Contributions

Une contribution principale de cette thèse concerne l’étude des concepts de conception à faible consommation d’énergie pour un modèle fonctionnel au niveau transactionnel dans un environnement commun, appelé USLPAF. L’USLPAF, se référant à "Unified System-Level Power-Aware Framework", offre une méthodologie connue sous "USLPAM" (Unified System-Level Power-Aware Methodology) qui combine la conception et la vérifi- cation orientées faible consommation au niveau transactionnel dans un flot de conception unifié. L’USLPAF fournit également une librairie nommée "USLPAL" (Unified System- Level Power-Aware Library) comprenant un ensemble de techniques de modélisation et d’utilitaires permettant d’appliquer facilement et rapidement la méthodologie USLPAM. Sur la base de cet environnement, ce travail contribue à :

• Une Méthodologie orientée consommation d’énergie au niveau système : Cette méthodologie permet d’ajouter des capacités de spécification et de gestion d’une infrastructure à faible consommation à des modèles fonctionnels au niveau transaction- nel d’une manière bien structurée. Une vérification basée sur la simulation et orientée consommation d’énergie énergie intègre également le flot de la méthodologie proposée. Les sémantiques de simulation et de vérification ainsi que la méthodologie de séparation des aspects fonctionnels et d’énergie définies par le standard UPF ont été utilisées comme support par notre méthodologie USLPAM. L’objectif principal de cette méthodologie est de permettre d’explorer à l’avance différentes architectures à faible consommation d’éner- gie et alternatives de gestion des domaines d’alimentation afin d’évaluer les effets des techniques de gestion d’énergie sur les performances d’un système et sa fonctionnalité. La méthodologie USLPAM assure la connexion avec le flot de conception à faible consom- mation au niveau RTL et ce en fournissant une solution de gestion de la consommation, pré-vérifiée et le plus économe en énergie, composée d’une spécification UPF et d’un mo- dèle de référence pour le gestionnaire d’énergie.

• Contrats basés sur des assertions pour la vérification orientée consomma- tion d’énergie

La gestion des domaines d’alimentation affecte profondément et complique la tache de véri- fication fonctionnelle du SoC. Un processus de vérification orienté consommation d’énergie

CHAPITRE 1’. INTRODUCTION (IN FRENCH)

a été défini tout au long du flot de méthodologie USLPAM pour vérifier un ensemble de propriétés dans un ordre prédéterminé. Nous supposons que le modèle initial fonctionnel au niveau transactionnel est valide et que son comportement correct est assuré. Ainsi, les propriétés d’énergie définies dans ce travail sont liés à la structure à faible consommation et ses effets sur le fonctionnement normal du modèle initial. Ces propriétés sont définies pour s’adapter à une modélisation au niveau transactionnel. Certaines d’entre elles sont dérivées des spécifications du standard UPF, tandis que d’autres sont déduites des inter- actions entre les modèles fonctionnels et ceux dédiés faible consommation. Le principe de "DBC" (Design by Contrat) est utilisé pour identifier les propriétés orientées énergie et les classer dans des catégories de contrats. Le test des contrats est effectué en utilisant des expressions d’assertions ajoutées dans le modèle SystemC/TLM.

• Une méthode pour l’identification des PMPs

Les emplacements dans un modèle fonctionnel au niveau transactionnel où un changement dans l’état d’énergie du système peut se produire sont appelés points de gestion d’énergie ou (PMPs) (Power Management Points). Déterminer un PMP repose sur la façon dont le logiciel utilise le matériel et comment la consommation d’énergie est impactée. Elle représente la première étape dans le flot de la méthodologie USLPAM et vise l’établisse- ment d’une solution cohérente et efficace de gestion des domaines d’alimentation. Selon les PMPs identifiés, une infrastructure à faible énergie est spécifiée, une stratégie de gestion de l’alimentation est décidée et des propriétés spécifiques orientées énergie sont ajoutées dans le code SystemC/TLM sous la forme d’assertions.

