Écriture et Exécution des Partitions Multimédias Interactives Fiables sur FPGAs

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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

2. Plan Partitions Multimédias Interactives FPGAs Exemple Remarques Finales

3. Plan Partitions Multimédias Interactives FPGAs Exemple Remarques Finales

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

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

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

7. Plan Partitions Multimédias Interactives FPGAs Exemple Remarques Finales

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

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

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

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

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

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

14. Plan Partitions Multimédias Interactives FPGAs Exemple Remarques Finales

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

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

17. Exemple Arias, Desainte-Catherine, et Rueda (LaBRI) Écriture et Exécution des

    Partitions Interactives Fiables sur FPGAs 10/12 10/12

18. Exemple Arias, Desainte-Catherine, et Rueda (LaBRI) Écriture et Exécution des

    Partitions Interactives Fiables sur FPGAs 10/12 10/12

19. Exemple Arias, Desainte-Catherine, et Rueda (LaBRI) Écriture et Exécution des

    Partitions Interactives Fiables sur FPGAs 10/12 10/12

20. Exemple Arias, Desainte-Catherine, et Rueda (LaBRI) Écriture et Exécution des

    Partitions Interactives Fiables sur FPGAs 10/12 10/12

21. Exemple Arias, Desainte-Catherine, et Rueda (LaBRI) Écriture et Exécution des

    Partitions Interactives Fiables sur FPGAs 10/12 10/12

22. Exemple Arias, Desainte-Catherine, et Rueda (LaBRI) Écriture et Exécution des

    Partitions Interactives Fiables sur FPGAs 10/12 10/12

23. Exemple Arias, Desainte-Catherine, et Rueda (LaBRI) Écriture et Exécution des

    Partitions Interactives Fiables sur FPGAs 10/12 10/12

24. Plan Partitions Multimédias Interactives FPGAs Exemple Remarques Finales

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

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

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

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

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

30. Merci de votre attention ! e-mail:jaime.arias@labri.fr

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

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.

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.

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.