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Private GIT Repository
11ème :
[dmems12.git] / dmems12.tex
index 93d7fbcb04944843aae4cc7af80ee8899a747b27..10db6244de9d66bf5861f7f42700d7a49ee986ba 100644 (file)
@@ -26,7 +26,6 @@
 \newcommand{\tab}{\ \ \ }
 
 
-
 \begin{document}
 
 
@@ -45,7 +44,7 @@
 
 
 
-\title{Using FPGAs for high speed and real time cantilever deflection estimation}
+\title{A new approach based on least square methods to estimate in real time cantilevers deflection with a FPGA}
 \author{\IEEEauthorblockN{Raphaël Couturier\IEEEauthorrefmark{1}, Stéphane Domas\IEEEauthorrefmark{1}, Gwenhaël Goavec-Merou\IEEEauthorrefmark{2} and Michel Lenczner\IEEEauthorrefmark{2}}
 \IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{1}FEMTO-ST, DISC, University of Franche-Comte, Belfort, France\\
 \{raphael.couturier,stephane.domas\}@univ-fcomte.fr}
@@ -91,19 +90,18 @@ the cantiliver which result in a complex fabrication process.
 
 In this  paper our attention is focused  on a method based  on interferometry to
 measure cantilevers' displacements.  In  this method cantilevers are illuminated
-by  an optic  source. The  interferometry produces  fringes on  each cantilevers
+by  an optic  source. The  interferometry produces  fringes on  each cantilever
 which enables to  compute the cantilever displacement.  In  order to analyze the
 fringes a  high speed camera  is used. Images  need to be processed  quickly and
 then  a estimation  method is  required to  determine the  displacement  of each
-cantilever.  In~\cite{AFMCSEM11},  the authors have  used an algorithm  based on
+cantilever.  In~\cite{AFMCSEM11},  authors have  used an algorithm  based on
 spline to estimate the cantilevers' positions.
 
-   The overall  process gives
-accurate results  but all the computation  are performed on  a standard computer
-using labview.  Consequently,  the main drawback of this  implementation is that
-the computer is a bootleneck in the overall process. In this paper we propose to
-use a  method based on least  square and to  implement all the computation  on a
-FGPA.
+The overall process gives accurate results but all the computations
+are performed on a standard computer using LabView.  Consequently, the
+main drawback of this implementation is that the computer is a
+bootleneck. In this paper we propose to use a method based on least
+square and to implement all the computation on a FGPA.
 
 The remainder  of the paper  is organized as  follows. Section~\ref{sec:measure}
 describes  more precisely  the measurement  process. Our  solution based  on the
@@ -119,13 +117,6 @@ presented.
 \section{Measurement principles}
 \label{sec:measure}
 
-
-
-
-
-
-
-
 \subsection{Architecture}
 \label{sec:archi}
 %% description de l'architecture générale de l'acquisition d'images
@@ -139,24 +130,26 @@ deflection scheme and  sentitive to the angular displacement  of the cantilever,
 interferometry  is sensitive  to  the  optical path  difference  induced by  the
 vertical displacement of the cantilever.
 
