边缘计算软件/FPGA协同设计的促进作用

边缘计算软件/FPGA协同设计：促进面向对象的设计春生乐引用此版本：春生乐。边缘计算的软件/FPGA协同设计：促进面向对象的设计其他[cs.OH]。西布列塔尼大学-布雷斯特，2017年。英语。NNT：2017BRES0041。电话：01661569HAL ID：电话：01661569https://theses.hal.science/tel-01661569提交日期：2017年HAL是一个多学科的开放存取档案馆，用于存放和传播科学研究论文，无论它们是否被公开。论文可以来自法国或国外的教学和研究机构，也可以来自公共或私人研究中心。L’archive ouverte pluridisciplinaire论文/西布列塔尼大学/布列塔尼卢瓦尔大学印章下获得西布列塔尼大学博士学位的候选人提及：信息学健康、信息、通信博士学院数学、物质边缘计算软件/FPGA联合设计：促进面向对象的设计提交人春生乐准备好了矿业学院†IMT里尔杜埃和STICC UMR CNRS 6285†实验室布列塔尼国立高等技术学院论文答辩2017年5月31日陪审团由以下人员组成奥利维尔·罗曼教授† Cergy ¹ Pontoise大学/报告员安妮·艾蒂安HDR讲师†里尔理工学院/报告员托马斯·勒杜副教授† IMT Atlantic/考官阿肯·邦瑟HDR讲师†西布列塔尼大学考官洛伊克·拉加德克† ENSTA Bretagne教授/主任努里·博拉卡迪教授†矿业†电信† IMT里尔杜埃/公司†主任©20171顾问：LoicLagadec&努里·布拉卡迪春生乐摘要云计算是最常被引用的物联网计算模型·该模型采用集中式架构，所有传感器数据都在一个位置存储和处理·尽管有许多优点†该架构在数据在网络上可用时可扩展性较低值得注意的是，†目前†超过50%的互联网连接位于事物之间·这可能会导致实时和延迟敏感应用程序的可靠性问题·边缘计算†基于分散式架构†被称为边缘计算。@tion针对这一新出现的问题：（1）"加强网络边缘的设备（事物）"和（2）"将数据处理推向边缘"边缘计算需要具有更高软件能力和处理能力的传感器节点†与任何嵌入式系统一样†受到功耗的限制·由FPGA和处理器组成的混合硬件系统†为这一要求提供了很好的交换†·众所周知，FPGAs可以在低能耗预算内实现并行和快速计算·耦合处理器为边缘计算节点提供了灵活的软件环境·针对这种混合网络/软件/硬件（SW/HW）的应用程序设计系统总是面临着一项具有挑战性的我们的动机是为这样的系统提供一个同质的设计方法和环境。我们研究了现代设计方法在特定面向对象设计（OOD）中的应用。我们选择OOD的动机是在本论文的上下文中，我们希望使用OOD为以边缘为中心的系统开发一个同质的设计环境。我们的方法解决了三个设计问题：（1 "硬件设计†其中使用面向对象的原则和设计模式来提高硬件系统的可重用性†适应性†和可扩展性·（2"硬件/软件联合设计†我们建议使用OOD来抽象软件/硬件集成）涉及系统模块化和扩展的通信·（@heral nodes in the networks †并允许自动计算远程识别guration·最终†我们的解决方案提供了软件实现复杂分布式算法的灵活性†补充了FPGA性能的充分利用·这些被放置在节点中†尽可能通过传感器†获取数据，以便部署rst有效的密集处理·1联合导演：LoicLagadec NouryBouraqadi&春生乐摘要云计算通常是物联网（IoT）中引用最多的计算模型。该模型采用了一种架构，其中所有传感器数据都以零延迟的方式存储和处理。@on集中式·尽管有许多优点†这种架构的可扩展性很差，即使网络上可用的数据不断增加·值得注意的是，†目前已经†超过@0%的互联网连接是对象间的·这可能会导致实时应用中的能力问题·基于去中心化架构的边缘计算†被称为一种流行的解决方案通过以下方式解决这一新出现的问题：（1）加强网络边缘的设备，（2）将数据处理推向边缘。边缘计算需要具有更高软件容量和处理能力的传感器节点†，尽管受到功耗的限制·混合硬件系统构成FPGA和处理器为这一要求提供了一个很好的折衷方案。众所周知，FPGA允许显示空间并行性的计算†以及它们的速度†，同时尊重能源预算。·将处理器耦合到FPGA以形成节点保证了该节点的灵活软件环境·这种类型的混合系统（网络/软件）的应用程序设计el/硬件"仍然是一项艰巨的任务·它涵盖了从高级软件到低级硬件（FPGA）的广泛专业领域·这导致了复杂的系统设计难题e †涉及使用来自不同工程领域的工具·一个常见的解决方案是提供一个异构的设计环境，结合/集成所有这些工具。然而，由于这种方法固有的异质性，在以下情况下，可能会损害系统的能力：工具之间的数据交换这项工作的目的是为这样一个系统提出一种方法论和一个设计环境。这是基于一种方法论的应用，特别是设计。面向对象（OOD）†在嵌入式系统领域·我们选择OOD是因为这种方法在软件系统开发中的生产力得到了证明·在本论文的框架内†我们使用OOD为边缘计算类型的系统开发一致的设计环境是合理的·我们的方法解决了三个设计问题：（1 "硬件设计†，其中使用面向对象的原则和设计模式来提高可重用性†适应性和可扩展性。