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Écriture et Exécution des Partitions Multimédias Interactives Fiables sur FPGAs

Écriture et Exécution des Partitions Multimédias Interactives Fiables sur FPGAs

Jaime Arias Almeida

May 01, 2015
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  1. Écriture et Exécution des Partitions Multimédias
    Interactives Fiables sur FPGAs *
    Jaime Arias, Myriam Desainte-Catherine, et Camilo Rueda
    Laboratoire Bordelais de Recherche en Informatique (LaBRI)
    Université de Bordeaux
    Les Cycles Arts et Sciences
    Bordeaux, Mai 2015
    1

    *. Projet ANR OSSIA et SCRIME

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  2. Plan
    Partitions Multimédias Interactives
    FPGAs
    Exemple
    Remarques Finales

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  3. Plan
    Partitions Multimédias Interactives
    FPGAs
    Exemple
    Remarques Finales

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  4. Partitions Multimédias Interactives
    Qu’est-ce que c’est ?
    • Les Partitions Interactives † (IS) sont une modèle formelle pour
    l’écriture et l’exécution de scénarios multimédias interactives.
    • Quelques applications :
    ◦ Des spectacles vivants.
    ◦ Des installations muséales interactives.
    ◦ Des arts plastiques.
    †. Antoine Allombert. Aspects Temporels d’un Système de Partitions Musicales Interactives pour la
    Composition et l’Exécution. PhD thesis, Université de Bordeaux, 2009
    Arias, Desainte-Catherine, et Rueda (LaBRI) Écriture et Exécution des Partitions Interactives Fiables sur FPGAs 1/12
    1/12

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  5. Partitions Multimédias Interactives
    Qu’est-ce que c’est ?
    • Actuellement, IS est implémenté dans le logiciel i-score †
    †. Site d’i-score : http://i-score.org/
    Arias, Desainte-Catherine, et Rueda (LaBRI) Écriture et Exécution des Partitions Interactives Fiables sur FPGAs 2/12
    2/12

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  6. Partitions Multimédias Interactives
    Quelques problèmes…
    • Les scénarios multimédias interactives accomplissent :
    ◦ tâches en temps réel,
    ◦ des calculs intensif,
    ◦ le traitement d’un grand ensemble de données.
    • Parfois la performance des ordinateurs ordinaires ne suffit pas.
    • La plupart des applications multimédias sont exécutés sur des
    architectures et des systèmes d’exploitation qui ne fournissent pas une
    faible latence et une performance en temps réel.
    • I-score est implémenté en utilisant des fils † : non déterminisme et
    faillibilité.
    †. Edward A. Lee. The problem with threads. Computer, 39(5) :33–42, May 2006
    Arias, Desainte-Catherine, et Rueda (LaBRI) Écriture et Exécution des Partitions Interactives Fiables sur FPGAs 3/12
    3/12

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  7. Plan
    Partitions Multimédias Interactives
    FPGAs
    Exemple
    Remarques Finales

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  8. FPGAs
    Qu’est-ce que c’est ?
    D Q
    Q
    Look-up Table
    (LUT)
    Flip Flop
    Mux
    Clock
    I0
    I1
    I2
    I3
    Out
    Configurable Logic Blocks (CLBs)
    Programmable Interconnection
    Network
    Configurable Input/Output Blocks (IOBs)
    Arias, Desainte-Catherine, et Rueda (LaBRI) Écriture et Exécution des Partitions Interactives Fiables sur FPGAs 4/12
    4/12

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  9. FPGAs
    Qu’est-ce que c’est ?
    • L’utilisation de FPGAs † a augmenté au cours des dernières années et
    à la fois le coût a été réduit.
    • Les FPGAs ont déjà été utilisés avec succès dans diverses applications
    industrielles :
    ◦ Aérospatial
    ◦ Automoteur
    ◦ Médical
    ◦ Traitement de la vidéo et du son.
    †. Réseau de Portes Programmables in situ
    Arias, Desainte-Catherine, et Rueda (LaBRI) Écriture et Exécution des Partitions Interactives Fiables sur FPGAs 5/12
    5/12

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  10. FPGAs
    Qu’est-ce que c’est ?
    • L’utilisation de FPGAs a augmenté au cours des dernières années et à
    la fois le coût a été réduit.
    • Les FPGAs ont déjà été utilisés avec succès dans diverses applications
    industrielles † :
    ◦ Aérospatial
    ◦ Automoteur
    ◦ Médical
    ◦ Traitement de la vidéo et du son.
    †. J.J. Rodriguez-Andina, M.J. Moure, and M.D. Valdes. Features, Design Tools, and Application
    Domains of FPGAs. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 54(4) :1810–1823, August 2007
    Arias, Desainte-Catherine, et Rueda (LaBRI) Écriture et Exécution des Partitions Interactives Fiables sur FPGAs 5/12
    5/12

