR embarqués : les SOC et les SOPC Implantation Matérielle du détecteur de Fondu baséé sur le Filt bas Filtre re de de SOBEL SOBEL

Filtre de SOBEL

-1 -2 -1 Sx= 0 0 0 1 2 1  g ( x,  y ) =  f  ( x,  y ) * S  x

+

-1 0 1 Sy= -2 0 2 -1 0 1

 f  ( x,  y ) * S  y

 g 1( x,  y ) =  f  ( x,  y ) * S  x  g 1( x,  y ) = (  f  ( x,  y ) + 2 f  ( x − 1,  y ) +  f  ( x − 2,  y )) − (  f  ( x,  y − 2) + 2 f  ( x − 1,  y − 2) +  f  ( x − 2,  y − 2))  g 2( x,  y ) =  f  ( x,  y ) * S  y  g 2( x,  y ) = (  f  ( x,  y ) + 2 f  ( x,  y − 1) +  f  ( x,  y − 2)) − (  f  ( x − 2,  y ) + 2 f  ( x − 2,  y − 1) +  f  ( x − 2,  y − 2))

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G1( Z ) = ([1 +  Z  1 ].[1 +  Z  1 ] −  Z 

[1 +  Z  1 ].[1 +  Z  1 ]). F ( Z ) G 2( Z ) = ([1 +  Z   N  ].[1 +  Z   N  ] − Z  2 [1 +  Z   N  ].[1 +  Z   N  ]). F ( Z ) −

−

−

2 N 

−

−

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−

−

−

−

−

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Calculateurs Temps Réel

Les STR embarqués : les SOC et les SOPC Implantation Matérielle du Détecteur de Fondu

Soluti Sol ution on 1 : Filtre Filtre de SOBE SOBEL L

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