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Design and Multi-Abstraction-Level Evaluation of a NoC Router for Mixed-Criticality Real-Time Systems

Authors :
Martha Johanna Sepulveda Florez
Stéphane Rubini
Jean-Philippe Diguet
Mourad Dridi
Mounir Lallali
Frank Singhoff
Université de Bretagne Occidentale - UFR Sciences et Techniques (UBO UFR ST)
Université de Brest (UBO)
Lab-STICC_UBO_CACS_MOCS
Laboratoire des sciences et techniques de l'information, de la communication et de la connaissance (Lab-STICC)
École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-Télécom Bretagne-Institut Brestois du Numérique et des Mathématiques (IBNM)
Université de Brest (UBO)-Université européenne de Bretagne - European University of Brittany (UEB)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-Télécom Bretagne-Institut Brestois du Numérique et des Mathématiques (IBNM)
Université de Brest (UBO)-Université européenne de Bretagne - European University of Brittany (UEB)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-IMT Atlantique Bretagne-Pays de la Loire (IMT Atlantique)
Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bretagne Loire (UBL)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-IMT Atlantique Bretagne-Pays de la Loire (IMT Atlantique)
Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bretagne Loire (UBL)-Institut Brestois du Numérique et des Mathématiques (IBNM)
Lab-STICC_UBS_CACS_MOCS
Institut Brestois du Numérique et des Mathématiques (IBNM)
Université de Brest (UBO)-Université de Brest (UBO)-Laboratoire des sciences et techniques de l'information, de la communication et de la connaissance (Lab-STICC)
École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Université de Brest (UBO)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bretagne Loire (UBL)-IMT Atlantique Bretagne-Pays de la Loire (IMT Atlantique)
Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-École Nationale d'Ingénieurs de Brest (ENIB)-Université de Bretagne Sud (UBS)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées Bretagne (ENSTA Bretagne)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Bretagne Loire (UBL)-IMT Atlantique Bretagne-Pays de la Loire (IMT Atlantique)
Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)
Technische Universität Munchen - Université Technique de Munich [Munich, Allemagne] (TUM)
Technical University of Munich (TUM)
Source :
ACM Journal on Emerging Technologies in Computing Systems, ACM Journal on Emerging Technologies in Computing Systems, Association for Computing Machinery, 2018, ACM Journal on Emerging Technologies in Computing Systems, Association for Computing Machinery, 2019, 15 (1), pp.2:1--2:37. ⟨10.1145/3264818⟩, HAL
Publication Year :
2019
Publisher :
Association for Computing Machinery (ACM), 2019.

Abstract

A Mixed Criticality System (MCS) combines real-time software tasks with different criticality levels. In a MCS, the criticality level specifies the level of assurance against system failure. For high-critical flows of messages, it is imperative to meet deadlines; otherwise, the whole system might fail, leading to catastrophic results, like loss of life or serious damage to the environment. In contrast, low-critical flows may tolerate some delays. Furthermore, in MCS, flow performances such as the Worst Case Communication Time (WCCT) may vary depending on the criticality level of the applications. Then execution platforms must provide different operating modes for applications with different levels of criticality. To conclude, in Network-On-Chip (NoC), sharing resources between communication flows can lead to unpredictable latencies and subsequently turns the implementation of MCS in many-core architectures challenging. In this article, we propose and evaluate a new NoC router to support MCS based on an accurate WCCT analysis for high-critical flows. The proposed router, called Double Arbiter and Switching router (DAS), jointly uses Wormhole and Store And Forward communication techniques for low- and high-critical flows, respectively. It ensures that high-critical flows meet their deadlines while maximizing the bandwidth remaining for the low-critical flows. We also propose a new method for high-critical communication time analysis, applied to Store And Forward switching mode with virtual channels. For low-critical flows communication time analysis, we adapt an existing wormhole communication time analysis with share policy to our context. The second contribution of this article is a multi-abstraction-level evaluation of DAS. We evaluate the communication time of flows, the system mode change, the cost, and four properties of DAS. Simulations with a cycle-accurate SystemC NoC simulator show that, with a 15% network use rate, the communication delay of high-critical flows is reduced by 80% while communication delay of low-critical flow is increased by 18% compared to solutions based on routers with multiple virtual channels. For 10% of network interferences, using system mode change, DAS reduces the high-critical communication delays about 66%. We synthesize our router with a 28nm SOI technology and show that the size overhead is limited of 2.5% compared to the solution based on virtual channel router. Finally, we applied model checking verification techniques to automatically prove several DAS properties required by critical systems designers.

Details

ISSN :
15504840 and 15504832
Volume :
15
Database :
OpenAIRE
Journal :
ACM Journal on Emerging Technologies in Computing Systems
Accession number :
edsair.doi.dedup.....7e4b7828abc614105adae9ea6292fee6