Redes-em-chip para sistemas embarcados visando a otimização de medidas de qualidade de serviço para aplicações de tempo real

Abstract

O avanço da tecnologia, com a possibilidade de inclusão de um número cada vez maior de transistores em uma única pastilha de silício, tem permitido integração de diversos blocos, formando sistemas completos em um único chip. Esses sistemas em chip possuem uma maior capacidade, mas também uma maior complexidade de projeto. Um dos aspectos a ser resolvido no projeto é que infra-estrutura de comunicação será utilizada na interconexão dos diversos blocos do sistema. Nos últimos anos, as propostas têm apontado para a utilização de redes em chip (NoC – do inglês, Network on Chip) para solucionar este problema de comunicação. Essas redes possuem capacidade de reuso de componentes, escalabilidade, paralelismo, embora apresentem maiores custos e latência que outras soluções. Entretanto, a latência pode ser atenuada, em alguns casos, através de ajustes na configuração da rede, tais como: topologia, arbitragem, mecanismos de controle de fluxo, política de roteamento, tamanho dos buffers. Por outro lado, os sistemas embarcados apresentam, geralmente, requisitos cada vez mais rígidos em relação à qualidade de serviço (QoS – do inglês, Quality of Service) e a restrições temporais. Dessa forma, esses requisitos temporais e de QoS aumentam ainda mais a complexidade do projeto de sistemas embarcados. Em virtude desse aumento da complexidade, o ideal é que a exploração do espaço de projeto seja feita no nível de abstração mais alto possível. Com isso, espera-se manter o tempo de projeto dentro dos níveis adequados, além de permitir uma exploração de espaço de projeto mais ampla e rápida. Nessa exploração, a configuração da rede têm impacto direto sobre os requisitos temporais e de QoS. Esta tese situa-se no contexto de investigar a influência da estrutura de comunicação no atendimento aos requisitos de QoS das aplicações de tempo real. Frente aos requisitos dessas aplicações, especificamente em relação ao atendimento dos deadlines das tarefas e a latência das comunicações, este trabalho apresenta mecanismos de ajustes no planejamento e configuração da NoC em sistemas embarcados, objetivando a garantia desses requisitos. As estratégias utilizadas nos ajustes das características da NoC objetivam permitir o uso mínimo de recursos para atender os requisitos das aplicações de tempo real, dentro das exigências de QoS. Os resultados apresentados comprovam que o ajuste correto nos parâmetros da estrutura de comunicação tem impacto direto no desempenho do sistema, especificamente em relação ao atendimento dos deadlines das mensagens e na redução da latência das comunicações.

With the technology advancing, a huge number of transistors can be included in a single chip. As a consequence, it is possible to integrate many blocks to build a complete system on a chip (SoC). These SoCs have more capacity, but their designs are more complex. One of the problems to solve is the design of the communication infrastructure to interconnect the systems blocks. In the last years, the utilization of networks as a solution for the communication problem has been proposed. These Networks-on-Chip (NoCs) have some interesting characteristics, such as reuse of components, scalability, and parallelism. On the other side, NoCs have higher costs and latency if compared to others solutions. The latency can be reduced, in some cases, by the adaptation of the network configuration, for instance adjusting topology, arbitration, flow control mechanisms, routing policy, size of buffers, etc. However, in general, embedded systems have increasingly rigid requirements regarding quality of service (QoS) and timing constraints. These timing and QoS requirements increase the complexity of embedded systems design. Due to this increased complexity, it is better that the design space exploration is performed at the highest possible abstraction level. With this, it is expected that the design time can be kept within adequate values, besides allowing a faster and broader design space exploration. In this exploration, the network configuration has direct impact upon timing and QoS requirements. The context of this thesis is the investigation of the influence of the communication structure on meeting QoS requirements in real time applications, in particular with respect to the fulfillment of task deadlines and latencies. This work shows mechanisms for adaptation of the NoC configuration for embedded systems, in order to meet the application requirements. The strategies used in the adjustment of the NoC characteristics allow the minimum use of resources to meet the real time application constraints, among the QoS requirements. The presented results demonstrate that the correct adjustment in the communication structure parameters has direct impact on the system performance, specifically with respect to the fulfillment of message deadlines and to the reduction of the communication latencies.