-The system build  by authors of~\cite{AFMCSEM11} has been  developped based on a
-Linnick     interferomter~\cite{Sinclair:05}.    It     is     illustrated    in
-Figure~\ref{fig:AFM}.  A  laser diode  is first split  (by the splitter)  into a
-reference beam and a sample beam  that reachs the cantilever array.  In order to
-be  able to  move  the cantilever  array, it  is  mounted on  a translation  and
-rotational hexapod  stage with  five degrees of  freedom. The optical  system is
-also fixed to the stage.  Thus,  the cantilever array is centered in the optical
-system which  can be adjusted accurately.   The beam illuminates the  array by a
-microscope objective  and the  light reflects on  the cantilevers.  Likewise the
-reference beam  reflects on a  movable mirror.  A  CMOS camera chip  records the
-reference and  sample beams which  are recombined in  the beam splitter  and the
-interferogram.   At the  beginning of  each  experiment, the  movable mirror  is
-fitted  manually in  order to  align the  interferometric  fringes approximately
-parallel  to the cantilevers.   When cantilevers  move due  to the  surface, the
-bending of  cantilevers produce  movements in the  fringes that can  be detected
-with    the    CMOS    camera.     Finally    the    fringes    need    to    be
-analyzed. In~\cite{AFMCSEM11}, the authors used a LabView program to compute the
-cantilevers' movements from the fringes.
+The system build by these authors is based on a Linnick
+interferomter~\cite{Sinclair:05}.  It is illustrated in
+Figure~\ref{fig:AFM}.  A laser diode is first split (by the splitter)
+into a reference beam and a sample beam that reachs the cantilever
+array.  In order to be able to move the cantilever array, it is
+mounted on a translation and rotational hexapod stage with five
+degrees of freedom. The optical system is also fixed to the stage.
+Thus, the cantilever array is centered in the optical system which can
+be adjusted accurately.  The beam illuminates the array by a
+microscope objective and the light reflects on the cantilevers.
+Likewise the reference beam reflects on a movable mirror.  A CMOS
+camera chip records the reference and sample beams which are
+recombined in the beam splitter and the interferogram.  At the
+beginning of each experiment, the movable mirror is fitted manually in
+order to align the interferometric fringes approximately parallel to
+the cantilevers.  When cantilevers move due to the surface, the
+bending of cantilevers produce movements in the fringes that can be
+detected with the CMOS camera.  Finally the fringes need to be
+analyzed. In~\cite{AFMCSEM11}, authors used a LabView program to
+compute the cantilevers' deflections from the fringes.
 
 \begin{figure}    
 \begin{center}
@@ -172,23 +165,31 @@ cantilevers' movements from the fringes.
 \subsection{Cantilever deflection estimation}
 \label{sec:deflest}
 
-As shown on image \ref{img:img-xp}, each cantilever is covered by
-interferometric fringes. The fringes will distort when cantilevers are
-deflected. Estimating the deflection is done by computing this
-distortion. For that, (ref A. Meister + M Favre) proposed a method
-based on computing the phase of the fringes, at the base of each
-cantilever, near the tip, and on the base of the array. They assume
-that a linear relation binds these phases, which can be use to
-"unwrap" the phase at the tip and to determine the deflection.\\
+\begin{figure}    
+\begin{center}
+\includegraphics[width=\columnwidth]{lever-xp}
+\end{center}
+\caption{Portion of an image picked by the camera}
+\label{fig:img-xp}   
+\end{figure}
+
+As shown on image \ref{fig:img-xp}, each cantilever is covered by
+several interferometric fringes. The fringes will distort when
+cantilevers are deflected. Estimating the deflection is done by
+computing this distortion. For that, authors of \cite{AFMCSEM11}
+proposed a method based on computing the phase of the fringes, at the
+base of each cantilever, near the tip, and on the base of the
+array. They assume that a linear relation binds these phases, which
+can be use to "unwrap" the phase at the tip and to determine the deflection.\\
 
-More precisely, segment of pixels are extracted from images taken by a
-high-speed camera. These segments are large enough to cover several
-interferometric fringes and are placed at the base and near the tip of
-the cantilevers. They are called base profile and tip profile in the
-following. Furthermore, a reference profile is taken on the base of
-the cantilever array.
+More precisely, segment of pixels are extracted from images taken by
+the camera. These segments are large enough to cover several
+interferometric fringes. As said above, they are placed at the base
+and near the tip of the cantilevers. They are called base profile and
+tip profile in the following. Furthermore, a reference profile is
+taken on the base of the cantilever array.
 
-The pixels intensity $I$ (in gray level) of each profile is modelized by :
+The pixels intensity $I$ (in gray level) of each profile is modelized by:
 
 \begin{equation}
 \label{equ:profile}
@@ -217,7 +218,7 @@ images coming from the camera. The accuracy of results must be close
 to the maximum precision ever obtained experimentally on the
 architecture, i.e. 0.3nm. Finally, the latency between an image
 entering in the unit and the deflections must be as small as possible
-(NB : future works plan to add some control on the cantilevers).\\
+(NB: future works plan to add some control on the cantilevers).\\
 
 If we put aside some hardware issues like the speed of the link
 between the camera and the computation unit, the time to deserialize
@@ -240,21 +241,23 @@ E6650 at 2.33GHz, this program reaches an average of 155Mflops.
 
