Contribution to fixed-point system design
Contribution à la conception de systèmes en virgule fixe
Résumé
My research activities are in the domain of efficient implementation of image and signal processing applications into embedded systems. Challenged by the increasing complexity of embedded systems and short time to market pressure, new techniques for system design and efficient tools to capture the complexity and help perform design activity are under perennial demand. The process of fixed-point refinement is an important step that occurs soon after application/algorithm design and before any kind of implementation effort. It is a long, tedious and error prone task. Our research objective is to propose efficient methods and to develop a tool for fixed-point refinement of systems. Different techniques for optimizing the implementation of applications in embedded systems have been the object of our study. The study focuses on digital communication applications, energy consumption and optimized fixed-point data representations. Evaluating the effects of finite precision is one of the major and often the most time consuming step while performing fixed-point refinement. An analytical approach based on perturbation theory has been proposed. In this approach, an expression for the quantization noise power at the output of a system composed of smooth operations is determined. For systems comprising of un-smooth operations, a technique that uses both simulation and analytical techniques, a mixed-approach, has been defined. Different contributions for automation of fixed-point conversion have been proposed. A stochastic approach for dynamic range evaluation of fixed-point systems, word-length optimization in the context of high-level synthesis and a divide-and-conquer approach based on hierarchical decomposition for fixed-point refinement of complex systems have been developed. A tool for automatic fixed-point conversion and numerical accuracy evaluation has been developed. Different works have been carried-out on the implementation of digital communication systems and the generation of IP blocks. Moreover, the concept of dynamic precision scaling (DPS) has been proposed and a flexible and reconfigurable architecture, supporting DPS, has been developed.
Mes activités de recherche se situent dans le domaine de l'implantation efficace d'applications de traitement du signal et de l'image (TDSI) au sein de systèmes embarqués. Face à la complexité grandissante des applications implantées au sein des systèmes embarqués, et face à la nécessité de réduire les temps de mise sur le marché, des méthodes et les outils associés sont nécessaires pour automatiser le processus d'implantation de ces applications sur des plateformes embarquées. A l'interface entre les phases de conception des algorithmes de TDSI et d'implantation au sein des systèmes embarqués, la conversion en virgule fixe reste une tache longue, fastidieuse et source d'erreurs. L'objectif de nos travaux de recherche est de proposer une méthodologie efficace de conversion automatique en virgule fixe et de développer les outils associés. De plus, la mise en œuvre de techniques permettant d'optimiser l'implantation d'applications au sein de systèmes embarqués a été étudiée. Plus particulièrement, les applications de communication numérique, les aspects énergétiques et la représentation optimisée des données en virgule fixe ont été considérés. Dans le processus de conversion en virgule fixe, l'évaluation des effets de la précision finie sur les performances de l'application est l'un des problèmes majeurs. Différents travaux de recherche ont permis de définir une approche analytique d'évaluation de la précision basée sur la théorie de la perturbation. Cette approche détermine l'expression de la puissance du bruit de quantification pour les systèmes composés d'opérations dont le modèle de bruit peut être linéarisé. Pour traiter les systèmes intégrant des opérations dont le modèle de bruit n'est pas linéaire, une approche mixte combinant simulation et méthodes analytiques a été proposée. Différentes contributions pour l'automatisation du processus de conversion en virgule fixe ont été proposées. Elles concernent l'évaluation de la dynamique à travers des approches stochastiques, l'optimisation de la largeur des données dans le cas de la synthèse d'architectures et la définition d'une approche hiérarchique pour traiter des systèmes complexes. Une infrastructure logicielle a été développée pour réaliser la conversion en virgule fixe et évaluer efficacement la précision des calculs. Différents travaux ont été conduits sur l'implantation d'applications de communication numérique au sein de systèmes embarqués et sur la génération de blocs matériels dédiés. De plus, le concept d'adaptation dynamique de la précision a été proposé et une architecture reconfigurable et flexible, supportant l'ADP, a été développée.
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