• Une méthode d’instrumentation du code source pour l’application de USL- PAM

Les prototypes virtuels au niveau transactionnel sont généralement construits par assem- blage de propriété intellectuelle (IPs) décrites en SystemC/TLM. Ces IPs peuvent être des boîtes blanches, ayants un code source accessible, ou comme étant des boîtes noires, qui sont déjà préconçus, précompilés et pré-vérifiés. Avoir accès à des modèles des IPs de type boîte blanche ne contraint aucune étape du flot de la méthodologie USLPAM et donne même plus d’opportunités pour réduire la consommation. Nous démontrons comment cela est réalisable grâce à l’instrumentation du code source d’une plateforme virtuelle d’IPs avec des informations sur la gestion de la consommation d’énergie. Une telle méthode basée sur l’instrumentation repose sur l’utilisation de l’utilitaire PwARCH de la librairie USLPAL. Ayant comme objectif principal l’exploration précoce et rapide, PwARCH fa-

1’.3 Aperçu de la thèse cilite chaque étape tout au long du flot de cette méthodologie. En particulier, PwARCH permet une spécification de conception de faible consommation semblable à celle de l’UPF où les changements d’état d’énergie du système sont effectués via des appels aux fonctions spécifiques à la librairie PwARCH.

• Une méthode orientée couche d’énergie pour l’application de USLPAM L’ensemble des points de gestion de consommation obtenus avec une plateforme virtuelle se basant sur des IPs ouvertes peut être différent pour une même plateforme compor- tant des IPs à code source fermé. Ceci est principalement dû à l’observabilité limitée de changements d’états internes d’une IP à code source fermé. Les principales contraintes de l’application de USLPAM sur ce type de plateformes consistent dans la spécification et la simulation du comportement des mécanismes de rétention de l’état, ainsi que des contrats de contrôle orientés énergie. Une nouvelle méthode qui gère ces contraintes est proposée comme une alternative de la méthode d’instrumentation du code source. Cette méthode est basée sur la superposition des capacités de simulation et de vérification orientées éner- gie au-dessus de chaque bloc fonctionnel à code source fermé. Par la construction de ces couches dédiées consommation d’énergie, une séparation d’aspects est effectuée sembla- blement à UPF. L’utilisation de l’utilitaire PAL fourni par la bibliothèque USLPAL aide à personnaliser le comportement requis de chaque couche.

• Séparation des communications orientées consommation de celles fonction- nelles dans le modèle TLM

L’ajout de fonctionnalités orientées énergie à une plateforme de simulation fonctionnelle existante modélisée en TLM est le point de départ pour notre méthodologie de USL- PAM. Pour cela, les deux méthodes (celle en boîte blanche et celle en boîte noire) doivent adopter la séparation des aspects définie par les normes existants. Cependant, les commu- nications orientées énergie y compris les messages pour le contrôle des états des domaines dalimentation dépendent encore de deux facteurs : l’infrastructure pour une faible consom- mation spécifiée et l’architecture de gestion de l’alimentation et la stratégie utilisée. Du moment ou une adaptation de la structure de gestion d’énergie est nécessaire quand de ces facteurs change, une telle dépendance rétrécit l’exploration de solutions de gestion de consommation. En outre, contrairement aux communications fonctionnelles basées sur les transactions en lecture et écriture dans/de la mémoire, les communications orientées énergie ont besoin de sémantiques supplémentaires et de mécanismes synchronisation. Ces communications se produisent également entre les domaines d’alimentation qui sont

CHAPITRE 1’. INTRODUCTION (IN FRENCH)

plutôt des groupes de composants fonctionnels ayant des caractéristiques communes de consommation d’énergie.

Une contribution de ce travail est une nouvelle technique de modélisation qui sépare les communications orientée énergie de celles fonctionnelles. Au coeur de cette technique de modélisation réside la spécification d’une nouvelle interface de protocole de gestion d’énergie qui unifie les communications entre les domaines d’alimentation indépendam- ment de l’architecture et de la stratégie de gestion utilisées. Les caractéristiques générique de base de cette interface, appelée PDMgIF, représentent la partie utilitaire USLPACom de la librairie USLPAL.

