Étude et optimisation de l'interaction processeurs-architectures reconfigurables dynamiquement

169 Pages·2016·3.17 MB·French

by  Ben Abdallah Faten

´
Etude et optimisation de l’interaction
processeurs-architectures reconfigurables
dynamiquement
Ben Abdallah Faten
To cite this version:
´
Ben Abdallah Faten. Etude et optimisation de l’interaction processeurs-architectures reconfig-
urables dynamiquement. Micro et nanotechnologies/Micro´electronique. Universit´e Rennes 1,
2009. Fran¸cais. <tel-00438608>
HAL Id: tel-00438608
https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00438608
Submitted on 4 Dec 2009
HAL is a multi-disciplinary open access L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est
archive for the deposit and dissemination of sci- destin´ee au d´epˆot et `a la diffusion de documents
entific research documents, whether they are pub- scientifiques de niveau recherche, publi´es ou non,
lished or not. The documents may come from ´emanant des ´etablissements d’enseignement et de
teaching and research institutions in France or recherche fran¸cais ou ´etrangers, des laboratoires
abroad, or from public or private research centers. publics ou priv´es.
N◦ d’ordre : 3539
TH¨SE
prØsentØe
DEVANT L’UNIVERSIT(cid:201) DE RENNES 1
pour obtenir
DOCTEUR DE L’UNIVERSIT(cid:201) DE RENNES 1
le grade de:
Traitement du Signal et TØlØcommunications
Mention :
par
Faten BEN ABDALLAH MANAI
(cid:201)quipe
Institut de Recherche en Informatique et SystŁmes AlØatoires - CAIRN
d’accueil :
(cid:201)cole MathØmatiques, TØlØcommunications, Informatique,
Doctorale: Signal, SystŁmes et (cid:201)lectronique
Composante
(cid:201)cole Nationale SupØrieure de Sciences AppliquØes et de Technologie
Universitaire:
(cid:201)tude et optimisation de l’interaction
processeurs-architectures reconfigurables
dynamiquement
Soutenue LE 20 octobre 2009 devant la commission d’Examen
COMPOSITION DU JURY:
PrØsident du Jury :
Guy GOGNIAT Professeur des UniversitØs UniversitØ de Bretagne Sud
Rapporteurs :
Michel PAINDAVOINE Professeur des UniversitØs UniversitØ de Bourgogne
Ridha BOUALLEGUE Professeur des UniversitØs UniversitØ du 7 novembre Carthage
Examinateurs :
SØbastien PILLEMENT Maitre de ConfØrences UniversitØ de Rennes 1
Olivier SENTIEYS Professeur des UniversitØs UniversitØ de Rennes 1
Ammar BOUALLEGUE Professeur des UniversitØs UniversitØ de Tunis ElManar

Remerciements
C’est avec mon enthousiasme le plus vif et le plus sincŁre que je voudrais rendre hom-
mage (cid:224) tous ceux qui, (cid:224) leurs maniŁres, m’ont aidØ (cid:224) mener (cid:224) bien cette thŁse.
Je tiens tout d’abord (cid:224) remercier mon directeur de thŁse M. Olivier SENTIEYS, pro-
fesseur (cid:224) l’UniversitØ de Rennes 1, pour m’avoir accueilli au sein de son Øquipe de
recherche et pour m’avoir fait dØcouvrir et partager ses visions scienti(cid:28)ques. Je tiens
(cid:224) le remercier vivement pour sa sympathie, sa comprØhension et le temps qu’il m’a
consacrØ malgrØ ses charges nombreuses.
MesremerciementsvontØgalement(cid:224)mondirecteurdethŁseM.AmmarBOUALLEGUE,
professeur (cid:224) l’UniversitØ de Tunis El Manar, pour avoir acceptØ de me diriger et pour
tous les conseils avisØs qu’il m’a prodiguØs. Outre ses qualitØs scienti(cid:28)ques, j’ai beau-
coup apprØciØ sa gØnØrositØ et sa gentillesse hors pair.
Je tiens (cid:224) exprimer ma profonde reconnaissance (cid:224) M. SØbastien PILLEMENT, maitre
de confØrences (cid:224) l’UniversitØ de Rennes 1, pour son encadrement prØcieux, ses encou-
ragements et ses coups de booster qui ont favorisØ le dØveloppement de cette thŁse. Je
le remercie sincŁrement pour sa disponibilitØ et son suivi attentif de mes travaux, pour
son esprit critique et pour sa convivialitØ.
