UML-Based Design Space Exploration, Fast Simulation and Static Analysis - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2011

UML-Based Design Space Exploration, Fast Simulation and Static Analysis

UML pour l'exploration de l'espace de conception, la simulation rapide et Analyse statique

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Daniel Knorreck
  • Function : Author
  • PersonId : 918045

Abstract

Design Space Exploration at system level is carried out early in the design flow of embedded systems and Systems-on-Chip. The objective is to identify a suitable hardware/software partitioning that complies to a given set of constraints regarding functionality, performance, silicon area, power consumption, etc. In early design stages, accurate system models, such as RTL models, may not yet be available. Moreover, the complexity of these models comes with the downside of being demanding and slow in verification. It is commonly agreed that the only remedy to that problem is abstraction, which triggered the advent of virtual platforms based on techniques like Transaction Level Modeling. Non-functional, \textit{approximately timed} models go even further by abstracting data to its mere presence or absence and introducing symbolic instructions. The DIPLODOCUS methodology and its related UML profile realize the aforementioned abstractions. It relies on the y-Chart approach, that treats functionality (called application) and its implementation (called architecture) in an orthogonal way. DIPLODOCUS' formal semantics paves the way for both simulation and formal verification, which has been shown prior to this work. This thesis proposes enhancements to the methodology that make it amenable to verification of functional and non-functional properties. At first, we focus on the way functional properties are expressed. As verification of high level models is usually conducted with temporal logic, we suggest a more intuitive way, matching the abstraction level of the model to be verified. The graphical but formal language TEPE is the first contribution of this work. To achieve a high level of confidence in verification in a reasonable amount of time, the model needs to be executed in an efficient way. The second contribution consists of an execution semantics for DIPLODOCUS and a simulation strategy that leverages abstractions. The benefit is that a coarse granularity of the application model directly translates into an increase in simulation speed. As a third contribution, we present a trade-off between the limited coverage of simulation and the exhaustiveness of formal techniques. Especially for large models, the latter may be hampered by the state explosion problem. As a result of data abstraction, DIPLODOCUS application models embrace non-deterministic operators. Coverage-enhanced simulation aims at exploiting a subset or all valuations of the corresponding random variables. Therefore, the DIPLODOCUS model is statically analyzed and information characterizing the significant state space of the application is propagated to the simulator. Finally, we provide evidence for the applicability of contributions by means of a case study in the signal processing domain. It will be shown that common system properties easily translate into TEPE. Moreover fast simulation and coverage-enhanced simulation provide valuable insights that may assist the designer in configuring a Software Defined Radio platform.
L'exploration de l'espace de conception au niveau système est effectuée tôt dans le flot de conception des systèmes embarqués et des systèmes sur puce. L'objectif est d'identifier un partitionnement matériel / logiciel approprié qui réponde à un ensemble de contraintes concernant la fonctionnalité, la performance, la surface de silicium, la consommation d'énergie, etc. Lors des étapes de conception précoces, des modèles de système précis, tels que des modèles RTL, peuvent être encore indisponibles. Par ailleurs, la complexité de ces modèles présente l'inconvénient d'être exigeant et lent dans la vérification. Il est communément admis que le seul remède à ce problème est l'abstraction, ce qui a engendré l'apparition de plates-formes virtuelles basées sur des techniques telles que la modélisation au niveau transactionnel. Étant non fonctionnels, les modèles \textit{approximately timed} vont encore plus loin en faisant l'abstraction de données simplement selon leur présence ou absence et en introduisant des instructions symboliques. La méthodologie DIPLODOCUS et son profil UML correspondant réalisent les abstractions susmentionnées. La méthodologie s'appuie sur l'approche en Y, qui traite des fonctionnalités (appelées application) et leur réalisation (appelée architecture) de manière orthogonale. La sémantique formelle de DIPLODOCUS ouvre conjointement la voie à la simulation et à la vérification formelle, ce qui a été démontré préalablement a ce travail. Cette thèse propose des améliorations à la méthodologie qui permettent la vérification des propriétés fonctionnelles et non fonctionnelles. Au début, nous nous concentrons sur la façon dont les propriétés fonctionnelles sont exprimées. Puisque la vérification des modèles de haut niveau est habituellement réalisée avec la logique temporelle, nous suggérons une façon plus intuitive qui correspond au niveau d'abstraction du modèle qui doit être vérifié. Le langage graphique, mais formel nommé TEPE est la première contribution de ce travail. Pour atteindre un niveau élevé de confiance en vérification dans un délai raisonnable, le modèle doit être exécuté efficacement. La deuxième contribution vise donc une sémantique d'exécution pour les modèles DIPLODOCUS et une stratégie de simulation qui s'appuie sur l'abstraction. L'avantage est qu'une granularité grossière du modèle d'application se traduit directement par une augmentation de la vitesse de simulation. Comme troisième contribution, nous présentons un compromis entre la couverture limitée de la simulation et l'exhaustivité des techniques formelles. Lorsqu'il s'agit de modèles complexes, l'exhaustivité peut être entravée par le problème d'explosion combinatoire. En raison de l'abstraction de données, les modèles d'application DIPLODOCUS comportent des opérateurs non-déterministes. La simulation à couverture élargie vise à exploiter un sous-ensemble, ou bien l'intégralité, des valeurs des variables aléatoires. Par conséquent, une analyse statique des modèles DIPLODOCUS est effectuée et les informations caractérisant la partie significative de l'espace d'état de l'application sont propagées au simulateur. Enfin, nous fournissons des preuves de l'applicabilité des contributions par le biais d'une étude de cas dans le domaine du traitement du signal. Il sera démontré que les propriétés courantes se traduisent aisément en TEPE. Par ailleurs, la simulation rapide et sa couverture élargie fournissent des indications pertinentes qui sont susceptibles d'aider le développeur à configurer une plate-forme radio logicielle.
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Dates and versions

pastel-00662744 , version 1 (25-01-2012)

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  • HAL Id : pastel-00662744 , version 1

Cite

Daniel Knorreck. UML-Based Design Space Exploration, Fast Simulation and Static Analysis. Electronics. Télécom ParisTech, 2011. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨pastel-00662744⟩
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