Design and evaluation of a VLIW processor for real-time systems

Autor: Starke, Renan Augusto
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2016
Předmět:
Zdroj: Repositório Institucional da UFSCUniversidade Federal de Santa CatarinaUFSC.
Druh dokumentu: Doctoral Thesis
Popis: Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Automação e Sistemas, Florianópolis, 2016.
Made available in DSpace on 2016-09-20T04:55:57Z (GMT). No. of bitstreams: 1 341955.pdf: 2527922 bytes, checksum: cb4fdb63c7ce3111b1bdc061bbeec1d1 (MD5) Previous issue date: 2016
Atualmente, aplicações de tempo estão tornando-se cada vez mais complexas e, conforme os requisitos destes sistemas aumentam, maior é a demanda por capacidade de processamento. Contudo, o correto funcionamento destas aplicações não está em função somente da correta resposta lógica, mas também no tempo que ela é produzida. O projeto de processadores de propósito geral gera dificuldades para análises de tempo real devido ao seu comportamento não determinista causado pelo uso de memórias cache, previsores de fluxo dinâmicos, execução especulativa e fora de ordem. Nesta tese, investiga-se uma arquitetura de processador Very-Long Instruction Word (VLIW) especificamente projetada para sistemas de tempo real considerando sua análise do pior tempo de computação (Worst-case Execution Time WCET). Técnicas para obtenção do WCET para máquinas VLIW são consideradas e quantifica-se a importância de técnicas de hardware como previsor de fluxo estático, predicação, bem como velocidade do processador para instruções complexas como acesso a memória e multiplicação. Arquitetura de memória não faz parte do escopo deste trabalho e para tal utilizamos uma estrutura determinista formada por uma memória cache com mapeamento direto para instruções e uma memória de rascunho (scratchpad) para dados. Nós também consideramos a implementação em VHDL do protótipo para inferir suas características temporais mantendo compatibilidade com o conjunto de instruções (ISA) HP VLIW ST231. Em termos de avaliação, foi utilizado um conjunto representativo de código exemplos da Universidade de Mälardalen que é amplamente utilizado em avaliações de sistemas de tempo real.
Nowadays, many real-time applications are very complex and as the complexity and the requirements of those applications become more demanding, more hardware processing capacity is necessary. The correct functioning of real-time systems depends not only on the logically correct response, but also on the time when it is produced. General purpose processor design fails to deliver analyzability due to their non-deterministic behavior caused by the use of cache memories, dynamic branch prediction, speculative execution and out-of-order pipelines. In this thesis, we design and evaluate the performance of VLIW (Very Long Instruction Word) architectures for real-time systems with an in-order pipeline considering WCET (Worst-case Execution Time) performance. Techniques on obtaining the WCET of VLIW machines are also considered and we make a quantification on how important are hardware techniques such as static branch prediction, predication, pipeline speed of complex operations such as memory access and multiplication for high-performance real-time systems. The memory hierarchy is out of scope of this thesis and we used a classic deterministic structure formed by a direct mapped instruction cache and a data scratchpad memory. A VLIW prototype was implemented in VHDL from scratch considering the HP VLIW ST231 ISA. We also show some compiler insights and we use a representative subset of the Mälardalen s WCET benchmarks for validation and performance quantification. Supporting our objective to investigate and evaluate hardware features which reconcile determinism and performance, we made the following contributions: design space investigation and evaluation regarding VLIW processors, complete WCET analysis for the proposed design, complete VHDL design and timing characterization, detailed branch architecture, low-overhead full-predication system for VLIW processors.
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