Transformational Embedded System Design

Abstract

Konstruktion av inbyggda system har blivit alltmer utmanande i takt med den ökande användningen av heterogena multiprocessorplattformar. En högre abstraktionsnivå underlättar hanteringen av denna komplexitet genom att låta konstruktörer fokusera på systemets beteende via formella specifikationer på hög nivå. Samtidigt ökar detta avståndet mellan abstrakta modeller och konkreta implementationer. Särskilt utmanande är att beskriva parallellt beteende på hög nivå och successivt förfina det till fullt koordinerade implementationer som effektivt utnyttjar den parallellism som är inneboende i multiprocessorplattformar.

Denna avhandling presenterar en transformativ designmetodik som hanterar detta abstraktionsgap genom att erbjuda ett strukturerat sätt att förfina systemmodeller på hög nivå till implementeringsklara representationer via regelbaserade transformationer. Metodiken är organiserad kring RAMP view, där systemet beskrivs i termer av krav-, applikations-, avbildnings- och plattformsmodeller. Denna representation utgör en sammanhållen grund för resonemang kring designförfiningar och tydliggör hur transformationer påverkar olika aspekter av systemet.

Systembeteendet uttrycks med hjälp av ett bibliotek av process constructors och algorithmic skeletons, implementerade som higher-order functions (HoFs), vilka definierar temporala semantiker och återkommande beräkningsstrukturer. Detta modelleringstillvägagångssätt ger upphov till hierarkiska processnätverk vars struktur och parallella beteende kan analyseras och förfinas. De algebraiska egenskaperna hos de underliggande HoFs möjliggör dessutom härledning av transformationsregler direkt från kända funktionella identiteter.

För att stödja automatisering av dessa förfiningar representeras de resulterande processnätverken som attributed graphs, vilka fungerar som en enhetlig intermediate representation (IR) för samtliga RAMP views. I denna representation specificerar traits som är kopplade till grafens noder och kanter semantiska roller, strukturella gränssnitt samt prestandarelaterade egenskaper hos de modellerade elementen. Den resulterande trait-annoterade systemgrafen tillhandahåller den strukturella och semantiska information som krävs för automatiska transformationer.

Ovanpå denna representation utvecklas ett prototyp transformation exploration tool som automatiserar identifiering, utvärdering och tillämpning av regelbaserade förfiningar. Transformationsmöjligheter identifieras genom delgrafsmatchning i IR, och deras effekt uppskattas med hjälp av analytiska prestandamodeller som approximerar beräknings- och kommunikationskostnader. Utvalda transformationer tillämpas därefter genom grafomskrivningsoperationer som är utformade för att bibehålla strukturell konsistens och följa de modelleringskonventioner som uttrycks i trait-systemet. Sammantaget möjliggör dessa mekanismer en automatiserad och systematisk process för generering och bedömning av alternativa applikationsstrukturer.

Ramverket utvärderas genom fallstudier som demonstrerar dess förmåga att generera alternativa applikationsinstanser och meningsfulla designpunkter. Resultaten visar även att de analytiska modellerna kan förutsäga prestandatrender och reducera antalet kandidater som kräver fullständig utvärdering på systemnivå, vilket minskar den totala insatsen för design space exploration.

Link to DiVA