Ma reconnaissance va aux membres du Jury pour avoir rØpondu volontiers et chaleu-
reusement prØsents et pour m’avoir fait l’honneur de participer (cid:224) ma soutenance. Un
merci particulier s’adresse (cid:224) Monsieur Guy GOGNIAT, d’avoir acceptØ la prØsidence
du jury. Sa participation est, pour moi, un honneur.
Je suis reconnaissante envers notamment Messieurs Michel PAINDAVOINE et Ridha
BOUALLEGUE pour le temps qu’ils ont consacrØ (cid:224) rapporter mes travaux et les dif-
fØrentes remarques et suggestions qu’ils ont faites.
Mes remerciements chaleureux vont aussi (cid:224) toutes les personnes avec qui j’ai ØtØ ame-
nØe (cid:224) discuter et (cid:224) valider mes travaux de recherche et plus particuliŁrement, aux
membres du groupe de travail CAIRN au sein de l’ENSSAT.
Une pensØe particuliŁre s’adresse (cid:224) tous les amis qui ont contribuØ, de prŁs ou de loin,
(cid:224) rendre mes sØjours plus agrØables et enrichissants ainsi que tout le personnel de
l’ENSSAT et de l’ENIT pour le suivi pØdagogique de ma thŁse.
J’adresse toute mon a(cid:27)ection (cid:224) ma famille pour son amour, sa tendresse et ses encoura-
gementsdepuisdenombreusesannØes.J’aiunepensØetrŁstendreettrŁsreconnaissante
(cid:224) l’Øgard de mes parents pour leur apport quotidien (cid:224) la rØalisation de ce travail. Ils
m’ont toujours donnØ l’espoir d’aller de l’avant.
Le dernier et non le moindre des mercis, je le dØdie (cid:224) mon Øpoux. Nejah les mots
me manquent pour vous remercier. Gr(cid:226)ce (cid:224) vous, je suis non seulement une meilleure
scienti(cid:28)que, mais je me considŁre aussi une meilleure femme.
-iv-
Table des matiŁres
Introduction 1
Contexte de l’Øtude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
ProblØmatique de l’Øtude. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
Contributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
Plan du mØmoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
I Etat de l’art 7
A Paradigme des systŁmes hybrides recon(cid:28)gurables . . . . . . . . . . . . . . . . 8
A.1 Recon(cid:28)guration dynamique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
A.1-1 Recon(cid:28)guration dynamique totale . . . . . . . . . . . . . . . 10
A.1-2 Recon(cid:28)guration dynamique partielle . . . . . . . . . . . . . . 11
A.1-3 MØcanismes d’optimisation de la recon(cid:28)guration dynamique . 13
A.2 GranularitØ de l’architecture recon(cid:28)gurable dynamiquement . . . . . . 15
A.3 CritŁres de performances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
A.3-1 AccØlØration des traitements . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
A.3-2 Consommation d’Ønergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
B IntØgration architecturale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
B.1 UnitØ PØriphØrique Recon(cid:28)gurable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
B.2 UnitØ recon(cid:28)gurable en couplage point-(cid:224)-point . . . . . . . . . . . . . 25
B.3 Coprocesseur recon(cid:28)gurable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
B.4 UnitØ fonctionnelle recon(cid:28)gurable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
C Bilan qualitatif des systŁmes hybrides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
C.1 Outils et mØthodes de dØveloppement . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
C.2 Aspect architectural . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
D SynthŁse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
II ModØlisation des architectures hybrides recon(cid:28)gurables 43
A ModŁles considØrØs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
A.1 ModØlisation de l’application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
A.2 ParamŁtres du modŁle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
A.2-1 ParamŁtres applicatifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
A.2-2 ParamŁtres architecturaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
A.2-3 ParamŁtres algorithmiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
A.3 MØtriques de performances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
A.3-1 AccØlØration apportØe par l’architecture hybride . . . . . . . 49
A.3-2 Taux de rØduction de la puissance dissipØe et e(cid:30)cacitØ Øner-
gØtique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
B ModØlisation de la communication dans une architecture hybride . . . . . . . 52
B.1 Lois de communication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
B.1-1 Latence de communication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
B.1-2 Dissipation de puissance due aux communications . . . . . . 55
B.2 Application des lois de communication aux architectures hybrides re-
con(cid:28)gurables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
B.2-1 UnitØ Fonctionnelle Recon(cid:28)gurable Dynamiquement . . . . . 58