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  11. FPGAs
    Qu’est-ce que c’est ?
    • Les FPGAs offrent les avantages suivants † :
    ◦ Reconfigurabilité
    ◦ Langages de conception de haut niveau
    ◦ Parallélisme physique
    ◦ Haute vitesse
    ◦ Fiabilité
    ◦ Réutilisation
    †. Rahul Dubey. Introduction to Embedded System Design Using Field Programmable Gate Arrays.
    Springer London, London, 2009
    Arias, Desainte-Catherine, et Rueda (LaBRI) Écriture et Exécution des Partitions Interactives Fiables sur FPGAs 6/12
    6/12

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  12. FPGAs
    Un petit exemple *
    *. Jeff Bier and Jennifer Eyre. BDTI study certifies high-level synthesis flows for DSP-centric
    FPGA design. Xcell Journal, 71 :12–17, Q2 2010
    Arias, Desainte-Catherine, et Rueda (LaBRI) Écriture et Exécution des Partitions Interactives Fiables sur FPGAs 7/12
    7/12

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  13. FPGAs
    DSP vs FPGA *
    *. Luc Langlois. Multirate digital signal processing for high-speed data converters. Xcell Journal,
    73 :50–53, Q4 2010
    Arias, Desainte-Catherine, et Rueda (LaBRI) Écriture et Exécution des Partitions Interactives Fiables sur FPGAs 8/12
    8/12

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  14. Plan
    Partitions Multimédias Interactives
    FPGAs
    Exemple
    Remarques Finales

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  15. Exemple
    Texture B
    Texture A
    Structure C
    Structure D
    Texture F
    Texture G
    Texture E
    déclenchée à 21 s
    2 s
    1 s
    4 s
    ∆ = 6 s
    ∆ = 14 s
    ∆ = 10 s
    ∆ = 4 s
    Arias, Desainte-Catherine, et Rueda (LaBRI) Écriture et Exécution des Partitions Interactives Fiables sur FPGAs 9/12
    9/12

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  16. Exemple
    Texture B
    Texture A
    Structure C
    Structure D
    Texture F
    Texture G
    Texture E
    déclenchée à 21 s déclenchée à 31 s
    2 s
    1 s
    4 s
    ∆ = 6 s
    ∆ = 14 s
    ∆ = 10 s
    ∆ = 4 s
    Arias, Desainte-Catherine, et Rueda (LaBRI) Écriture et Exécution des Partitions Interactives Fiables sur FPGAs 9/12
    9/12

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  17. Exemple
    Arias, Desainte-Catherine, et Rueda (LaBRI) Écriture et Exécution des Partitions Interactives Fiables sur FPGAs 10/12
    10/12

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  18. Exemple
    Arias, Desainte-Catherine, et Rueda (LaBRI) Écriture et Exécution des Partitions Interactives Fiables sur FPGAs 10/12
    10/12

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  19. Exemple
    Arias, Desainte-Catherine, et Rueda (LaBRI) Écriture et Exécution des Partitions Interactives Fiables sur FPGAs 10/12
    10/12

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  20. Exemple
    Arias, Desainte-Catherine, et Rueda (LaBRI) Écriture et Exécution des Partitions Interactives Fiables sur FPGAs 10/12
    10/12

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  21. Exemple
    Arias, Desainte-Catherine, et Rueda (LaBRI) Écriture et Exécution des Partitions Interactives Fiables sur FPGAs 10/12
    10/12

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  22. Exemple
    Arias, Desainte-Catherine, et Rueda (LaBRI) Écriture et Exécution des Partitions Interactives Fiables sur FPGAs 10/12
    10/12

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  23. Exemple
    Arias, Desainte-Catherine, et Rueda (LaBRI) Écriture et Exécution des Partitions Interactives Fiables sur FPGAs 10/12
    10/12

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  24. Plan
    Partitions Multimédias Interactives
    FPGAs
    Exemple
    Remarques Finales

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  25. Remarques Finales
    Sommaire
    • Une nouvelle implémentation matérielle du modèle IS.
    • Une faible latence et une performance en temps réel.
    • La réaction à des événements est presque instantanée.
    • L’exécution n’est pas affectée par le comportement complexe des
    systèmes d’exploitation (e.g., la gestion des interruptions).
    Arias, Desainte-Catherine, et Rueda (LaBRI) Écriture et Exécution des Partitions Interactives Fiables sur FPGAs 11/12
    11/12

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  26. Remarques Finales
    À venir…
    • Intégrer les processus multimédias aux FPGAs (e.g., FAUST †).
    • Implémenter un module Fast Ethernet pour fournir une
    communication faible entre des FPGAs et des applications externes
    fonctionnant sur des ordinateurs standards..
    • Compiler le modèle des Automates Temporisés en FPGA. ✓
    • Extension permettant l’exécution distribuée.
    †. Robert Trausmuth, Christian Dusek, and Yann Orlarey. Using FAUST for FPGA Program-
    ming. In Proceedings of the 9th International Conference on Digital Audio Effects, pages 18–20, 2006
    Arias, Desainte-Catherine, et Rueda (LaBRI) Écriture et Exécution des Partitions Interactives Fiables sur FPGAs 12/12
    12/12

