A Unifying Platform-Based Approach for the Design of Heterogeneous Systems

Nell’ultimo decennio la ricerca nel campo dei Sistemi Dedicati è stata spinta dal desiderio di introdurre intelligenza nell’ambiente e in infrastrutture fisiche, con lo scopo di creare un pianeta intelligente. Dispositivi embedded vengono utilizzati per inserire in maniera distribuita capacità di ragionamento nell’ambiente fisico. Questo ha portato alla nascita di nuove tipologie di sistemi, come i Sistemi Ciberfisici, gli Smart System, il concetto di “Sciame di Sensori”, l’Internet of Things e molti altri: tutti caratterizzati da un enorme livello di eterogeneità. Questa eterogeneità viene introdotta da diversi aspetti del flusso id progettazione. Per prima cosa, le sotto-componenti che compongono questi sistemi sono solitamente sviluppate utilizzando tecnologie diverse e domini di progettazione differenti: HW analogico e digitale deve convivere sullo stesso oggetto con SW e parti sviluppate per implementare differenti processi fisici. Queste parti richiedono tecniche di progettazione e strumenti differenti, tipici del dominio di progettazione del sotto-componente considerato. Inoltre, uno stesso componente può essere modellato a diversi livelli di astrazione durante i vari passi del flusso di progettazione, e diversi livelli di astrazione possono coesistere all’interno dello stesso modello del sistema. Infine, diversi punti di vista e problematiche di progetto devono essere presa in considerazione a causa della natura, spesso critica, dei sistemi in oggetto. Queste possono comprendere problemi di costo, di consumo energetico, di vincoli di temperatura o vincoli geometrici. In passato sono stati proposti diversi approcci per gestire l’eterogeneità nel campo dell’ingegneria dei sistemi. In particolare il concetto di Platform-based Design è emerso come approccio più promettente in quanto sussume tutti gli altri approcci combinando i vantaggi delle metodologie basate sia su modellazione e raffinamento (top-down) che quelle basate su riuso di componenti (bottom-up). Infatti, permette sia la sintesi da specifiche di alto livello che il riuso di componenti, supporta diversi livelli di astrazione e l’ortogonalizzazione e l’analisi delle diverse problematiche di progetto. Tuttavia, nonostante l’approccio sia stato ampliamente definito nella sua teoria, manca pesantemente di strumenti per la sua applicazione attraverso l’integrazione dei componenti e la simulazione efficiente di descrizioni a livello di sistema, limitandone l’applicabilità del paradigma di progettazione. Lo scopo di questa tesi è di coprire questa mancanza proponendo un approccio unificante capace di riconciliare le descrizioni eterogenee dei componenti di un sistema in un unica rappresentazione omogenea e simulabile. Per fare ciò, il flusso di progettazione proposto parte da un insieme di specifiche ad alto livello delle funzionalità da implementare ed una libreria di componenti precedentemente implementati e testati, disponibili per il riuso. I modelli delle specifiche e dei componenti sono eterogenei, nel senso che possono essere espressi usando formalismi, linguaggi e strumenti diversi, oltre che che diversi livelli di astrazione e intesi per essere implementati da tecnologie diverse. Questi vengono tradotti, manipolati ed astratti attraverso un insieme di tecniche in modo da produrre un modello della funzionalità del sistema che può venire simulato. Questo permette una simulazione veloce del sistema che impatta positivamente su tutti quei passi del flusso di progettazione che richiedono l’analisi dinamica del sistema. Tutto questo è implementato in maniera automatica da un insieme di strumenti sviluppati utilizzando un framework omogeneo chiamato HIFSuite. Il vantaggio principale che si ottiene applicando l’approccio proposto è la possibilità di riusare tecniche tipiche della progettazione di sistemi omogenei, estendendole per essere applicate al caso di sistemi eterogenei.

Last decade research on Embedded Systems has been heavily pushed by the desire to create smarter infrastructures, environments and, in general, a smarter planet. Embedded devices have been employed to perform monitoring, control and communication in order “to embed” intelligence into widely distributed physical environments. This led to the introduction of new kinds of systems such as Cyber-Physical Systems, Smart Systems, Sensory Swarm, Internet of Things and many others, all characterized by a huge amount of heterogeneity. This heterogeneity is introduced in different aspects of the design. First of all, the sub-parts composing these systems belong to different design domains, such as digital and analog HW, embedded SW, networking, mechanical or chemical processes, thus requiring heterogeneous expertise and different tools typical of every domain involved. Moreover, distinct abstraction levels must be considered during the design process and they should be brought together into unique heterogeneous models. Finally, different design concerns, such as power consumption or reliability, affect the design quality due to the often safety-critical target of these systems. To take care of this heterogeneity, many approaches have been proposed in the field of systems engineering. However, in the recent years Platform-Based Design, has emerged subsuming all the previous approaches. It aims at providing both the advantages of bottom-up and top-down approaches. It provides support for different abstraction levels, allows the separation of concerns and enhances compositional design. However, the state of the art lacks of practical frameworks and approaches that allow for both easy reuse of pre-designed components and fast system-level simulation. This thesis aims at covering this lack by proposing a unifying approach to reconcile the heterogeneous components composing a system, into a unified homogeneous executable representation. Thus, the proposed design flow starts from the high-level specification of the functionalities the system must implements, and a library of already implemented components. The models composing both the high-level specification and the library of components are heterogeneous in the sense that they can be expressed with different formalisms and languages, levels of abstraction or belonging to different design domains. Then, through a set of translation, abstraction and manipulation techniques, the approach creates a behavioral model of the system as an executable specification. This will provide fast system-level simulation, thus positively impacting all the design steps relying on simulation techniques. Automation is provided by implementing the methodologies proposed by this thesis within translation, manipulation and abstraction tools on top of a homogeneous framework called HIFSuite. The most positive consequence of the adoption of this approach is the chance to re-use typical techniques developed for the design of homogeneous devices (e.g., digital HWdesign), by extending them to the case of heterogeneous systems.