B.2-2 Coprocesseur Recon(cid:28)gurable Dynamiquement . . . . . . . . . 60
B.2-3 PØriphØrique Recon(cid:28)gurable Dynamiquement . . . . . . . . . 62
B.2-4 Couplage Point-(cid:224)-Point Recon(cid:28)gurable Dynamique-ment . . 63
C Validation du modŁle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
D SynthŁse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
IIIMØthodologies d’optimisation des architectures hybrides recon(cid:28)gurables 69
-vi-
A MØthodologie d’AdØquation Algorithme Ar-chitecture Hybride AAAH . . . . 70
A.1 Exemple d’application de la mØthodologie AAAH . . . . . . . . . . . . 71
A.1-1 PrØsentation gØnØrale de WCDMA . . . . . . . . . . . . . . . 71
A.1-2 (cid:201)tude du portage du Rake Receiver dynamique sur une archi-
tecture hybride recon(cid:28)gurable . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
A.2 Impact des paramŁtres applicatifs et algorithmiques sur les perfor-
mances d’une architecture hybride . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
A.2-1 Choix du couplage en fonction des paramŁtres applicatifs . . 75
A.2-2 Choix du couplage en fonction des paramŁtres algorithmiques 80
B MØthodologie d’optimisation de la recon(cid:28)guration dynamique dans une archi-
tecture hybride . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
B.1 Architecture DART . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
B.1-1 PrØsentation GØnØrale de l’architecture . . . . . . . . . . . . 83
B.1-2 Le (cid:29)ot de conception de DART . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
B.2 Formulation de la problØmatique et prØsentation de la mØthodologie . 89
B.3 IntØgration de la mØthodologie dans le (cid:29)ot de compilation d’une archi-
tecture hybride . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
C SynthŁse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
IVValidation 97
A PrØsentation et analyse du systŁme DVB-T/H . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
A.1 SystŁme DVB-T/H . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
A.2 Analyse du dØmodulateur DVB-T/H . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
A.3 Portage du dØmodulateur DVB-T/H sur le cluster DART . . . . . . . 104
A.3-1 Mapping de la phase acquisition sur le cluster DART . . . . 105
A.3-2 Mapping de la phase "tracking" sur le cluster DART . . . . . 109
B Application de la mØthodologie AAAH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
B.1 DØtermination des lois de communication . . . . . . . . . . . . . . . . 115
B.2 DØtermination de l’accØlØration et du taux de rØduction d’Ønergie . . . 117
B.2-1 Application des modŁles de couplage (cid:224) la phase "acquisition" 119
B.2-2 Application des modŁles de couplage (cid:224) la phase "tracking" . 127
C Optimisation de l’implØmentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
-vii-
D RØsultats de l’implØmentation d’un dØmodulateur DVB-T/H multi-mode . . . 133
E SynthŁse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
Conclusions et perspectives 139
SynthŁse des travaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
Perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
Bibliographie 143
Glossaire 155
-viii-
Introduction
Contexte de l’Øtude
L’Øvolution des rØseaux de tØlØcommunications a permis, gr(cid:226)ce (cid:224) d’importants dØbits,
l’apparition de nouveaux services orientØs Traitement Du Signal et des Images (TDSI).
Ces applications sont essentiellement orientØes vers le traitement de (cid:29)ots de donnØes
et ont vu leurs besoins (notamment en termes de puissance de calcul) suivre une pro-
gression trŁs importante, impliquant un volume important d’opØrations arithmØtiques
(cid:224) rØaliser en temps rØel.
Conjointement (cid:224) l’Øvolution des normes de tØlØcommunications, les concepteurs de
circuits intØgrØs ont vu les capacitØs d’intØgration des circuits augmenter de fa(cid:231)on
considØrable leur o(cid:27)rant alors des possibilitØs d’implØmentation de systŁme complet
sur une puce SOC pour (System On Chip). Le systŁme sur puce est une solution tech-
nologique dØdiØe (cid:224) l’intØgration sur un mŒme substrat de silicium d’un ensemble de
composants de natures hØtØrogŁnes.
Un exemple de SoC hØtØrogŁne est prØsentØ sur la (cid:28)gure 0-1 oø chaque macro-bloc rØa-
lise une fonction spØci(cid:28)que. GØnØralement, le microprocesseur est chargØ de la gestion
des di(cid:27)Ørentes t(cid:226)ches de l’application, le DSP (Digital Signal processor) est respon-
sable de dØcharger le microprocesseur en assurant le traitement des motifs de calculs
liØs aux traitements du signal. Les composants spØci(cid:28)ques ASIC (Application Speci(cid:28)c
Integrated Circuits), intØgrant des IP (Intellectual Property), sont mis en (cid:247)uvre pour
traiter e(cid:30)cacement les fonctions critiques (chronophages). En(cid:28)n, les composants re-