Principles and implementation of a generic synchronization interface between SystemC AMS

231 Pages·2017·3.14 MB·English

Principles and implementation of a generic
synchronization interface between SystemC AMS
models of computation for the virtual prototyping of
multi-disciplinary systems
Liliana Lilibeth Andrade Porras
To cite this version:
Liliana Lilibeth Andrade Porras. Principles and implementation of a generic synchronization inter-
face between SystemC AMS models of computation for the virtual prototyping of multi-disciplinary
systems. Embedded Systems. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2016. English. ￿NNT:
2016PA066003￿. ￿tel-01344527￿
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THÈSE DE DOCTORAT DE
L’UNIVERSITÉ PIERRE ET MARIE CURIE
Spécialité
Informatique
ÉcoledoctoraleInformatique,TélécommunicationsetÉlectronique(Paris)
Présentéepar
Liliana Lilibeth ANDRADE PORRAS
Pourobtenirlegradede
DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ PIERRE ET MARIE CURIE
Sujetdelathèse
Principes et réalisation d’une interface de synchronisation
interopérable entre modèles de calcul SystemC AMS pour le
prototypage virtuel optimisé de systèmes multi-disciplines
soutenuele12janvier2016devantlejurycomposéde:
M.IanO’CONNOR Rapporteur ÉcoleCentraledeLyon,France.
M.ChristophGRIMM Rapporteur TUKaiserslautern,Allemagne.
Mme.NoëlleLEWIS Examinatrice UniversitédeBordeaux1,France.
M.DanielSAIAS Examinateur ASYGN,France.
Mme.AlixMUNIER Examinatrice UniversitéPierreetMarieCurie,France.
M.FrançoisPÊCHEUX Directeur UniversitéPierreetMarieCurie,France.
Mme.Marie-MinerveLOUËRAT Co-directrice UniversitéPierreetMarieCurie,France.
M.AlainVACHOUX Invité ÉcolePolytechniqueFédéraledeLausanne,Suisse.

Résumé
Laconceptiondesystèmesembarquésdevientdeplusenpluscomplexe.Cessystèmessonthétérogènes
danslesensoùilsnécessitentl’intégrationdecomposantsdécritsaumoyendeplusieursdisciplines
scientifiques,parexemple,l’électricité,l’optique,lathermique,lamécanique,lachimieoulabiologie.
Deplus,cesdisciplinespeuventêtrereprésentéesdansdesdomainestemporelsdifférents,parexem-
ple,ledomainedesévénementsdiscrets,celuidutempsdiscret,ouceluidutempscontinu.Faceà
cettesituation,lesconcepteursontbesoind’outilsdemodélisationetdesimulationefficacespour
décrirelecomportementd’unsystèmehétérogènedansunenvironnementdesimulationunique.
Nousexaminonslapossibilitédemodéliser,desimuleretdesynchroniserlessystèmesmulti-
disciplines dans le même environnement, en utilisant comme référence la norme de simulation
«SystemCAnalog/Mixed-Signal(AMS)». NousanalysonslaméthodeintroduiteparSystemCAMS
poursynchroniserledomainedesévénementsdiscretsavecceluidutempsdiscret,etnousidentifions
sesinconvénients.Nousproposonsuneformalisationduproblèmedesynchronisationquipermetde
détecterlesproblèmesexistantsdansunmodèleavantlasimulation.
Nousproposonsunprototypedesimulateurappelé«SystemCMulti-DisciplinaryVirtualProto-
typing(MDVP)»,quiestimplémentécommeuneextensiondeSystemC.Ilpermetlamodélisation,
l’élaboration, et la simulation hiérarchique de systèmes multi-disciplines au moyen de plusieurs
modèlesdecalcul.PourconcevoirlesimulateurMDVP,nousintroduisonsunnouveauprincipede
synchronisationentreplusieursmodèlesdecalcul.
Enoutre,nousintroduisonsuneméthodologiepourajouter,dansleprototypedesimulateur,des
modèlesdecalculreprésentésparplusieursdomainestemporels.Nousappliquonscetteméthodologie
pourajouterunmodèledecalcul«TimedDataFlow(TDF)»dansSystemCMDVP.Cemodèledecalcul
reposesurlasémantiquedutempsdiscretintroduiteparSystemCAMS,etsurlaformalisationdu
principedesynchronisationentreledomainedesévénementsdiscretsetceluidutempsdiscret.
NousmettonsenœuvrelemodèledecalculTDF,danslecasd’uncapteurdevibrationsetson
circuitnumérique.Cemodèlecomporteuneboucled’asservissementetplusieursinteractionsentrele
domainedesévénementsdiscretsetceluidutempsdiscret.

