English

The exponential increase of the integration density of integrated circuits in recent years has made it possible to manufacture information processing systems on a single chip (SoC, System-on-Chip). However, the trend to integrate millions of transistors has also led to higher requirements of electric power. The need for cooling as well as the relatively increasing weight and size of the batteries in embedded systems is a problem which is already a limiting constraint for portable and high performance systems.

There is also a problem on the development side: design methodologies for hardware synthesis are not yet on the same abstraction level as software design methodologies, where a paradigm shift happened with the introduction of object oriented programming. The common specification of hardware for synthesis on the register-transfer level often makes it necessary to transfer a higher level system description by hand what implies difficulties in the verification phase. Literature commonly refers to this as the "design-gap".

This work presents an approach to overcome the above problems by introducing a software framework which provides a design methodology across all abstraction levels from a high level specification of the system through architecture exploration up to the physical chip.

It has a high level of power optimization as a design goal which is achieved by three properties of the framework: Firstly, it uses commercially available, highly optimizing EDA tools as much as possible. Secondly, a module library was integrated into the framework which contains highly optimized digital signal processing modules. Thirdly, a quality measure is an integral part of the framework. The integrated measure allows a far better classification of the qualitiy grade of the output concerning human hearing of the processing system than conventional signal-to-noise ratio based classification. This allows for a energy-saving quantization of the hardware operators.

The framework is evaluated using efficiency examinations for the embedded modules. Further, case studies implementing digital signal processing chains in real hardware are presented.

Deutsch

Durch die exponentielle Steigerung der Integrationsdichte von ICs ist in den vergangenen Jahren der kompakte Aufbau funktional umfangreicher Systeme auf einem Chip möglich geworden. Die Kehrseite der hohen Anzahl der Schaltelemente ist ein stark gestiegener Bedarf an elektrischer Leistung. Der nötige Abtransport der entstehenden Wärme steht dem Aufbau kompakter portabler Systeme ebenso im Wege wie die Bereitstellung der Energie durch großvolumige und schwere Batterien oder Akkus.

Ein weiteres Problem ergibt sich für den Entwurf der Schaltungen, der noch nicht auf dem Stand der Softwaretechnik ist, in der sich mit dem objektorientierten Entwurf ein Paradigmenwechsel ereignet hat: Die übliche Spezifikation auf der relativ hardware-nahen Register-Transfer-Ebene erfordert einen aufwändigen manuellen Transfer von der Systemebene, der die Verifikation des Systems zudem stark erschwert. Dies wird in der Literatur als Entwurfs-Lücke (Design-Gap) bezeichnet.

In dieser Arbeit soll ein Lösungsansatz für die vorstehenden Probleme auf Basis eines Software-Rahmenwerks (Frameworks) erarbeitet werden, das einen durchgängigen, ebenenübergreifenden Hardwareentwurf mit einer Hardwarespezifikation auf Verhaltensebene ermöglicht.

Dabei wird ein hoher Optimierungsgrad für die Verlustleistung gefordert, der durch drei Design-Charakteristika des Frameworks erzielt werden soll: Erstens nutzt das Framework so weit es geht kommerziell verfügbare, hoch optimierte EDA-Werkzeuge. Zweitens ist eine Modulbibliothek in das Framework integriert, die optimierte Komponenten für die Signalverarbeitung enthält. Drittens verfügt das Framework über ein Qualitätsmaß für Audiosignale, das bessere Vorhersagen über die durch einen menschlichen Hörer empfundene Qualität eines Signals ermöglicht als das gewöhnlich angewendete Signal-Rausch-Verhältnis; Auf diese Weise ist eine energiesparende Quantisierung der Operatoren möglich und die Verifikation wird erleichtert.

Das Software-Framework wird anhand von Beispielen evaluiert, wobei ein Teil der Beispiele Effizienz-Betrachtungen der integrierten Module sind und ein anderer Teil die Umsetzung von Audio-Signalverarbeitungs-Algorithmen als Fallstudien.