Écriture et Exécution des Partitions Multimédias Interactives Fiables sur FPGAs

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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Plan
Partitions Multimédias Interactives
FPGAs
Exemple
Remarques Finales

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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
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• Actuellement, IS est implémenté dans le logiciel i-score †
†. Site d’i-score : http://i-score.org/
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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
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Plan
FPGAs
Exemple
Remarques Finales

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FPGAs
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)
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FPGAs
• 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
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FPGAs
• 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
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FPGAs
• 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
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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
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FPGAs
DSP vs FPGA *
*. Luc Langlois. Multirate digital signal processing for high-speed data converters. Xcell Journal,
73 :50–53, Q4 2010
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Plan
FPGAs
Exemple
Remarques Finales

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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
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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
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Exemple
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Plan
FPGAs
Exemple
Remarques Finales

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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).
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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
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Remarques Finales
À venir…
• Intégrer les processus multimédias aux FPGAs (e.g., FAUST).
fonctionnant sur des ordinateurs standards. †.
†. 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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Remarques Finales
À venir…
• Compiler le modèle des Automates Temporisés en FPGA †. ✓
†. 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
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Remarques Finales
À venir…
• 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
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Merci de votre attention !
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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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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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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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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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Jaime Arias Almeida

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