@硬件系统的可行性·（2"硬件/软件协同设计†，我们建议使用OOD a n来抽象硬件和软件之间的集成和通信†，这鼓励了系统的模块化和可扩展性·（）边缘计算中间件的设计·因此可以依赖于分布式应用程序的集中开发环境†，而@giciel促进了边缘节点在网络中的集成†并实现了自动远程计算·在nal †我们的解决方案为算法的实现提供了软件的灵活性我的分布式复合体†并允许充分利用FPGA的性能·这些被放置在节点†中，尽可能靠近传感器的数据采集†，以部署第一个密集的f cace处理·i致我的女儿iiiii内容物1引言11·1背景：物联网†边缘计算和FPGA· · ········ ·11·1·1物联网································11·1·2网络物理系统边缘计算1·1·在物联网中使用FPGA进行边缘计算：Bene ts and Challenges1·2研究目标和贡献························1·2·1研究目标·····························1·2·2捐款·································1.论文大纲8.论文大纲8.论文大纲8.论文大纲8.论文大纲8.论文大纲8.论文大纲8.论文大纲8.论文大纲8.论文大纲8.论文大纲8.论文大纲8.论文大纲8.论文大纲8.论文大纲8.论文大纲8.论文大纲8.论文大纲8.论文大纲8.论文大纲8.论文大纲82最新技术水平92. 1边缘计算············ · ············102. 1. 1用于边缘计算的专用SN · ······ ············102·1·2使用FPGA进行物联········ ············112·1·讨论··········· ············112·2硬件设计背景············ ············122·2·1概述······················· ············122·2·2硬件设计方法·· ········ ············122·2·讨论·········· ············1使用MDE ············第一章2··1驱动工程模型 · · · · · · · · · · · · · · ············第一章2··2基于组件的方法· · · · · · · · · · · ············16基于平台的方法············· ············18UML和基于对象的方法 · ·· ············202··5摘要······················· ············222·软件/硬件合作设计· · · · · · · · · · · · · · · · ············22·š·1早期绑定方法········· ············22·s·2后期绑定方法·······························································262.讨论····································································272·5定位我们的工作·····使用OoRC Meta ¹模型29在硬件设计中推广面向对象原则·1引言··················· ····················1·1 OoRCin aNutshell······················································································2·2电路结构建模··································ivŠ·Š A Simpliʘed DSL for HW Design·· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · Š5··1 DSL概述· ···························· 5岁 Š·Š·2OoRCScript语法································ 5岁粗粒化建模：使用面向对象技术的硬件系统级设计。 七号v················šOoRCBridge：FPGA与高级软件的591.概述......60·2硬件体系结构·············62·2·1接口模板······························62·2·2解决方案····························· 第六章š·2·IP集成支持内存映射················ 第六章软件/硬件通信中间件。65第1层系统层65第2层API第2层API第2层API66使用中间件的软件开发。66中间件对链路性能的影响67硬件可控制性和调试·· ··········695案例研究：使用OoRCBridge工具集和中间件进行机器人开发71·············1硬件设计的基本OO概念。 ············8.