[論文レビュー] Allowing Software Developers to Debug HLS Hardware

Jeffrey Goeders, Steven J. E. Wilton|arXiv (Cornell University)|Aug 27, 2015

Embedded Systems Design Techniques参考文献 13被引用数 8

ひとこと要約

本論文では、ソフトウェア開発者が高水準合成（HLS）で生成されたハードウェアを、馴染みのあるソフトウェアデバッグ技術を用いてデバッグできるデバッグフレームワークを提示する。ハードウェア信号をソースコード変数にマッピングし、ステップバイステップでの実行可視化を可能にすることで、ソフトウェア開発とハードウェア実装の間の意味的ギャップを埋め、LegUp HLSツールチェインにおける非ハードウェア専門家によるアクセス性を著しく向上させる。

ABSTRACT

High-Level Synthesis (HLS) is emerging as a mainstream design methodology, allowing software designers to enjoy the benefits of a hardware implementation. Significant work has led to effective compilers that produce high-quality hardware designs from software specifications. However, in order to fully benefit from the promise of HLS, a complete ecosystem that provides the ability to analyze, debug, and optimize designs is essential. This ecosystem has to be accessible to software designers. This is challenging, since software developers view their designs very differently than how they are physically implemented on-chip. Rather than individual sequential lines of code, the implementation consists of gates operating in parallel across multiple clock cycles. In this paper, we report on our efforts to create an ecosystem that allows software designers to debug HLS-generated circuits in a familiar manner. We have implemented our ideas in a debug framework that will be included in the next release of the popular LegUp high-level synthesis tool.

研究の動機と目的

• ソフトウェア開発者の視点からHLSで生成されたハードウェア設計のデバッグ課題に対処すること。
• 高水準ソフトウェアコードと並列的でゲートレベルのハードウェア実装との間の意味的ギャップを埋めること。
• ソフトウェアエンジニアが利用可能な分析、デバッグ、最適化を支援するデバッグエコシステムを構築すること。
• スムーズなワークフロー統合を実現するため、LegUp HLSツールにユーザーフレンドリーなデバッグインターフェースを統合すること。
• ソースコード構造に整合したステップバイステップ実行トレースと信号可視化を可能にすること。

提案手法

• ハードウェア信号を高水準ソースコード変数にマッピングすることで、意味的文脈を保持すること。
• ハードウェア設計のステップバイステップ実行をサポートするデバッグインターフェースを実装すること。
• クロックサイクルごとの信号変化をソースコード行に関連付けて可視化すること。
• 標準的なソフトウェアデバッグワークフローと互換性を持つデバッグフレームワークをLegUp HLSツールに拡張すること。
• ソースレベルのアノテーションを用いて、ハードウェア信号とソフトウェア構造を関連付けること。
• 従来のソフトウェアデバッガと同様のブレークポイントと変数のインスペクションをサポートすること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハードウェア設計に不慣れなソフトウェア開発者が、ハードウェアデバッグをどのように容易にできるようにできるか？
• RQ2 複雑で並列的なハードウェア動作を、順次的でソフトウェア的な論理に戻すために必要な抽象化レベルは何か？
• RQ3 HLSツールにおけるデバッグワークフローを、確立されたソフトウェア開発実践とどのように一致させられるか？
• RQ4 合成済みハードウェアにおいて、効果的な信号トレースと可視化を実現するメカニズムは何か？
• RQ5 HLSツールチェインにデバッグ機能を統合する際、パフォーマンスや使いやすさを損なわずに実現する方法は何か？

主な発見

• 提案されたデバッグフレームワークは、ハードウェア信号をソースコード変数に成功してマッピングし、直感的なナビゲーションとインスペクションを可能にした。
• フレームワークはステップバイステップ実行トレースをサポートしており、開発者がクロックサイクルごとの信号変化をソースコードと関連付けて観察できる。
• LegUpへの統合により、ソフトウェア開発者がブレークポイントや変数インスペクションといった馴染みのあるデバッグパラダイムを活用できるようになった。
• ハードウェア解析中にソースコードの論理的フローを保持することで、ソフトウェア開発者の認知的負荷を軽減した。
• フレームワークは実世界のHLSツールチェインにおいて実現可能性と使いやすさを示しており、開発生産性の向上に寄与した。
• 本アプローチは、HLSにおけるソフトウェア開発とハードウェア実装の間の意味的ギャップを効果的に埋めることに成功した。