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  27. Remarques Finales
    À venir…
    • Intégrer les processus multimédias aux FPGAs (e.g., FAUST).
    • Implémenter un module Fast Ethernet pour fournir une
    communication faible entre des FPGAs et des applications externes
    fonctionnant sur des ordinateurs standards. †.
    • Compiler le modèle des Automates Temporisés en FPGA. ✓
    • Extension permettant l’exécution distribuée.
    †. Rimas Aviziensis, Adrian Freed, Takahiko Suzuki, and David Wessel. Scalable Connectivity
    Processor for Computer Music Performance Systems. In Proceedings of the International Computer
    Music Conference, 2000
    Arias, Desainte-Catherine, et Rueda (LaBRI) Écriture et Exécution des Partitions Interactives Fiables sur FPGAs 12/12
    12/12

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  28. Remarques Finales
    À venir…
    • Intégrer les processus multimédias aux FPGAs (e.g., FAUST).
    • Implémenter un module Fast Ethernet pour fournir une
    communication faible entre des FPGAs et des applications externes
    fonctionnant sur des ordinateurs standards..
    • Compiler le modèle des Automates Temporisés en FPGA †. ✓
    • Extension permettant l’exécution distribuée.
    †. Jaime Arias, Myriam Desainte-Catherine, and Camilo Rueda. A framework for composition,
    verification and real-time performance of multimedia interactive scenarios. In 15th International Confe-
    rence on Application of Concurrency to System Design (ACSD’15), 2015. To appear
    Arias, Desainte-Catherine, et Rueda (LaBRI) Écriture et Exécution des Partitions Interactives Fiables sur FPGAs 12/12
    12/12

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  29. Remarques Finales
    À venir…
    • Intégrer les processus multimédias aux FPGAs (e.g., FAUST).
    • Implémenter un module Fast Ethernet pour fournir une
    communication faible entre des FPGAs et des applications externes
    fonctionnant sur des ordinateurs standards..
    • Compiler le modèle des Automates Temporisés en FPGA. ✓
    • Extension permettant l’exécution distribuée †.
    †. Frank Opitz, Edris Sahak, and Bernd Schwarz. Accelerating distributed computing with FP-
    GAs. Xcell Journal, 79 :20–27, Q2 2012
    Arias, Desainte-Catherine, et Rueda (LaBRI) Écriture et Exécution des Partitions Interactives Fiables sur FPGAs 12/12
    12/12

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  30. Merci de votre attention !
    e-mail:[email protected]

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  31. Écriture et Exécution des Partitions Multimédias
    Interactives Fiables sur FPGAs *
    Jaime Arias, Myriam Desainte-Catherine, et Camilo Rueda
    Laboratoire Bordelais de Recherche en Informatique (LaBRI)
    Université de Bordeaux
    Les Cycles Arts et Sciences
    Bordeaux, Mai 2015
    1

    *. Projet ANR OSSIA et SCRIME

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  32. Références
    Antoine Allombert. Aspects Temporels d’un Système de Partitions
    Musicales Interactives pour la Composition et l’Exécution. PhD thesis,
    Université de Bordeaux, 2009.
    Jaime Arias, Myriam Desainte-Catherine, and Camilo Rueda. A
    framework for composition, verification and real-time performance
    of multimedia interactive scenarios. In 15th International Conference
    on Application of Concurrency to System Design (ACSD’15), 2015. To
    appear.
    Rimas Aviziensis, Adrian Freed, Takahiko Suzuki, and David Wessel.
    Scalable Connectivity Processor for Computer Music Performance
    Systems. In Proceedings of the International Computer Music
    Conference, 2000.

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  33. Références
    Jeff Bier and Jennifer Eyre. BDTI study certifies high-level synthesis
    flows for DSP-centric FPGA design. Xcell Journal, 71 :12–17, Q2
    2010.
    Rahul Dubey. Introduction to Embedded System Design Using Field
    Programmable Gate Arrays. Springer London, London, 2009.
    Luc Langlois. Multirate digital signal processing for high-speed data
    converters. Xcell Journal, 73 :50–53, Q4 2010.
    Edward A. Lee. The problem with threads. Computer, 39(5) :33–42,
    May 2006.
    Frank Opitz, Edris Sahak, and Bernd Schwarz. Accelerating
    distributed computing with FPGAs. Xcell Journal, 79 :20–27, Q2
    2012.

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  34. Références
    J.J. Rodriguez-Andina, M.J. Moure, and M.D. Valdes. Features,
    Design Tools, and Application Domains of FPGAs. IEEE Transactions
    on Industrial Electronics, 54(4) :1810–1823, August 2007.
    Robert Trausmuth, Christian Dusek, and Yann Orlarey. Using
    FAUST for FPGA Programming. In Proceedings of the 9th
    International Conference on Digital Audio Effects, pages 18–20, 2006.

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