Multiprocessing systems development for implementation of applications

Abstract

This dissertation presents the author’s research in the field of multiprocessing systems for implementation of applications. The main objective is the identification of the optimum heterogeneous multiprocessing design architecture for a given application. This objective is tackled though two different approaches: a) formulation of a theoretical model that can be used to optimize each system according to the application’s specification and platform’s characteristics and b) direct approach through finding the optimum architecture for two characteristic and high performance applications with hard real-time requirements. The developed theoretical model formulation is based on Integer Linear Programming and can be used to identify the optimum architecture and task assignment for a given application and a specific platform. The first application used to implement a working example of an optimized MPSoC system is a real-time machine vision system for real-time flow detection on microfluidic Lab-on-Chips. The system is designed to follow a 60 fps camera with 1 Mpixel resolution. The second application used is a high performance 2D pixel clustering implementation for streaming data. The implementation was originally designed to be used in the ATLAS Fast TracKer processor, an upgrade for the Trigger and Data Acquisition system of the ATLAS detector.

Το αντικείμενο αυτής της διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη πολυεπεξεργαστικών συστημάτων για υλοποίηση εφαρμογών. Ο βασικός στόχος της διατριβής είναι ο εντοπισμός του βέλτιστου ετερογενούς πολυεπεξεργαστικού συστήματος για την υλοποίηση κάθε συγκεκριμένης εφαρμογής. Ο στόχος αυτός επιτυγχάνεται μέσω δύο διαφορετικών προσεγγίσεων: α) διατύπωση ενός θεωρητικού μοντέλου που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη βελτιστοποίηση κάθε συστήματος σύμφωνα με τις απαιτήσεις κάθε εφαρμογής και β) ευθεία αντιμετώπιση του προβλήματος με ανεύρεση της βέλτιστης αρχιτεκτονικής για δύο χαρακτηριστικές εφαρμογές υψηλών απαιτήσεων με ανελαστικές προδιαγραφές απόκρισης σε πραγματικό χρόνο. Το θεωρητικό μοντέλο που αναπτύχθηκε στηρίζεται στο Γραμμικό Προγραμματισμό Ακεραίων και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να εντοπίσει τη βέλτιστη αρχιτεκτονική αλλά και τη βέλτιστη ανάθεση εργασιών σε κάθε επεξεργαστική μονάδα για κάθε εφαρμογή και συγκεκριμένη πλατφόρμα υλοποίησης. Η πρώτη εφαρμογή που χρησιμοποιήθηκε για την υλοποίηση ενός λειτουργικού πολυεπεξεργστικού συστήματος είναι ένα σύστημα μηχανικής όρασης με απαιτήσεις απόκρισης σε πραγματικό χρόνο για την ανίχνευση ροών σε μικρορροϊκά Lab-on-Chip. Το σύστημα έχει σχεδιαστεί για να ακολουθεί κάμερα με ταχύτητα 60 καρέ το δευτερόλεπτο και ανάλυση 1 Mpixel. Η δεύτερη εφαρμογή που χρησιμοποιήθηκε είναι μια υλοποίηση ενός δισδιάστατου αλγορίθμου συσταδοποίησης εικονοστοιχείων (2D pixel clustering) υψηλών απαιτήσεων. Η υλοποίηση αυτή αρχικά σχεδιάστηκε για τον επεξεργαστή Fast TracKer του ATLAS, μία αναβάθμιση του συστήματος δειγματοληψίας του ανιχνευτή ATLAS.