Συν-σχεδιασμός υλικού / λογισμικού ενσωματωμένων συστημάτων χαμηλής κατανάλωσης ισχύος για εφαρμογές επεξεργασίας σήματος

Abstract

Embedded systems are ubiquitous, although it is not very long since they have been introduced into the market, having managed to become an essential part of our daily lives. The design and implementation of embedded systems is still an open issue posing many challenges to researchers all over the world. The power consumption is an important constraint and must be taken into account at the design time of the system. To effectively meet this constraint design optimizations on both software and hardware of the development of embedded system are needed. The research community in order to solve the problem proposes the software/hardware co-design, where the software exploits the hardware specifications and vice versa. In that case, an optimal implementation in terms of performance and power consumption of the system is achieved. In this Ph.D. Thesis, we deal with the problem of design of embedded systems by proposing a new method of optimal software/hardware co-design of the spiral search algorithm. First, we identify the problems of the existing algorithm and we propose a new one, where together with the specific hardware design we achieve the optimal co-design of the embedded system, reducing the power consumption and increasing the performance of the system. Moreover, two new methodologies for estimating the computational complexity and the performance of the digital signal processing applications are proposed. These methodologies are aiming to fill the existing gap between the conventional estimation method and the simulation, in terms of the estimation accuracy and estimation time. The first methodology is targeting to accurate estimate the computational requirements of an application for the early design stages, while the second one aims to substitute the time-consuming simulation procedure, and find the optimal instruction memory hierarchy of the system in short time. The experimental results present the advantages of the effectiveness of the proposed methodologies of this Thesis in terms of the estimation accuracy and time compare that exists.

Τα ενσωματωμένα συστήματα βρίσκονται παντού και μέσα σε λίγα χρόνια έχουν καταφέρει να εισχωρήσουν σε κάθε τομέα της ζωής μας. Όμως, παρόλη τη μεγάλη διείσδυση στην κοινωνία μας, ο σχεδιασμός και η υλοποίησή τους παραμένει ένα πρόβλημα που ταλανίζει πλήθος ερευνητών. Η κατανάλωση ενέργειας είναι μια παράμετρος που πρέπει να λαμβάνεται πάντα υπόψη στο σχεδιασμό των ενσωματωμένων συστημάτων. Για τη ανάπτυξη ενός συστήματος απαιτείται βέλτιστος σχεδιασμός τόσο του υλικού όσο και του λογισμικού ταυτόχρονα. Η λύση που προτείνεται από την ερευνητική κοινότητα είναι ο συν-σχεδιασμός υλικού και λογισμικού, ώστε το λογισμικό να εκμεταλλεύεται τα χαρακτηριστικά του υλικού και αντίστροφα. Με το τρόπο αυτό πετυχαίνεται μια αποδοτική υλοποίηση του συστήματος, ως προς την επίδοση και την κατανάλωση ενέργειας. Στην παρούσα Διδακτορική Διατριβή, αντιμετωπίζουμε το πρόβλημα του σχεδιασμού των ενσωματωμένων συστημάτων προτείνοντας μια μέθοδο βέλτιστου συν-σχεδιασμού υλικού/λογισμικού του σπειροειδούς αλγορίθμου εκτίμησης κίνησης. Γίνεται μελέτη των αδυναμιών του υπάρχοντος αλγορίθμου και αναπτύσσεται ένας νέος, που σε συνδυασμό με τον κατάλληλο σχεδιασμό του υλικού, επιτυγχάνεται βέλτιστος συν-σχεδιασμός του ενσωματωμένου συστήματος, μειώνοντας την κατανάλωση ενέργειας και αυξάνοντας παράλληλα την επίδοση. Έπειτα, παρουσιάζονται δύο νέες μεθοδολογίες εκτίμησης των υπολογιστικών απαιτήσεων εφαρμογών επεξεργασίας σήματος. Οι μεθοδολογίες αυτές έρχονται να καλύψουν το κενό που υπάρχει μεταξύ της συμβατικής μεθόδου εκτίμησης και της προσομοίωσης, ως προς την ακρίβεια εκτίμησης και του χρόνου που αυτή απαιτεί. Η πρώτη μεθοδολογία έχει ως στόχο να εκτιμήσει τις υπολογιστικές απαιτήσεις μιας εφαρμογής από το αρχικά στάδια σχεδιασμού με ακρίβεια, ενώ η δεύτερη να αντικαταστήσει τη χρονοβόρα διαδικασία της προσομοίωσης και να βρει τη βέλτιστη ιεραρχία σκιώδους μνήμης εντολών του συστήματος σε σύντομο χρονικό διάστημα. Τα πειραματικά αποτελέσματα παρουσιάζουν τα πλεονεκτήματα και αποδεικνύουν την αποτελεσματικότητα ως προς την ταχύτητα εκτίμησης και την ακρίβεια των προτεινόμενων μεθόδων της διδακτορικής διατριβής.