Using scripting languages for hardware/software co-design

Abstract

Embedded System on Chips (SoCs) nowadays include at least one programmable processor Intellectual Property (IP) core and several other hardware blocks, attached as custom co-processors or peripheral units to the processor's main data and control bus. Such a complex architecture can take advantage of the reconfigurable, fast parallel processing and low power consumption features of modern FPGA devices. These unique features are limited by the lack of tools for hw/sw co-design and rapid system prototypingof embedded multi-processor SoCs.In this thesis we present a new methodology targeting the hw/sw co-design of multiprocessor embedded SoCs that has been developed by using the strengths of the popular Python scripting language. We exploit the features of Python to boost the productivity of processor-centric SoC designs for Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) implementation. In more details we developed methods to: (a) support hardware descriptions using Python syntax and automatically generate synthesizable VHDL code. (b) Support Python descriptions for simulating the behavior of an embedded SoC in algorithmic/functional level or using Register Transfer Level (RTL) descriptions and generate digital simulation plots in a bit-true and cycle-accurate manner. (c) Support the use of C software development tools for the programming of the processor core and (d) automatically generate scripts (Tcl) to integrate with FPGA implementation tools and ease synthesis and physical implementation steps. Three complex SoC's have been designed and implemented in FPGA devices and used as design cases to demonstrate and assess the new co-design and co-simulation features along with the supported design flow. All three designs use a processor IP core as the main programmable system controlleralong with custom hardware units designed for: a) image processing, b) audio processing and c) stochastic simulation of biochemical reaction networks. Each multi-processor SoC design follows the progress that we had in the development of our methodology and highlights certain features of the tool.We believe that with our methodology, developed using Python, we cover the lack of existence of mature tools targeting the hw/sw co-design and prototyping of FPGA based embedded SoCs.

Τα Ενσωματωμένα Συστήματα σε Ψηφίδα υλικού (embedded Systems on Chip - SoC) περιέχουν τουλάχιστον έναν προγραμματιζόμενο επεξεργαστή αλλά και διάφορες μονάδες (IP cores) που διασυνδέονται στους διαύλους ελέγχου και δεδομένων του ως περιφερειακά ή συνεπεξεργαστές ειδικού σκοπού. Ένας τέτοιος τύπος σύνθετης ψηφιακής αρχιτεκτονικής μπορεί να αξιοποιήσει τις δυνατότητες επαναπρογραμματισμού (reconfiguration) των μονάδων FPGA για να επιτύχει υψηλές επιδόσεις και χαμηλή κατανάλωση ενέργειας. Τις προοπτικές αυτές όμως περιορίζει η έλλειψη εργαλείων συσχεδίασης υλικού/λογισμικού για τη γρήγορη πρωτοτυποποίηση(rapidprototyping)ενσωματωμένων πολυεπεξεργαστικών SoCs.Στην παρούσα διδακτορική διατριβή παρουσιάζουμε μεθοδολογία συσχεδίασης υλικού/λογισμικού για ενσωματωμένα πολυεπεξεργαστικά SoCsπου υλοποιείται με τη χρήση της δημοφιλούς scripting γλώσσας προγραμματισμού Python. Αναδεικνύουμε εκείνα τα χαρακτηριστικά της γλώσσας Pythonπου διευκολύνουν τη σχεδίαση ενσωματωμένων SoC με προγραμματιζόμενο επεξεργαστή (processor-centric) και την υλοποίηση τους σε μονάδες FPGA. Συγκεκριμένα αναπτύξαμε μεθόδους για: (α) υποστήριξη περιγραφών στοιχείων υλικού σε Python και αυτόματη μετατροπή τους σε VHDL, (β) χρήση περιγραφών Python για την προσομοίωση ενσωματωμένου συστήματος τόσο σε αλγοριθμικό επίπεδο λειτουργικότητας όσο και σε επίπεδο αρχιτεκτονικής RTL (Register Transfer level) και αυτόματη παραγωγή αρχείων ψηφιακών κυματομορφών με τα αποτελέσματα της ακριβούς προσομοίωσης (cycle-accurate και bit-true) του συστήματος. (γ) Υποστήριξη των απαραίτητων λειτουργιών για τον προγραμματισμό του επεξεργαστή σε γλώσσα C και (δ) παραγωγή αρχείων script (Tcl)για την εύκολη συνεργασία με υπάρχοντα εργαλεία λογικής σύνθεσης για τη φυσική υλοποίηση του συστήματος σε FPGA. Για τον έλεγχο των δυνατοτήτων της μεθοδολογίαςσχεδιάσαμε και υλοποιήσαμε με τη χρήση του SysPy τρία ενσωματωμένα πολυεπεξεργαστικά SoCs, τα οποία αναδεικνύουν τις νέες δυνατότητες συσχεδίασης και προσομοίωσης. Και τα τρία αυτά SoCsχρησιμοποιούν πυρήνα μικροεπεξεργαστή ως κύριο ελεγκτή του συστήματος αλλά και ειδικές μονάδες υλικού που σχεδιάστηκαν για την: α) επεξεργασία εικόνων, β) επεξεργασία αρχείων ήχου και γ) στοχαστική προσομοίωση βιολογικών δικτύων. Η διαδικασία υλοποίησης των τριώνπολυεπεξεργαστικών SoCs έγινε στα πλαίσια της εξέλιξης και βελτιστοποίησης του ίδιου του εργαλείου, ενώ κάθε σχέδιο χρησιμοποιεί και αναδεικνύει συγκεκριμένα του χαρακτηριστικά.Πιστεύουμε ότι η μεθοδολογία σχεδίασης που αναπτύχθηκε με χρήση της Python συνεισφέρει σημαντικά προς την κατεύθυνση της συσχεδίασης υλικού/λογισμικού και πρωτοτυποποίησης για ενσωματωμένα συστήματα σε ψηφίδα υλικού, τομέα όπου σήμερα δεν υπάρχουν ώριμα διαθέσιμα εργαλεία.