 Obviously, some cache effects and optimizations on
 huge amount of computations can drastically increase these
-performances : peak efficiency is about 2.5Gflops for the considered
+performances: peak efficiency is about 2.5Gflops for the considered
 CPU. But this is not the case for phase computation that used only few
 tenth of values.\\
 
 In order to evaluate the original algorithm, we translated it in C
-language. Profiles are read from a 1Mo file, as if it was an image
-stored in a device file representing the camera. The file contains 100
-profiles of 21 pixels, equally scattered in the file. We obtained an
-average of 10.5$\mu$s by profile (including I/O accesses). It is under
-are requirements but close to the limit. In case of an occasional load
-of the system, it could be largely overtaken. A solution would be to
-use a real-time operating system but another one to search for a more
-efficient algorithm.
-
-But the main drawback is the latency of such a solution : since each
+language. As said further, for 20 pixels, it does about 1550
+operations, thus an estimated execution time of $1550/155
+=$10$\mu$s. For a more realistic evaluation, we constructed a file of
+1Mo containing 200 profiles of 20 pixels, equally scattered. This file
+is equivalent to an image stored in a device file representing the
+camera. We obtained an average of 10.5$\mu$s by profile (including I/O
+accesses). It is under are requirements but close to the limit. In
+case of an occasional load of the system, it could be largely
+overtaken. A solution would be to use a real-time operating system but
+another one to search for a more efficient algorithm.
+
+But the main drawback is the latency of such a solution: since each
 profile must be treated one after another, the deflection of 100
 cantilevers takes about $200\times 10.5 = 2.1$ms, which is inadequate
 for an efficient control. An obvious solution is to parallelize the
@@ -278,48 +281,62 @@ some hardware constraints specific to FPGAs.
 \section{Proposed solution}
 \label{sec:solus}
 
-Project Oscar aims to provide an hardware and software architecture to
-estimate and control the deflection of cantilevers. The hardware part
-consists in a high-speed camera, linked on an embedded board hosting
-FPGAs. By the way, the camera output stream can be pushed directly
-into the FPGA. The software part is mostly the VHDL code that
-deserializes the camera stream, extracts profile and computes the
-deflection. Before focusing on our work to implement the phase
-computation, we give some general informations about FPGAs and the
-board we use.
+Project Oscar aims  to provide a hardware and  software architecture to estimate
+and  control the  deflection of  cantilevers. The  hardware part  consists  in a
+high-speed camera,  linked on an embedded  board hosting FPGAs. By  the way, the
+camera output stream can be pushed  directly into the FPGA. The software part is
+mostly the VHDL  code that deserializes the camera  stream, extracts profile and
+computes  the deflection. Before  focusing on  our work  to implement  the phase
+computation, we give some general information about FPGAs and the board we use.
 