·š·2基本OO设计操作 ············x0硬件设计中的OOD模式 ············x0·5电路模型变换· · · · · · · · · · · · · · · · ············ 第七章·5·1转型过程概述 · · · · ·· ············ 第七章·5·2导出电路模型·············· ············第八章通过专用的HDL解析器重用传统的HDL ············第八章自动电路集成和Con guration ············50·5·5讨论···················· ············51·5·1场景··································71š·5·2使用硬件断点调试 · · ················7š·5·FPGA与处理器·························· 第七章通过ROS中间件进行··············755.案例研究1：执行图像处理的摄像头传感器节点········885··································885··········································································905·5案例研究2：使用CARDIN进行分布式算法开发和部署··915·6摘要···············955CaRDIN：基于可穿戴传感器的网络795·1 Cardin：概述···························································································805.2节点的体系结构。82使用CaRDIN的中间件进行边缘到中心节点开发。85.. 1 CaRDIN的85 2自动远程SW/HW侦察节点的·······855讨论······· ·······87vi·vii6结论和观点976·1投稿摘要·································6·2当前和未来的作品99参考文献111viiiix确认文件首先†我想对我的顾问Noury Bouraqadi教授和Loic Lagadec教授表示衷心的感谢，感谢他们对我的博士研究和相关研究的持续支持†感谢他们的耐心†热情†和丰富的知识·他们的指导在我研究和撰写本文的整个过程中帮助了我·我无法想象我的博士研究会有更好的顾问和导师··我也感谢我的上级，感谢他们的善良，感谢他们在技术和科学方面的可用性和建议，就像我在论文中所做的那样，没有他们的宝贵支持，就不可能进行这项研究。感 谢 我 的 顾 问 和 主 管 † 我 想 感 谢 我 的 论 文 委 员 会 的 其 他 成 员 ： 教 授 ·OlivierR.Romain†D.R.AnneEtien†D.T.HomasLedoux和D.R.AhceneBounceur†感谢他们的洞察力和鼓励†但也感谢这个困难的问题，这个问题使我从不同的角度开始我的研究我感谢我在IMT Lille Douai和ENSTA Bretagne的同事们，在过去的三年里，我和他们一起工作很开心，也很开心。最后但并非最不重要的†我要感谢我的家人：我的妻子† Phuong TRAN和我的女儿†UyenNhi†在我写这篇论文和我的生活中给予我精神上的支持·春生乐xxi图列表2·1硬件设计生产率差距：芯片上可用的晶体管数量与设计中使用的晶体管数量[int11†Sed06]· · ···· ·122·2 四层元建模框架· · ····················· · 152. Modeltransformations允许通过执行转换来重塑输入模型使用TR转换引擎的R规则·························································15 2·模型变换的类阳离子·························E很少结合：同时设计SW/HW和Separately·An需要自动映射过程来接口两个部件· · ······· · ·252·6后期绑定：SW/HW部件由单个模型指定（基于语言）或基于MDE的·1Simpli仅可合成数据类型的端口。* 第二章硬件结构的元描述······················创建一个新的描述································ 六号·5在硬件级设计中使用面向对象的技术················· ·10应用于硬件设计的复合模式的基本结构··&···········模型（HDL/Verilog†等）。" 第八章15个HDL设计在转换为电路模型之前被使用OoRCAdapter· ··················································································· ·51·17 A prede ned Master ¹ slave bus接口：IP设计者只需要子类Slave or·····································································信号的值将导致所有相关进程变为活动状态·· · ······ ·5·19类二进制图设计和我们的syn模型的相应GUI实现论文工具集················ · 56š·1内存映射用于从软件提供对FPGA的方便访问·解决方案必须尽可能通用以允许系统重用······61xii在OoRCBridge中† OOD用于设计接口模板·使用设计†重新设计和丰富以提供通用†自动化和模块化IP集成机制········································添加 由总线自动读取的模式基因controller········6šš·š OoRCBridge中间件为硬件通信提供通用APIOoRC工具集自动生成应用程序speci c访问类使用这些API· ·········································································软件对象·它可以被认为是从软件67 š·6连续读/写测试的性能测量的硬件访问的网关············· · 68 6DebuggableSlave允许自动将调试子电路注入到从设备中，并把它变成一个断点控制器。