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Élaboration d'une méthodologie de conception des systèmes embarqués basée sur la transformation du modèle fonctionnel de haut niveau vers le prototype virtuel

Benyoussef, Maryem (2014). Élaboration d'une méthodologie de conception des systèmes embarqués basée sur la transformation du modèle fonctionnel de haut niveau vers le prototype virtuel. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

La croissance rapide des progrès technologiques combinée aux demandes exigeantes de l’industrie entraîne une augmentation de la complexité des systèmes embarqués. Cette complexité impose plusieurs contraintes et critères à respecter pour produire des systèmes compétitifs et robustes. Aussi, les méthodologies de conception ont grandement évolué au cours des dernières années pour encadrer le développement de ces systèmes complexes et assurer leur conformité aux requis initiaux.

C’est ainsi que de nouvelles approches basées sur des modèles sont apparues, pour pallier à ces difficultés et maîtriser le niveau de complexité. Mais souvent ces approches basées sur des modèles traitent les aspects fonctionnels et logiciels du système sans prendre en considération les aspects d’exécution sur de réelles plateformes matérielles.

Les travaux développés dans le cadre de ce projet de recherche visent à mettre en oeuvre une nouvelle méthodologie de conception des systèmes embarqués. Cette méthodologie permet d’établir un lien entre le niveau fonctionnel des modèles et la plateforme d’exécution matérielle de l’application en question. L’approche développée est basée sur l’utilisation du langage de modélisation AADL pour décrire le comportement logiciel du système embarqué à un haut niveau d’abstraction. Ensuite, une chaîne de transformation automatique convertit le modèle AADL vers un modèle SystemC. Finalement, l’environnement Space Studio est utilisé pour construire un prototype virtuel de la plateforme. Cet environnement permet l’exécution des aspects fonctionnels du système sur des ressources matérielles. Les performances du système peuvent ainsi être validées et raffinées en se basant sur une exploration architecturale de la plateforme matérielle.

Une application d’imagerie a été exploitée en tant qu’étude de cas pour expérimenter ce flot. Il s’agit d’une application de décodage vidéo MJPEG (Motion JPEG). Durant l’expérimentation, un modèle AADL de l’application MJPEG a été développé décrivant son comportement fonctionnel. Ensuite, la chaîne de transformation utilisée traduit automatiquement le modèle AADL en un modèle SystemC. Le modèle SystemC a servi comme élément de base représentant l’aspect logiciel dans l’environnement de prototypage virtuel et de conception conjointe Space Studio. L’outil Space Studio s’est montré utile en permettant la création rapide d’un prototype de plateforme matérielle d’exécution, le partitionnement des fonctions logicielles sur des ressources matérielles et la validation et raffinement des performances du système. Les résultats d’expérimentation obtenus furent concluants. La vitesse d’exécution a été visiblement augmentée et le temps pris pour achever la simulation du système a été réduit de 81.86%. En ce qui concerne le taux d’occupation du processeur quant à lui a considérablement diminué, ce qui pourra ainsi diminuer le taux de puissance consommée par les ressources matérielles. Ainsi le traitement de données par unité de temps s’est amélioré 12 fois de plus après le raffinement porté sur l’assignement des fonctions logicielles sur la plateforme matérielle.

Dans le cadre de ce projet, un article scientifique a été publié (Benyoussef et al., Février 2014) à la conférence ERTS 2014 (Embedded Real Time Software and Systems). Ce travail présente le contexte et la problématique liée aux méthodologies basées sur des modèles, la nouvelle approche de modélisation développée ainsi qu’une preuve de concept avec une application de décodage MJPEG.

Titre traduit

Implementation of a new embeddeds systems design approach based on transformation of a functionnal high level model into virtual prototype

Résumé traduit

The complexity of embedded systems continues to rise rapidly due to technological advances and industrial demand for electronics powerful enough to implement increasingly sophisticated software applications. High-quality designs are becoming increasingly necessary in order to meet the demand for embedded systems that are competitive in terms of reliability, safety and robustness.

In order to meet the challenge of improving embedded system design and managing the increasing complexity, engineers are turning to model-based engineering. But often validation of traditional model-based design generally considers functional and timing requirements only, and ignores target platform execution constraints.

In this paper a new modeling framework is proposed. It aims to simplify the design process by offering a trade-off between design abstraction and accuracy of results through performance analysis. High and low levels of abstraction are thus bridged in the same design flow so that architectural exploration and refinement can be performed at different levels. The proposed approach combine the advantages of model-based engineering méthodologies using the AADL language and virtual prototyping based on virtual platform environments Space Studio. Our methodology uses a tool chain transformation to bridge the gap between high-level models and the virtual execution platform to allow more accurate design space exploration.

The modeling language AADL is used to describe the system behavior of the Embedded software at a high abstraction level, while the virtual platform environment is used to execute software system tasks on hardware resources, and allow performances validation and refinement based on an architectural exploration of the hardware platform. The proposed framework is validated using an MJPEG video decoder application. Experimental results show how virtual prototyping allows the system architect to fine-tune performances. Many candidate architectures have been explored to find the better solution. So the execution speed has been visibly increased and the time taken to complete the simulation of the system was reduced by 81.86 %. Moreover the processor utilization rate has decreased significantly, which may thus reduce the rate of power consumption by the hardware resources. Finally system performance has improved in term of processing speed 12 times comparing to initial candidate architecture.

Within the framework of this project a paper was published for ERTS 2014 conference (Benyoussef et al., Février 2014) This work presents the research context and model based design problematic, the modeling methodology developed and also our experiment with an MJPEG video decoder application.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise en génie électrique." Comprend des références bibliographiques.
Mots-clés libres: Systèmes enfouis (Informatique) Conception. Ordinateurs Architecture. Logiciels Modèles de conception. AADL (Informatique) prototype, virtuel, ingénierie basée sur des modèles, SystemC, transformation, prototypage virtuel, exploration architecturale
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de thèse
Boland, Jean-François
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de thèse
Nicolescu, Gabriela
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie électrique
Date de dépôt: 21 déc. 2015 21:20
Dernière modification: 21 déc. 2015 21:20
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1581

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