 \subsection{FPGAs}
 
 A field-programmable gate  array (FPGA) is an integrated  circuit designed to be
-configured by  the customer.  A hardware  description language (HDL)  is used to
-configure a  FPGA. FGPAs are  composed of programmable logic  components, called
-logic blocks.  These blocks can be  configured to perform simple (AND, XOR, ...)
-or  complex  combinational  functions.    Logic  blocks  are  interconnected  by
-reconfigurable  links. Modern  FPGAs  contains memory  elements and  multipliers
-which enables to simplify the design and increase the speed. As the most complex
-operation operation on FGPAs is the  multiplier, design of FGPAs should not used
-complex operations. For example, a divider  is not an available operation and it
-should be programmed using simple components.
-
-FGPAs programming  is very different  from classic processors  programming. When
-logic block are programmed and linked  to performed an operation, they cannot be
-reused anymore.  FPGA  are cadenced more slowly than classic  processors but they can
-performed pipelined as  well as parallel operations. A  pipeline provides a way
-manipulate data quickly  since at each clock top to handle  a new data. However,
-using  a  pipeline  consomes more  logics  and  components  since they  are  not
-reusable,  nevertheless it  is probably  the most  efficient technique  on FPGA.
-Parallel  operations   can  be  used   in  order  to  manipulate   several  data
-simultaneously. When  it is  possible, using  a pipeline is  a good  solution to
-manipulate  new  data  at  each  clock  top  and  using  parallelism  to  handle
-simultaneously several data streams.
-
-%% parler du VHDL, synthèse et bitstream
+configured by the customer. FGPAs are composed of programmable logic components,
+called  configurable logic blocks  (CLB). These  blocks mainly  contains look-up
+tables  (LUT), flip/flops (F/F)  and latches,  organized in  one or  more slices
+connected together. Each CLB can be configured to perform simple (AND, XOR, ...)
+or complex  combinational functions.  They are interconnected  by reconfigurable
+links.  Modern FPGAs  contain memory  elements and  multipliers which  enable to
+simplify the  design and  to increase the  performance. Nevertheless,  all other
+complex  operations, like  division, trigonometric  functions, $\ldots$  are not
+available  and  must  be  done  by   configuring  a  set  of  CLBs.  Since  this
+configuration  is not  obvious at  all, it  can be  done via  a  framework, like
+ISE~\cite{ISE}. Such  a software  can synthetize a  design written in  a hardware
+description language  (HDL), map it onto  CLBs, place/route them  for a specific
+FPGA, and finally  produce a bitstream that is used to  configre the FPGA. Thus,
+from  the developper  point of  view,  the main  difficulty is  to translate  an
+algorithm in HDL code, taking  account FPGA resources and constraints like clock
+signals and I/O values that drive the FPGA.
+
+Indeed, HDL programming is very different from classic languages like
+C. A program can be seen as a state-machine, manipulating signals that
+evolve from state to state. By the way, HDL instructions can execute
+concurrently. Basic logic operations are used to agregate signals to
+produce new states and assign it to another signal. States are mainly
+expressed as arrays of bits. Fortunaltely, libraries propose some
+higher levels representations like signed integers, and arithmetic
+operations.
+
+Furthermore, even if FPGAs are cadenced more slowly than classic
+processors, they can perform pipeline as well as parallel
+operations. A pipeline consists in cutting a process in sequence of
+small tasks, taking the same execution time. It accepts a new data at
+each clock top, thus, after a known latency, it also provides a result
+at each clock top. However, using a pipeline consumes more logics
+since the components of a task are not reusable by another
+one. Nevertheless it is probably the most efficient technique on
+FPGA. Because of its architecture, it is also very easy to process
+several data concurrently. When it is possible, the best performance
+is reached using parallelism to handle simultaneously several
+pipelines in order to handle multiple data streams.
+
 \subsection{The board}
 
 The board we use is designed by the Armadeus compagny, under the name
 SP Vision. It consists in a development board hosting a i.MX27 ARM
 processor (from Freescale). The board includes all classical
-connectors : USB, Ethernet, ... A Flash memory contains a Linux kernel
+connectors: USB, Ethernet, ... A Flash memory contains a Linux kernel
 that can be launched after booting the board via u-Boot.
 
 The processor is directly connected to a Spartan3A FPGA (from Xilinx)
@@ -329,10 +346,11 @@ that communicate between i.MX and Spartan6, using Spartan3 as a
 tunnel. By default, the WEIM interface provides a clock signal at
 100MHz that is connected to dedicated FPGA pins.
 
-The Spartan6 is an LX100 version. It has 15822 slices, equivalent to
-101261 logic cells. There are 268 internal block RAM of 18Kbits, and
-180 dedicated multiply-adders (named DSP48), which is largely enough
-for our project.
+The Spartan6 is an LX100 version. It has 15822 slices, each slice
+containing 4 LUTs and 8 flip/flops. It is equivalent to 101261 logic
+cells. There are 268 internal block RAM of 18Kbits, and 180 dedicated
+multiply-adders (named DSP48), which is largely enough for our
+project.
 
 Some I/O pins of Spartan6 are connected to two $2\times 17$ headers
 that can be used as user wants. For the project, they will be
@@ -347,7 +365,7 @@ phase. The second one, detailed in this article, is based on a
 classical least square method but suppose that frequency is already
 known.
 