698 .检测电路的原始设计· ···················· · 72š·9使用OoRCSCript混合使用导入的VHDL设计和自定义设计像素计数器简单计数所有接收到的像素。7š·10并行使用š HSV lters的检测电路的优化设计· · · ···· ·7š·11在左边†软件和硬件之间的功耗·在右侧†每个版本的每帧处理时间·····························································································在不同窗口中发布主题/spybot/Objects的频率消息的大小...765·1 CaRDIN的工作开发人员需要：（15·2以边缘为中心的节点的简单硬件/软件架构：通过最大化软件/硬件的可重用性，使系统尽可能通用······································manner;（b和服务器节点。································· · 85·š列表中示例的自动部署和远程调用5·1· · ··· ·855如果SW/HW未部署或过期†分布式对象的初始化将自动触发节点的确认guration· ····················（5·7b）"频繁获取测试（[t，tlastly（5·7c有球吗？·········································································· 95·9帧缓冲器单元被像素计数器单元取代，以计数ltered像素·95·10通过CaRDIN中间件部署和执行分布式应用程序· 95xiii列表·1一 种 简 单 的 低 通 FIRlteryn=xn+xn− 的 大 灯 实 现·······š8.设计重 复使用· ··················· ·8.使用继承和覆盖特性优化SimpleFIR的实现·Š9·5抽象架构· ································· x0·6 OoRCScript抽象方法· ····························· x0·7向现有像素添加计数器的示例 š1·8使用适配器模式实现接口转换·························· 5 · 12行为模拟实现· · · ····················· · 5š·1在软件中使用硬件断点的示例·HWCounterMapping简单硬件计数器的访问类·此计数器具有输入和输出信号†，计数范围为0到输入值（100比较器的第二个操作数。 70š·2 ROS API和OoRCBridge中间件API的混合·代码发布对象通 过 ROS 中 间 件 的 位 置 · ······················· ·75ExampleApp-S S S y n c i z a b l e O b j e c t 的 子 类 - 是 一 个 具 有 1 个注释方法（#factorialOf：要求节点计算10†的因数，然后将其打印到基站上···8š5·2分布式类的示例·使用pragma的方法远程执行·其他方法在本地执行。························· · 885.使用CaRDIN的摄像机监控令牌环实现示例xivxv词汇表API应用程序Progr ammingInter face·iv†x†xi†2†8†1š†20†0†1 †5† 8†59†62†65- 7 1 † 7 5 † 7 6 † 79† 8 1- 8 5 † 9† 8 5 † 8 9 † 9AST抽象语法树99AXI高级可扩展接口62BIFF伯克利逻辑交换格式CAD计算机辅助设计·1†2†š8†57†98†99CLBCon可管理逻辑块（s公共对象请求代理体系结构CPS网络物理系统DO A分布式对象API·8DSL域Speci c语言·iii†29EC边缘计算·†š†10†11电子设计自动化·12†17†18飞行情报区有限脉冲响应·ix†xi†5 Š†6 †š8FPGAAFMC有限状态机18†20†26†27带数据路径的FSMD有限状态机定时器通用输入/输出·72GUIGr图形用户界面r面·ix†18†1†55†56†99描述语言·12- 1 š † 1 7 † 1 8 † 2 0 - 2 2 †2 š † 2 5† 2 7† 2 8† 0† 0 1† 5†1†5HLS高级合成·1†2š†26Š†0 †60HTTPHypertextTransferPr otocol·82†87†90H. W.R.d.e.iii.iv† ix†x†5I2C国际集成电路·xi†š5†š6