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<h1>TP4 : Exécution sur architecture multi-cluster</h1>
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[[PageOutline]]

TP Précédent: MjpegCourse/Multipro

= 0. Objectif =

On cherche dans ce quatrième TP à augmenter encore le débit de la chaîne de décompression,
pour permettre - par exemple - de traîter des images de plus grandes dimensions,
tout en respectant la fréquence video.
Cette augmentation de débit peut être obtenue en augmentant la fréquence d'horloge, mais
cette approche a évidemment des limites. On essayera donc plutôt d'augmenter le parallélisme 
de traitement du flux MJPEG.

Pour augmenter le parallélisme, il ne suffit pas d'augmenter le nombre de processeurs dans 
l'architecture matérielle, il faut également augmenter le nombre de tâches de l'application
logicielle, ce qui impose de modifier la structure du TCG.

 * La première partie du TP vise la définition d'un graphe de tâches ''multi-pipeline''.
 * La seconde partie du TP porte sur la définition d'une architecture matérielle ''multi-clusters''.
 * La troisième partie du TP analyse l'impact du placement des canaux de communication
   sur les bancs mémoire dans les architectures `NUMA` (Non Uniform Memory Access).

Commencez par créer un répertoire de travail `tp4`, et recopiez dans ce répertoire les différents
fichiers et/ou répertoires sources contenus dans le répertoire `tp3`.

= 1. Parallélisation du TCG =

Le TCG défini dans le TP1 et re-utilisé dans les TP2 et TP3 comportait 7 tâches. Il exploitait 
un parallélisme de type ''macro-pipeline''.
Différentes tâches traitent différents blocs de la même image: Toutes les tâches s'exécutent
en parallèle, mais sur des blocs différents de l'image.
Il est difficile d'augmenter le nombre d'étages de ce macro-pipeline, car les tâches les plus coûteuses
en temps de calcul (VLD et IDCT) ne se découpent pas facilement en sous-tâches.

[[Image(mjpeg_multi.png, align=right)]]

On va donc exploiter un autre type de parallélisme en utilisant deux pipelines
de décompression. Chaque pipeline traite une image complête. 
On introduit une tâche chargée de distribuer aternativement aux deux pipe-line le flux MJPEG.
Cette nouvelle tâche `split` se situera entre les tâches `tg` et `demux`.
La tâche `libu` doit être modifiée pour récupérer alternativement les images décompressées
provenant des deux pipelines, avant de les envoyer vers la tâche `ramdac`. 

Modifiez la structure du TCG dans la description DSX de l'application.
Vous devez introduire un nouveau modèle de tâche pour la tâche `split`, et modifiier
le modèle de la tâche `libu`. Il faut ensuite modifier
la topologie du TCG en définissant explicitement  toutes les intances de tâches et tous
les canaux de communication nécessaires. 

Le code de la tâche `split` doit analyser octet par octet le flux MJPEG, pour détecter
le marqueur de début d'image (SOI = 0xffd8), de façon à l'aiguiller vers le bon canal de sortie.  

Pour valider fonctionnellement cette nouvelle description de l'application logicielle, 
déployez-la sur station de travail POSIX. vous devez voir les mêmes images qu'avant, dans le même ordre.

= 2. Architecture matérielle multi-processeur clusterisée =

Pour supporter la charge induite par ces nouvelles tâches, il faut augmenter
le nombre d'unités de traitement (processeurs ou coprocesseurs). 
Pour éviter que l'accès à la mémoire devienne un goulot d'étranglement,
il est également souhaitable d'augmenter le nombre de bancs mémoire physique, de façon
à répartir les données. Et lorsque le nombre d'entités communicantes (initiateurs ou cibles) augmente, 
il est utile de structurer l'architecture en sous-systèmes.

Cette structuration a des justifications fonctionnelles:
 * On cherche à regrouper dans un même sous-sytème les différents composants 
   matériels qui réalisent une même partie de l'application, et communiquent fortement entre eux. 
 * Elle facilite également la réalisation matérielle : Chaque sous-système pourra être implanté 
   physiquement dans un même domaine synchrone, et utiliser sa propre horloge, 
   conformément au principe GALS (Globally Asynchronous, Locally Synchronous).

[[Image(MjpegCourse/ClusteredNoirqMulti:clustered_noirq_multi.png, align=right)]]

Chaque sous-système constitue un ''cluster'', et contient des processeurs, 
de la mémoire, et dispose de son propre mécanisme d'interconnexion local.