-\subsubsection{Spline algorithm}
+\subsubsection{Spline algorithm (SPL)}
 \label{sec:algo-spline}
 Let consider a profile $P$, that is a segment of $M$ pixels with an
 intensity in gray levels. Let call $I(x)$ the intensity of profile in $x
@@ -364,12 +382,12 @@ In order to have the frequency, the mean line $a.x+b$ (see equation \ref{equ:pro
 computed. Finding intersections of $I^s$ and this line allow to obtain
 the period thus the frequency.
 
-The phase is computed via the equation :
+The phase is computed via the equation:
 \begin{equation}
 \theta = atan \left[ \frac{\sum_{i=0}^{N-1} sin(2\pi f x^s_i) \times I^s(x^s_i)}{\sum_{i=0}^{N-1} cos(2\pi f x^s_i) \times I^s(x^s_i)} \right]
 \end{equation}
 
-Two things can be noticed :
+Two things can be noticed:
 \begin{itemize}
 \item the frequency could also be obtained using the derivates of
   spline equations, which only implies to solve quadratic equations.
@@ -379,12 +397,12 @@ Two things can be noticed :
   computation of $\theta$.
 \end{itemize}
 
-\subsubsection{Least square algorithm}
+\subsubsection{Least square algorithm (LSQ)}
 
 Assuming that we compute the phase during the acquisition loop,
-equation \ref{equ:profile} has only 4 parameters :$a, b, A$, and
+equation \ref{equ:profile} has only 4 parameters$a, b, A$, and
 $\theta$, $f$ and $x$ being already known. Since $I$ is non-linear, a
-least square method based an Gauss-newton algorithm must be used to
+least square method based on a Gauss-newton algorithm can be used to
 determine these four parameters. Since it is an iterative process
 ending with a convergence criterion, it is obvious that it is not
 particularly adapted to our design goals.
@@ -392,16 +410,16 @@ particularly adapted to our design goals.
 Fortunatly, it is quite simple to reduce the number of parameters to
 only $\theta$. Let $x^p$ be the coordinates of pixels in a segment of
 size $M$. Thus, $x^p = 0, 1, \ldots, M-1$. Let $I(x^p)$ be their
-intensity. Firstly, we "remove" the slope by computing :
+intensity. Firstly, we "remove" the slope by computing:
 
 \[I^{corr}(x^p) = I(x^p) - a.x^p - b\]
 
 Since linear equation coefficients are searched, a classical least
-square method can be used to determine $a$ and $b$ :
+square method can be used to determine $a$ and $b$:
 
 \[a = \frac{covar(x^p,I(x^p))}{var(x^p)} \]
 
-Assuming an overlined symbol means an average, then :
+Assuming an overlined symbol means an average, then:
 
 \[b = \overline{I(x^p)} - a.\overline{{x^p}}\]
 
@@ -409,22 +427,22 @@ Let $A$ be the amplitude of $I^{corr}$, i.e.
 
 \[A = \frac{max(I^{corr}) - min(I^{corr})}{2}\]
 
-Then, the least square method to find $\theta$ is reduced to search the minimum of :
+Then, the least square method to find $\theta$ is reduced to search the minimum of:
 
 \[\sum_{i=0}^{M-1} \left[ cos(2\pi f.i + \theta) - \frac{I^{corr}(i)}{A} \right]^2\]
 
-It is equivalent to derivate this expression and to solve the following equation :
+It is equivalent to derivate this expression and to solve the following equation:
 
 \begin{eqnarray*}
 2\left[ cos\theta \sum_{i=0}^{M-1} I^{corr}(i).sin(2\pi f.i) + sin\theta \sum_{i=0}^{M-1} I^{corr}(i).cos(2\pi f.i)\right] \\
 - A\left[ cos2\theta \sum_{i=0}^{M-1} sin(4\pi f.i) + sin2\theta \sum_{i=0}^{M-1} cos(4\pi f.i)\right]   = 0
 \end{eqnarray*}
 
