Contribution to the optimization of Embedded processor code density

Les systèmes embarqués prennent une place de plus en plus grande dans le marché actuelavec des dispositifs basée sur des systèmes on-chip. Ces systèmes embarqués ont descontraintes très fortes concernant leurs coût, taille, consommation, fiabilité et dimensions.Dans ce contexte la densité de code d'un processeur devient un critère important.Dans cette thèse l'idée était de prendre un processeur RISC(l'APS3 de la société Cortus)qui a de bonne performance pour le monde embarqué et d'augmenter sa densité de code.Plusieurs méthodes ont été testé :– compression à base de Huffman.– compression à base de dictionnaire.– modification du jeu d'instructions.Les méthodes de compression ont montrée leur limites dans notre cas car soit ellesn'étaient pas compatible avec nos objectifs , soit elles offraient un gain pas assez importantcomparé aux surplus en terme de taille et de cycle en plus lors de l'exécution. Ce qui nousa poussé vers la modification du jeu d'instructions.Le résultat obtenu est une augmentation de la taille du code de 25% dans la phase derecherche et de 20.8% dans la version finale du processeur car il aura fallu faire un compromispour garder une petite taille et de bonnes performances.L'APS3CD est le résultat de cette thèse. il a une surface de 49605m2, une fréquencemaximale de 444 MHZ, un score de 2.16 DMIPS/MHZ et une consommation de12 W/MHZ(UMC90). il offre 20.8% de gain par rapport à l'APS3 et 40% par rapport aucortex-m3 (avec gcc) qui est une référence en terme de densité de code dans le marché.Toutefois le gain obtenu peut être augmente en travaillant sur le compilateur car lecompilateur actuel (gcc) n'utilise pas pleinement les instructions complexes ajoutés (dansquelque cas). Une continuation possible serait de travailler sur un compilateur qui soitmeilleur que gcc qui à la base n'est pas destinée aux systèmes embarqué avec des demandesde densité de code. Un exemple est la différence de taille du code entre gcc etiar ou keil pour les processeurs ARM.Since the market is moving toward portable devices with a one device System on-Chip(SoC), code density of a processor becomes an important criteria.The idea of this thesis was to improve the code density of the Cortus processor theAPS3, which is an embedded RISC processor with good performances.Several methods were tried :– Huffman compression.– Dictionnary based compression.– Instruction set modification.Compression methods have shown their limits in this case either because they werenot compatible with our goals or did not provided a gain large enough compared to surplusesin terms of size and cycle number when running. This prompted us to modifie theinstruction set.The result was 25% of code density improvement in the research phase and 20.8% ofcode density improvement in the final version of the processor because we had to keepgood perfomances and small size of the APS3.APS3CD is the result of this thesis. It has an area of 49605m2, a maximum frequencyof 444 MHZ, a score of 2.16 DMIPS/MHz and a consumption of 12W/MHZ(UMC90). itoffers 20.8% gain over the APS3 and 40% compared to the cortex-m3 (with gcc) which is arefrence in termof code density in the market.However, the gain can be increased by working on the compiler because the currentcompiler (gcc) does not fully utilize the complex instructions added (in some cases). Apossible continuation would be to work on a compiler better than gcc wich is not designedfor embedded systems applications with code density at the base. An example is the codesize difference between gcc and keil or iar for ARM processors