Les différents clusters sont interconnectés entre eux par une micro-réseau à interface
VCI/OCB, qui pourra être modélisé par un composant `Vgmn`.

On utilisera comme mécanisme d'interconnexion interne à chaque cluster le composant 
!LocalCrossbar (voir SoclibComponents). Ce composant matériel est un petit crossbar,
qui possède un nombre variable de ports ''initiateur'' et ''cible''
permettant de connecter les composants matériels appartenant au cluster. Il possède également
deux ports ''initiateur'' et ''cible'' permettant l'accès au micro-réseau, représentés dans la
description DSX comme un seul port.

Cette structuration aboutit donc à l'utilisation d'un mécanisme d'interconnexion à deux niveaux
(interconnect global: `Vgmn`, et interconnect local: `LocalCrossbar`), bien que tous les
composants matériels (initiateurs et cibles) continuent à partager le même espace d'adressage.
{{{
#!comment
Un processeur d'un cluster peut adresser directement un banc mémoire ou un périphérique
appartenant à un autre cluster. La principale conséquence est que tous les composants matériels
de l'architecture doivent maintenant être identifiés par un double index:
 * un index global définissant le cluster.
 * un index local identifant le composant dans le cluster. 
}}}

Pour faciliter l'exploration architecturale, on souhaite définir une architecture générique
dont les paramètres sont:
 * la latence minimale du Vgmn
 * le nombre de clusters et, pour chaque cluster,
   * le nombre de bancs mémoire
   * le nombre de processeurs

Utilisez la définition de l'architecture [MjpegCourse/ClusteredNoirqMulti ClusteredNoirqMulti].

= 3. Déploiement et exploration architecturale =

Modifiez la description DSX de l'application MJPEG:
 * Remplacez l'instanciation de !VgmnNoirqMulti par
{{{
archi = ClusteredNoirqMulti( cpus = [1, 2, 2, 1],
                             rams = [1, 1, 1, 1],
                             min_latency = 10 )
}}}
 * Remplacez le déploiement de `tg` et `ramdac` sur {{{archi.vgmn}}} par un déploiement
   sur {{{archi.cluster[0]}}} et {{{archi.cluster[3]}}} respectivement.

La structure de l'application logicielle (TCG), et l'architecture matérielle étant définies,
l'exploration architecturale consiste donc à analyser l'influence du placement des 
objets logiciels sur les composants matériels. On s'intéresse tout particulièrement 
au placement des canaux de communication sur les bancs mémoire physiques.

Dans ce type d'architecture multi-clusters, les temps d'accès à la mémoire sont très différents,
suivant qu'un processeur adresse la mémoire locale au sous-système, ou à un autre sous-système.
On parle d'architecture NUMA (Non Uniform Memory Access).

Refaites le placement des canaux de communication de manière ''intelligente''. Essayez ensuite de
varier sur le placement du verrou par rapport au placement du canal, de placer le canal plutôt du
côté de la consommation, ou de la production, ...

 * Redéployez les canaux MWMR et les tâches sur les rams aux noms de la forme `[uc]ram<no cluster>_<no>`

[[Image(MjpegCourse:q.gif)]] Combien faut-il de cycles pour décompresser 25 images?

[[Image(MjpegCourse:q.gif)]] Essayez d'en extraire un critère de performance en fonction des
placements.[[BR]]
Pour cette question, si vous trouvez la simulation trop longue pour 25 images, ne vous basez pas
sur la simulation pour une image, car le pipeline de traitement est vide au départ. Essayez
de prendre au moins les 7 premières images, et d'ignorer le temps de ''remplissage'' (premières
images).


= 4. Compte-Rendu =

Comme pour les TP précédents, vous rendrez une archive contenant:
{{{
$ tar tzf binome0_binome1.tar.gz
tp4/
tp4/rapport.pdf
tp4/mjpeg/
tp4/mjpeg/mjpeg.py
tp4/mjpeg/src/
tp4/mjpeg/src/iqzz/iqzz.c
tp4/mjpeg/src/iqzz/iqzz.task
tp4/mjpeg/src/libu/libu.c
tp4/mjpeg/src/libu/libu.task
tp4/mjpeg/src/split/split.c
tp4/mjpeg/src/split/split.task
}}}

Cette archive devra être livrée avant le mardi 10 mars 2008, 18h00 à [MailAsim:nipo Nicolas Pouillon]

= Suite =

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