Afin de réduire la complexité de la modélisation et de la vérification engendrée par l’utilisation d’une unité unique de gestion de domaine d’énergie centralisée, l’interface PDMgIF peut être utilisée pour construire une architecture hiérarchique des unités de gestion de domaines d’alimentation. Dans le cas général, une telle structure représente une bonne solution pour réduire la complexité de la modélisation et de la vérification induite par une structure unique et centralisée de gestion des domaines d’alimentation. Néanmoins, un contrôle de domaines d’alimentation hiérarchique nécessite une manipu- lation soigneuse des interactions entre les unités locales de gestion d’énergie et celles globales, ainsi des dépendances entre eux. Dans ce contexte, nous discutons l’évolutivité et la modularité de l’interface PDMgIF dans le cas complexe de gestion hiérarchique de domaines d’alimentation.

Toutes les techniques de modélisation proposées dans ce document ont été validées sur des plateformes fonctionnelles modélisées au niveau transaction- nel.

1’.3.2

Sommaire

Chapitre 2 commence par une présentation des différents défis en matière de modélisa- tion de haut niveau orientée faible consommation d’énergie pour les SoCs. Tout au long de ce chapitre, nous présentons une étude sur les techniques de gestion d’énergie et la modé- lisation au niveau transactionnel, ainsi qu’une bibliographie sur la modélisation d’énergie au niveau système ou "ESL" et l"’utilisation des standards de conception à faible consom- mation d’énergie.

1’.3 Aperçu de la thèse

Chapitre 3 s’adresse au besoin d’un environnement commun pour la conception et vé- rification orientée consommation d’énergie au niveau transactionnel et expose les soucis liés à ce genre de modélisation au niveau TLM. Les objectifs, les caractéristiques clés et la composition de notre environnement "USLPAF" pour la la modélisation au niveau TLM de SoCs à faible consommation sont ensuite introduits.

Chapitre 4 présente le flot et les exigences de la méthodologie "USLPAM". Il détaille également le processus de vérification basé sur les contrats et donne des exemples de contrats impliqués dans ce processus de test.

Chapitre 5 aborde le problème de la simulation des états de rétention au niveau tran- sactionnel et explique la méthode proposée pour identifier les points de gestion d’énergie (PMP) basée sur le comportement d’un modèle TLM. Il souligne également l’utilité de ces PMPs pour identifier les emplacements dans le code fonctionnel SystemC/TLM où les contrats d’énergie doivent être ajoutés.

Chapitre 6 couvre les principales utilités de la librairie "USLPAL" utilisés pour faciliter la mise en oeuvre de la méthodologie "USLPAM" sur les différents types de prototypes virtuels au niveau TL. Premièrement, il présente la méthode d’instrumentation du code source ciblant l’application de la méthodologie "USLPAM" sur une IP de type boîte blanche. Il explique les principales caractéristiques de l’utilitaire "PwARCH" fourni par la librairie "USLPAL" pour faciliter l’implémentation de cette méthode.

Deuxièmement, il présente la méthode à base de "Wrapper" proposée pour l"’application de la méthodologie USLPAM sur une IP fermée ou en boîte noire. Il explique les princi- pales fonctionnalités de l’utilitaire "PAL" fourni par la librairie "USLPAL" en détaillant ses principaux services.

Il aussi souligne la nécessité d’une interface adaptative de protocole de gestion des domaines d’alimentation au niveau TLM. Une approche de modélisation qui gère la sé- paration des communications fonctionnelles et d’énergie est présentée avec une nouvelle spécification d’interface de protocole PDMgIF. Ce chapitre explique également la métho- dologie utilisée pour modéliser l’interface de protocole PDMgIF au niveau transactionnel et discute la gestion hiérarchique des domaines d’alimentation.

Enfin,le chapitre 7 conclut cette thèse et identifie des directions pour des travaux futurs.

Chapter 1

Introduction

1.1 Problem Statement . . . 15

1.1.1 Power Optimization in Systems-on-Chip . . . 15

1.1.2 Low Power Abstraction . . . 18

1.2 Thesis . . . 21

1.3 Overview of Thesis. . . 23

1.3.1 Contributions . . . 23