A design flow to automatically Generate on chip monitors during high-level synthesis of Hardware accelarators

par Mohamed Ben Hammouda

Thèse de doctorat en Stic

Sous la direction de Loïc Lagadec.

Le président du jury était Régis Leveugle.

Le jury était composé de Loïc Lagadec, Régis Leveugle, Frédéric Pétrot, Sébastien Pillement, Yannick Teglia, Philippe Coussy.

Les rapporteurs étaient Frédéric Pétrot, Sébastien Pillement.

  • Titre traduit

    Un flot de conception pour générer automatiquement des moniteurs sur puce pendant la synthèse de haut niveau d'accélérateurs matériels


  • Résumé

    Les systèmes embarqués sont de plus en plus utilisés dans des domaines divers tels que le transport, l’automatisation industrielle, les télécommunications ou la santé pour exécuter des applications critiques et manipuler des données sensibles. Ces systèmes impliquent souvent des intérêts financiers et industriels, mais aussi des vies humaines ce qui impose des contraintes fortes de sûreté. Par conséquent, un élément clé réside dans la capacité de tels systèmes à répondre correctement quand des erreurs se produisent durant l’exécution et ainsi empêcher des comportements induits inacceptables. Les erreurs peuvent être d’origines naturelles telles que des impacts de particules, du bruit interne (problème d’intégrité), etc. ou provenir d’attaques malveillantes. Les architectures de systèmes embarqués comprennent généralement un ou plusieurs processeurs, des mémoires, des contrôleurs d’entrées/sorties ainsi que des accélérateurs matériels utilisés pour améliorer l’efficacité énergétique et les performances. Avec l’évolution des applications, le cycle de conception d’accélérateurs matériels devient de plus en plus complexe. Cette complexité est due en partie aux spécifications des accélérateurs matériels qui reposent traditionnellement sur l’écriture manuelle de fichiers en langage de description matérielle (HDL).Cependant, la synthèse de haut niveau (HLS) qui favorise la génération automatique ou semi-automatique d’accélérateurs matériels à partir de spécifications logicielles, comme du code C, permet de réduire cette complexité.Le travail proposé dans ce manuscrit cible l’intégration d’un support de vérification dans les outils de HLS pour générer des moniteurs sur puce au cours de la synthèse de haut niveau des accélérateurs matériels. Trois contributions distinctes ont été proposées. La première contribution consiste à contrôler les erreurs de comportement temporel des entrées/sorties (impactant la synchronisation avec le reste du système) ainsi que les erreurs du flot de contrôle (sauts illégaux ou problèmes de boucles infinies). La synthèse des moniteurs est automatique sans qu’aucune modification de la spécification utilisée en entrée de la HLS ne soit nécessaire. La deuxième contribution vise la synthèse des propriétés de haut niveau (ANSI-C asserts) qui ont été ajoutées dans la spécification logicielle de l’accélérateur matériel. Des options de synthèse ont été proposées pour arbitrer le compromis entre le surcout matériel, la dégradation de la performance et le niveau de protection. La troisième contribution améliore la détection des corruptions des données qui peuvent modifier les valeurs stockées, et/ou modifier les transferts de données, sans violer les assertions (propriétés) ni provoquer de sauts illégaux. Ces erreurs sont détectées en dupliquant un sous-ensemble des données du programme, limité aux variables les plus critiques. En outre, les propriétés sur l’évolution des variables d’induction des boucles ont été automatiquement extraites de la description algorithmique de l’accélérateur matériel. Il faut noter que l’ensemble des approches proposées dans ce manuscrit, ne s’intéresse qu’à la détection d’erreurs lors de l’exécution. La contreréaction c.à.d. la manière dont le moniteur réagit si une erreur est détectée n’est pas abordée dans ce document.


  • Résumé

    Embedded systems are increasingly used in various fields like transportation, industrial automation, telecommunication or healthcare to execute critical applications and manipulate sensitive data. These systems often involve financial and industrial interests but also human lives which imposes strong safety constraints.Hence, a key issue lies in the ability of such systems to respond safely when errors occur at runtime and prevent unacceptable behaviors. Errors can be due to natural causes such as particle hits as well as internal noise, integrity problems, but also due to malicious attacks. Embedded system architecture typically includes processor (s), memories, Input / Output interface, bus controller and hardware accelerators that are used to improve both energy efficiency and performance. With the evolution of applications, the design cycle of hardware accelerators becomes more and more complex. This complexity is partly due to the specification of hardware accelerators traditionally based on handwritten Hardware Description Language (HDL) files. However, High-Level Synthesis (HLS) that promotes automatic or semi-automatic generation of hardware accelerators according to software specification, like C code, allows reducing this complexity.The work proposed in this document targets the integration of verification support in HLS tools to generate On-Chip Monitors (OCMs) during the high-level synthesis of hardware accelerators (HWaccs). Three distinct contributions are proposed. The first one consists in checking the Input / Output timing behavior errors (synchronization with the whole system) as well as the control flow errors (illegal jumps or infinite loops). On-Chip Monitors are automatically synthesized and require no modification in their high-level specification. The second contribution targets the synthesis of high-level properties (ANSI-C asserts) that are added into the software specification of HWacc. Synthesis options are proposed to trade-off area overhead, performance impact and protection level. The third contribution improves the detection of data corruptions that can alter the stored values or/and modify the data transfers without causing assertions violations or producing illegal jumps. Those errors are detected by duplicating a subset of program’s data limited to the most critical variables. In addition, the properties over the evolution of loops induction variables are automatically extracted from the algorithmic description of HWacc. It should be noticed that all the proposed approaches, in this document, allow only detecting errors at runtime. The counter reaction i.e. the way how the HWacc reacts if an error is detected is out of scope of this work.


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