Techniques de multiplexage pour un système d'émulation et de prototypage rapide à base de FPGA

Multiplexing techniques for FPGA-based emulation and prototyping platform

• Auteur / Autrice : Mariem Turki
• Direction : Mohamed Abid, Habib Mehrez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique et Micro-Electronique
• Date : Soutenance le 17/09/2014
• Etablissement(s) : Paris 6 en cotutelle avec Université de Sfax (Tunisie)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Informatique, télécommunications et électronique de Paris (1992-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LIP6 (1997-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bertrand Granado, Mohamed Masmoudi
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Rached Tourki, Smaïl Niar

Mots clés

Mots clés contrôlés

Multiplexage

Prototypage (informatique)

Mots clés libres

FPGA (Field Programmable Gate Array)

Prototypage

Routage

Pathfinder

Itératif

Multiplexage

FPGA (Field Programmable Gate Array)

Prototyping

Résumé

De nos jours, la complexité de la conception des circuits intégrés et du logiciel croit régulièrement, faisant croître le besoin de la vérification dans chaque étape du cycle de conception. Le prototypage matériel sur une plateforme multi-FPGA présente le meilleur compromis entre le temps de conception d'un circuit et le temps d'exécution d'une application par ce circuit. Pour l'implémenter sur cette plateforme, une opération de partitionnement est effectuée avant de créer des partitions capables de s'intégrer dans chaque FPGAPar conséquent, des signaux coupés à l'interface des partitions doivent passer d'un FPGA à un autre. Cependant, le nombre de traces physiques inter-FPGA est limité ce qui crée des problèmes de routabilité du circuit prototypé. Cette thèse touche surtout la partie post-partitionnement et s'intéresse au problème deroutage inter-FPGA. Ainsi, les principaux travaux de cette thèse sont les suivants :Dans un premier temps, nous nous intéressons au développement d'un générateur debenchmarks qui permet, à l'aide d'une description architecturale simple du benchmark, de générer un circuit modélisé avec le langage de description matérielle VHDL. Le générateur utilise un ensemble de composants ce qui donne aux benchmarks un aspect réel semblable à celui des circuits industriels. Ces circuits de tests nous serviront pour évalue rles performances des techniques développées dans cette thèse. Dans un deuxième temps, nous proposons de développer un outil spécifique qui intervient après le partitionnement pour prendre en compte la contrainte liée à la limitation du nombre d'interconnexion entre les FPGAs. Cet outil est basé sur une approcheitérative visant à réduire le taux de multiplexage (nombre de signaux qui partagent un seul _l physique). Le routage en lui même est assuré par l'algorithme de routage Pathfinder adapté. Cet algorithme servira comme point de départ pour les techniques de routage développées durant cette thèse. Des adaptations adéquates seront faites pour cibler un ré-seau de routage inter-FPGA. Dans une deuxième partie, nous essayons de déterminer la meilleure forme du signal à router (bi-points ou multi-points) ainsi que le graphe de routage utilisé. Pour cela, nous proposons des scénarios de test a_n de sélectionner les critères qui donnent la fréquence de fonctionnement la plus performante. Par la suite, nous présentons une description détaillée des IPs de multiplexage utilisés.Ces IPs sont insérés dans les parties émettrices et réceptrices d'un canal de communication. Ces IPs incluent des composants spécifiques appelés SERDES pour assurer la sérialisation/déserialisation des données à transmettre. L'insertion de ces composants peut créer des problèmes de routabilité intra-FPGA. Ainsi, dans une deuxième partie, nous proposons un algorithme de placement basé sur l'estimation de la congestion afin d'améliorer la routabilité du circuit.

This thesis mainly deals with the post-partitioning task and addresses the problem of inter-FPGA routing. Thus, the main contributions of this thesis are: Firstly, we focus on the development of a benchmark generator which, using a simple architectural description of the benchmark, generates a circuit modelled with the hardware description language VHDL. The generator uses a set of industrial components providing benchmarks with real behaviour similar to that of industrial circuits. These benchmarks are used to evaluate the performance of the techniques developed in this thesis. In a second step , we propose a speci_c tool which acts after the partitioning to handle the constraints related to the limited number of interconnection between FPGAs. This tool is based on an iterative approach and aims to reduce the multiplexing ratio (the number of signals that share the same physical wire). The routing task itself is operated by the Pathfinder routing algorithm which is widely used by academic and industrial researchers . This algorithm is used as a starting point for routing techniques developed in this thesis . In a second part , we try to identify the best shape of the routed signals and the appropriate routing graph. For this reason, we propose scenarios to select criteria that give the best system frequency. Finally, we present a detailed description of the architecture of the multiplexing IPs. These IPs are inserted in the transmitting and receiving FPGAs of a communication channel. These IPs include speci_c components called SERDES for serialization/deserialization of the data. The insertion of these IPs can create problems of intra-FPGA routability. Thus, in a second part, we propose a placement algorithm based on congestion estimation to improve the routability of the circuit.