INF8505: processeurs embarqués configurables Département de génie informatique et génie logiciel Processeurs sous-RISC et application aux réseaux Quand un processeur RISC est trop gros 1

INF8505: processeurs embarqués configurables Département de génie informatique et génie logiciel Pourquoi parler de processeurs sous-RISC en INF8505?  En INF8505 on parle de processeurs configurables.  On a vu plusieurs approches pour rendre un processeur plus complexe.  Mais si on n’a pas besoin de toutes ces options, pourquoi se forcer à les prendre?  Quand on conçoit un processeur de toutes pièces, il faut garder l’esprit ouvert … 2

INF8505: processeurs embarqués configurables Département de génie informatique et génie logiciel « The processor is the NAND gate of the future »  La porte NON-ET:  est la porte logique de base;  permet de construire n’importe quelle fonction logique;  est petite par rapport au reste du système;  a un faible coût;  est rapide; et,  est facile à utiliser. Oui mais … quel genre de processeur? Est-ce qu’on suppose toujours un processeur RISC 32 bits???

MPSoC à multiples processeurs spécialisés INF8505: processeurs embarqués configurables Département de génie informatique et génie logiciel 4 S. Leibson, « Designing SOCs with configured cores », © Elsevier, 2006

MPSoC à multiples processeurs spécialisés exemple multimédia INF8505: processeurs embarqués configurables Département de génie informatique et génie logiciel 5 S. Leibson, « Designing SOCs with configured cores », © Elsevier, 2006 Il y a beaucoup de processeurs …

Application réseau: tâches de base d’un routeur de paquets IP  Validation de l’en-tête des paquets  Version de protocole, taille de l’en-ête, vérification de l’intégrité (checksum – IPv4)  Décrémentation du champs TTL (IPv4)/Hop Limit (IPv6)  Pour contrôler la durée de vie des paquets; laisser tomber les paquets dont TTL = 0; nouveau calcul du checksum (IPv4)  Déterminer le prochain saut du paquet: table de routage  Fragmentation du paquet  Si le MTU du port de sortie est plus petit que la taille du paquet INF8505: processeurs embarqués configurables Département de génie informatique et génie logiciel 6 * Une référence: Medhi et Ramasamy, Network Routing, Morgan Kaufmann, 2007.

IPv4: en-tête de paquet INF8505: processeurs embarqués configurables Département de génie informatique et génie logiciel 7 Wikipedia.org

IPv6: en-tête de paquet INF8505: processeurs embarqués configurables Département de génie informatique et génie logiciel 8 Wikipedia.org

Parallélisme de la tâche, exemple: application de routage de paquets  Une application de routage exhibe du parallélisme à deux niveaux:  concurrence de processus: besoin de traiter plusieurs flux de paquets en parallèle;  concurrence de données: plusieurs tâches distinctes peuvent être effectuées sur un paquet;  concurrence de type de données: au niveau des bits: checksum, en-têtes de paquets de tailles irrégulières. INF8505: processeurs embarqués configurables Département de génie informatique et génie logiciel 9

Implémentation avec un processeur Pentium etc.  Coût  Consommation de puissance INF8505: processeurs embarqués configurables Département de génie informatique et génie logiciel 10

Implémentation avec un processeur RISC configuré (e.g. Xtensa)?  Jeux d’instructions à usage général.  Traite des octets, mots, etc.  En-tête de paquets ne correspondent pas nécessairement aux registres, ALUs, etc.  Pas besoin de la plupart des instructions du jeu d’instructions.  Suppose le modèle de base: compteur de programme et mémoire d’instructions. INF8505: processeurs embarqués configurables Département de génie informatique et génie logiciel 11

Implémentation avec un processeur sur mesure, décrit au niveau RTL?  Très performant, mais peu flexible.  Difficile à vérifier.  Déconnexion avec le modèle décrit dans un langage de haut niveau. INF8505: processeurs embarqués configurables Département de génie informatique et génie logiciel 12

Proposition (Mihal et al.): TIPI Tiny Instruction-set Processor and Interconnect  Composants à granularité plus fine qu’un processeur RISC  Construire des plateformes programmables  Outils de conception:  capture de l’application  méthodologie pour implémentation sur plateforme TIPI à multiprocesseurs INF8505: processeurs embarqués configurables Département de génie informatique et génie logiciel 13