Abstract
Thedesignofembeddedsystemsiscurrentlyanincreasinglycomplexproblem.Thesesystemstend
tobecomeheterogeneousinthesensethattheyrequiretheintegrationofcomponentsdescribed
bymeansofdifferentphysical/engineeringdisciplines,forexample,electrical,optical,thermal,me-
chanical,chemical,orbiological. Besides,thesedisciplinescanbedescribedunderdifferenttime
domains,forexample,DiscreteEvent(DE),DiscreteTime(DT),orContinuousTime(CT).Toaddress
thisproblem,designersrequiremodelingandsimulationtoolstodescribethesystem’scomponents
underdifferenttimedomainsandsynchronizetheminthesamesimulationenvironment.
Weexplorethepossibilitiesofmodeling,simulatingandsynchronizingmulti-disciplinarysystems
inthesameenvironment,usingasreferencetheSystemCAnalog/Mixed-Signal(AMS)simulationstan-
dard.WeanalyzethemethodintroducedinSystemCAMSforsynchronizingtheDEandDTdomains,
andweidentifyitsdrawbacks. Besides, weintroduceanewformalizationofthesynchronization
problem,whichisusedtodetectissuesinamodelbeforesimulation.
WeproposeasimulatorprototypecalledSystemCMulti-DisciplinaryVirtualPrototyping(MDVP),
whichisimplementedasanextensionofSystemC.Itallowsthemodeling,andthegenerichierarchical
elaborationandsimulationofmulti-disciplinarysystems,bymeansofdifferentModelsofCompu-
tation(MoCs). TobuildtheMDVPsimulator, weintroduceasynchronizationprincipletohandle
interactionsbetweenMoCs.
Inaddition,weintroduceamethodologytoadd,inthesimulatorprototype,MoCsdescribedunder
differenttimedomains.WeapplythismethodologytoaddaTimedDataFlowMoCinSystemCMDVP.
ThisMoCimplementstheDTsemanticsintroducedbytheSystemCAMSstandard,andisbasedon
thesynchronizationprinciplebetweentheDEandDTdomains.
UsingtheTDFMoC,weimplementandsimulateacasestudyofavibrationsensormodelandits
digitalfrontendcircuit. Thiscasestudyincludesafeedbackloopandseveralinteractionsbetween
theDEandDTdomains.

Acknowledgements
Thisthesisrepresentsnotonlytheresultofthreeyearsofmywork,butalsotheeffortofseveralpeople,
whoIwishtothank.Iwouldliketoexpressmydeepestgratitudetomyadvisor,Dr.FrançoisPêcheux,
professoratLIP6laboratory,forgivingmetheopportunitytoworkinthisinterestingresearchsubject,
andalsoforhisguidanceandsupport.Iwouldalsoliketothankmyco-advisor,Dr.Marie-Minerve
Louërat,CNRSresearchdirectorandchiefoftheSoCdepartmentatLIP6laboratory,forhervaluable
andconstructivesuggestionsduringthewritingofthismanuscript.Iamdeeplygratefulforhertime
andsupportallalongtheselastthreeyears.
IwouldliketothankDr.TorstenMähneforhissupervision,hisvaluablehelpandadvices.Iam
gratefultohimforthelongdiscussionsthathelpedmetoachievethisthesiswork. Iwouldliketo
extendmygratitudetoDr.AlainVachouxforhissuggestionsandtheinterestshownbymyresearch
work.
Iwouldliketothankthemembersofmythesiscommittee.IamthankfultoProf.IanO’Connorand
Prof.ChristophGrimm,forreadingandevaluatingmyresearchwork.IamalsothankfultoProf.Noëlle
Lewis,Mr.DanielSaias,Prof.AlixMunierandProf.AlainVachoux,fortheirquestions,commentsand
suggestions.
IwouldliketoaddressspecialthankstoDr.AlainGreiner,professoratLIP6laboratory,andto
Dr.GerardPaezMonzón,professorattheUniversityoftheAndes(Venezuela)foropeningmethedoor
oftheLIP6andforgivingmetheopportunitytocomeinFrance.
IwouldliketothankmycolleaguesatLIP6laboratory,BenoîtV.,VanessaT.,ZhiW.,QuentinM.,
ClémentD.,HaoL.,LaurentL.,AlexandreB.,andJean-BaptisteB.,fortheirsupportandtheexcellent
workingatmosphere.IamparticularlygratefultoCédricBenAoun,forhisfriendshipandthedaily
discussionsaboutworkandlife.
Finally,Iwouldliketoexpressmydeepandsinceregratitudetomyparentsandsisters,fortheir
continuouslove,guidance,supportandencouragement. Iwouldalsoliketothankmyboyfriend,
César,forhislove,care,helpandpatienceduringalltheseyears.

Contents
List of Figures XIII
List of Tables XVII
1. Introduction 1
1.1 Context . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 ObjectivesandResearchContributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 ThesisOrganization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2. Motivation and Problem Definition 7
2.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2 SystemC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2.1 CoreLanguageElements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2.2 DiscreteEvent(DE)SimulationKernel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3 SystemCAnalog/Mixed-Signal(AMS)Extensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.3.1 SystemCAMSLanguageStandardArchitecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.3.2 TimedDataFlow(TDF)ModelofComputation(MoC)inSystemC-AMS . . . . . 15
2.4 ProblemStatement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.5 ConclusionandOutlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3. State of the Art 21
3.1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.2 FrameworksBasedonMetamodelsandHigh-LevelProgrammingLanguages . . . . . . 23
3.2.1 Metropolis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.2.2 MetroII . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.2.3 PtolemyII . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.2.4 PreliminaryConclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.3 FrameworksSpecifiedUsingSystemC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.3.1 HetSC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.3.2 HetMoC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.3.3 ForSyDe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38