Model driven engineering methodology for design space exploration of embedded systems

Abstract

Nowadays we are surrounded by devices containing hardware and software components. These devices support a wide spectrum of different domains, such as telecommunication, avionics, automobile, and others. They are found anywhere, and so they are called Embedded Systems, as they are information processing systems embedded into enclosing products, where the processing system is not the main functionality of the product. The ever growing complexity in modern embedded systems requires the utilization of more components to implement the functions of a single system. Such an increasing functionality leads to a growth in the design complexity, which must be managed properly, because besides stringent requirements regarding power, performance and cost, also time-to-market hinders the design of embedded systems. Design Space Exploration (DSE) is the systematic generation and evaluation of design alternatives, in order to optimize system properties and fulfill requirements. In embedded system development, specifically in Platform-Based Design (PBD), current DSE methodologies are challenged by the increasing number of design decisions at multiple abstraction levels, which leads to an explosion of combination of alternatives. However, only a reduced number of these alternatives leads to feasible designs, which fulfill non-functional requirements. Moreover, each design decision influences subsequent decisions and system properties, hence there are inter-dependencies between design decisions, so that the order decisions are made matters to the final system implementation. Furthermore, there is a trade-off between heuristics for specific DSE, which improves the optimization results, and global optimizers, which improve the flexibility to be applied in different DSE scenarios. In order to overcome the identified challenges an MDE methodology for DSE is proposed. For this methodology a DSE Domain metamodel is proposed to represent relevant DSE concepts such as design space, design alternatives, evaluation method, constraints and others. Moreover, this metamodel represents different DSE problems, improving the flexibility of the proposed framework. Model transformations are used to implement DSE rules, which are used to constrain, guide, and generate design candidates. Focusing on the mapping between layers in a PBD approach, a novel design space abstraction is provided to represent multiple design decisions involved in the mapping as a single DSE problem. This abstraction is based on Categorical Graph Product, decoupling the exploration algorithm from the design space and being well suited to be implemented in automatic exploration tools. Upon this abstraction, the DSE method can benefit from the MDE methodology, opening new optimization opportunities, and improving the DSE integration into the development process and specification of DSE scenarios.

Atualmente dispositivos contendo hardware e software são encontrados em todos os lugares. Estes dispositivos prestam suporte a uma varieadade de domínios, como telecomunicações, automotivo e outros. Eles são chamados “sistemas embarcados”, pois são sistemas de processamento montados dentro de produtos, cujo sistema de processamento não faz parte da funcionalidade principal do produto. O acréscimo de funções nestes sistemas implica no aumento da complexidade de seu projeto, o qual deve ser adequadamente gerenciado, pois além de requisitos rigorosos em relação à dissipação de potência, desempenho e custos, a pressão sobre o prazo para introdução de um produto no mercado também dificulta seu projeto. Exploração do espaço de projeto (DSE) é a atividade sistemática de gerar e avaliar alternativas de projetos, com o objetivo de otimizar suas propriedades. No desenvolvimento de sistemas embarcados, especialmente em Projeto Baseado em Plataformas (PBD), metodologias de DSE atuais são desafiadas pelo crescimento do número de decisões de projeto, o qual implica na explosão da combinação de alternativas. Porém, somente algumas destas resultam em projetos que atedem os requisitos nãofuncionais. Além disso, as decisões influenciam umas às outras, de forma que a ordem em que estas são tomadas alteram a implementação final do sistema. Outro desafio é o balanço entre flexibilidade da metodologia e seu desempenho, pois métodos globais de otimização são flexíveis, mas apresentam baixo desempenho. Já heurísticas especialmente desenvolvidas para o cenário de DSE em questão apresentam melhor desempenho, porém dificilmente são aplicáveis a diferentes cenários. Com o intuito de superar os desafios é proposta uma metodologia de projeto dirigido por modelos (MDE) adquada para DSE. Um metamodelo do domínio de DSE é definido para representar conceitos como espaço de projeto, métodos de avaliação e restrições. O metamodelo também representa diferentes problemas de DSE aprimorando a flexibilidade da metodologia. Regras de transformações de modelos implementam as regras de DSE, as quais são utilizadas para restringir e guiar a geração de projetos alternativos. Restringindo-se ao mapeamento entre camadas no PBD é proposta uma abstração para representar o espaço de projeto. Ela representa múltiplas decisões de projeto envolvidas no mapeamento como um único problema de DSE. Esta representação é adequada para a implementação em ferramentas automática de DSE e pode beneficiar o processo de DSE com uma abordagem de MDE, aprimorando a especificação de cenários de DSE e sua integração no processo de desenvolvimento.