Spectre de granularité pour les processeurs INF8505: processeurs embarqués configurables Département de génie informatique et génie logiciel A. Mihal, s. Weber, K. Keutzer, « Sub-RISC Processors », chap. 13 de « Customizable Embedded Processors », Morgan-Kaufman, Circuits: calculs dans l’espaceLogiciel: calculs dans le temps TIPI: Tiny Instruction-set Processors and Interconnects

Exemple réseau (1)  Tâche CheckIPHeader (Internet Protocol, v4)  Opération checksum en complément à 1 sur 10 champs de 16 bits  Pour processeur RISC configuré faudrait élargir le chemin de données, ajouter arithmétique en compl. à 1 INF8505: processeurs embarqués configurables Département de génie informatique et génie logiciel 15 A. Mihal, s. Weber, K. Keutzer, « Sub-RISC Processors », chap. 13 de « Customizable Embedded Processors », Morgan-Kaufman, 2007

Exemple réseau (2)  Tâche DecIPTTL (Internet Protocol, v4)  décrémentation du champs « time-to-live » et mise à jour du total de contrôle (checksum)  besoin arithmétique en complément à 1 INF8505: processeurs embarqués configurables Département de génie informatique et génie logiciel 16 A. Mihal, s. Weber, K. Keutzer, « Sub-RISC Processors », chap. 13 de « Customizable Embedded Processors », Morgan-Kaufman, 2007

Communication entre processeurs  handshaking complexe à travers réseau  mais … solution de Tensilica était … INF8505: processeurs embarqués configurables Département de génie informatique et génie logiciel 17 A. Mihal, s. Weber, K. Keutzer, « Sub-RISC Processors », chap. 13 de « Customizable Embedded Processors », Morgan-Kaufman, 2007

rappel:Leibson & Kim / Xtensa … INF8505: processeurs embarqués configurables Département de génie informatique et génie logiciel 18 S. Leibson, J. Kim, « Configurable processors: a new era in chip design, » Computer July 2005.

Une solution: langage de description architecturale (ADL), e.g. LISA (1)  Peut définir des instructions spécialisées (comme TIE de Xtensa)  Peut décrire le reste de l’architecture aussi.  Trois « outils »:  formalisme pour décrire le jeu d’instructions  formalisme pour contrôle par machines à états  formalisme pour garder la cohérence entre le jeu d’instructions et la structure matérielle (registres, ALU, etc.) INF8505: processeurs embarqués configurables Département de génie informatique et génie logiciel 19

Une solution: langage de description architecturale (ADL), e.g. LISA (2)  ADL encore un peu lourd pour TIPI INF8505: processeurs embarqués configurables Département de génie informatique et génie logiciel 20 A. Mihal, s. Weber, K. Keutzer, « Sub-RISC Processors », chap. 13 de « Customizable Embedded Processors », Morgan-Kaufman, 2007

Abstraction TIPI  Spécification du chemin de données.  Chemin de contrôle (microcode) déduit de la description sans besoin de connexions explicites.  Chaînage d’éléments TIPI possible INF8505: processeurs embarqués configurables Département de génie informatique et génie logiciel 21 A. Mihal, s. Weber, K. Keutzer, « Sub-RISC Processors », chap. 13 de « Customizable Embedded Processors », Morgan-Kaufman, 2007

Solution TIPI pour le problème IPv4  Processeur TIPI construit à partir d’une librairie de composantes (blocs de registres, mux, mémoires, pipeline, ALU).  Plusieurs ports non connectés: reliés implicitement à une unité de contrôle.  Valeurs de ces ports déterminée par logiciel.  adresses des blocs de registres et sélection des mux: selon l’instruction  entrée du comparateur: opérande immédiate  pas de compteur de programme ni mémoire d’instructions INF8505: processeurs embarqués configurables Département de génie informatique et génie logiciel 22 A. Mihal, s. Weber, K. Keutzer, « Sub-RISC Processors », chap. 13 de « Customizable Embedded Processors », Morgan-Kaufman, 2007

rappel:Leibson & Kim / Xtensa … INF8505: processeurs embarqués configurables Département de génie informatique et génie logiciel 23 S. Leibson, J. Kim, « Configurable processors: a new era in chip design, » Computer July 2005.