Heutzutage sind wir von Geräten umgeben, die sowohl Hardware wie auch Software- Komponenten beinhalten. Diese Geräte unterstützen ein breites Spektrum an verschiedenen Domänen, so zum Beispiel Telekommunikation, Luftfahrt, Automobil und andere. Derartige Systeme sind überall aufzufinden und werden als Eingebettete Systeme bezeichnet, da sie zur Informationsverarbeitung in andere Produkte eingebettet werden, wobei die Informationsverarbeitung des eingebetteten Systems jedoch nicht die bezeichnende Funktion des Produkts ist. Die ständig zunehmende Komplexität moderner eingebettete Systeme erfordert die Verwendung von mehreren Komponenten um die Funktionen von einem einzelnen System zu implementieren. Eine solche Steigerung der Funktionalität führt jedoch ebenfalls zu einem Wachstum in der Entwurfs-Komplexität, die korrekt und effizient beherrscht werden muss. Neben hohen Anforderungen bezüglich Leistungsaufnahme, Performanz und Kosten hat auch Time-to-Market-Anforderungen großen Einfluss auf den Entwurf von Eingebetteten Systemen. Design Space Exploration (DSE) beschreibt die systematische Erzeugung und Auswertung von Entwurfs-Alternativen, um die Systemleistung zu optimieren und den gestellten Anforderungen an das System zu genügen. Bei der Entwicklung von Eingebetteten Systemen, speziell beim Platform-Based Design (PBD) führt die zunehmende Anzahl von Design-Entscheidungen auf mehreren Abstraktionsebenen zu einer Explosion der möglichen Kombinationen von Alternativen, was auch für aktuelle DSE Methoden eine Herausforderung darstellt. Jedoch vermag üblicherweise nur eine begrenzte Anzahl von Entwurfs-Alternativen die zusätzlich formulierten nicht-funktionalen Anforderungen zu erfüllen. Darüber hinaus beeinflusst jede Entwurfs- Entscheidung weitere Entscheidungen und damit die resultierenden Systemeigenschaften. Somit existieren Abhängigkeiten zwischen Entwurfs-Entscheidungen und deren Reihenfolge auf dem Weg zur Implementierung des Systems. Zudem gilt es zwischen einer spezifischen Heuristik für eine bestimmte DSE, welche zu verbesserten Optimierungsresultaten führt, sowie globalen Verfahren, welche ihrerseits zur Flexibilität hinsichtlich der Anwendbarkeit bei verschiedenen DSE Szenarien beitragen, abzuwägen. Um die genannten Herausforderungen zu lösen wird eine Modellgetriebene Entwicklung (englisch Model-Driven Engineering, kurz MDE) Methodik für DSE vorgeschlagen. Für diese Methodik wird ein DSE-Domain-Metamodell eingeführt um relevante DSEKonzepte wie Entwurfsraum, Entwurfs-Alternativen, Auswertungs- und Bewertungsverfahren, Einschränkungen und andere abzubilden. Darüber hinaus modelliert das Metamodell verschiedenen DSE-Frage- stellungen, was zur Verbesserung der Flexibilität der vorgeschlagenen Methodik beiträgt. Zur Umsetzung von DSE-Regeln, welche zur Steuerung, Einschränkung und Generierung der Ent- wurfs-Alternativen genutzt werden, finden Modell-zu-Modell-Transformationen Anwendung. Durch die Fokussierung auf die Zuordnung zwischen den Schichten in einem PBDAnsatz wird eine neuartige Entwurfsraumabstraktion eingeführt, um multiple Entwurfsentscheidungen als singuläres DSE Problem zu repräsentieren. Diese auf dem Categorial Graph Product aufbauende Abstraktion entkoppelt den Explorations-Algorithmus vom Entwurfsraum und ist für Umsetzung in automatisierte Werkzeugketten gut geeignet. Basierend auf dieser Abstraktion profitiert die DSE-Methode durch die eingeführte MDEMethodik als solche und ermöglicht nunmehr neue Optimierungsmöglichkeiten sowie die Verbesserung der Integration von DSE in Entwicklungsprozesse und die Spezifikation von DSE-Szenarien.