-Several points can be noticed :
+Several points can be noticed:
 \begin{itemize}
 \item As in the spline method, some parts of this equation can be
   computed before the acquisition loop. It is the case of sums that do
-  not depend on $\theta$ :
+  not depend on $\theta$:
 
 \[ \sum_{i=0}^{M-1} sin(4\pi f.i), \sum_{i=0}^{M-1} cos(4\pi f.i) \] 
 
@@ -434,7 +452,7 @@ computed.
 \item The simplest method to find the good $\theta$ is to discretize
   $[-\pi,\pi]$ in $nb_s$ steps, and to search which step leads to the
   result closest to zero. By the way, three other lookup tables can
-  also be computed before the loop :
+  also be computed before the loop:
 
 \[ sin \theta, cos \theta, \]
 
@@ -444,8 +462,8 @@ computed.
 
 \end{itemize}
 
-Finally, the whole summarizes in an algorithm (called LSQ in the following) in two parts, one before and one during the acquisition loop :
-\begin{algorithm}[h]
+Finally, the whole summarizes in an algorithm (called LSQ in the following) in two parts, one before and one during the acquisition loop:
+\begin{algorithm}[htbp]
 \caption{LSQ algorithm - before acquisition loop.}
 \label{alg:lsq-before}
 
@@ -466,7 +484,7 @@ Finally, the whole summarizes in an algorithm (called LSQ in the following) in t
    }
 \end{algorithm}
 
-\begin{algorithm}[ht]
+\begin{algorithm}[htbp]
 \caption{LSQ algorithm - during acquisition loop.}
 \label{alg:lsq-during}
 
@@ -531,7 +549,7 @@ Finally, the whole summarizes in an algorithm (called LSQ in the following) in t
 
 \subsubsection{Comparison}
 
-We compared the two algorithms on the base of three criterions :
+We compared the two algorithms on the base of three criteria:
 \begin{itemize}
 \item precision of results on a cosinus profile, distorted with noise,
 \item number of operations,
@@ -550,12 +568,12 @@ discretization correspond to an error of 0.15nm on the lever
 deflection, which is smaller than the best precision they achieved,
 i.e. 0.3nm.
 
-For each test, we add some noise to the profile : each group of two
+For each test, we add some noise to the profile: each group of two
 pixels has its intensity added to a random number picked in $[-N,N]$
 (NB: it should be noticed that picking a new value for each pixel does
 not distort enough the profile). The absolute error on the result is
 evaluated by comparing the difference between the reference and
-computed phase, out of $2\pi$, expressed in percents. That is : $err =
+computed phase, out of $2\pi$, expressed in percents. That is: $err =
 100\times \frac{|\theta_{ref} - \theta_{comp}|}{2\pi}$.
 
 Table \ref{tab:algo_prec} gives the maximum and average error for the two algorithms and increasing values of $N$.
@@ -597,7 +615,7 @@ largely beyond the worst experimental ones.
 
 \begin{figure}[ht]
 \begin{center}
-  \includegraphics[width=9cm]{intens-noise20-spl}
+  \includegraphics[width=\columnwidth]{intens-noise20}
 \end{center}
 \caption{Sample of worst profile for N=10}
 \label{fig:noise20}
@@ -605,7 +623,7 @@ largely beyond the worst experimental ones.
 
 \begin{figure}[ht]
 \begin{center}
-  \includegraphics[width=9cm]{intens-noise60-lsq}
+  \includegraphics[width=\columnwidth]{intens-noise60}
 \end{center}
 \caption{Sample of worst profile for N=30}
 \label{fig:noise60}
@@ -618,52 +636,46 @@ SPL on $N = k\times M$, i.e. the number of interpolated points.
 
 We assume that $M=20$, $nb_s=1024$, $k=4$, all possible parts are
 already in lookup tables and a limited set of operations (+, -, *, /,
-<, >) is taken account. Translating the two algorithms in C code, we
+$<$, $>$) is taken account. Translating the two algorithms in C code, we
 obtain about 430 operations for LSQ and 1550 (plus few tenth for
 $atan$) for SPL. This result is largely in favor of LSQ. Nevertheless,
 considering the total number of operations is not really pertinent for
-an FPGA implementation : it mainly depends on the type of operations
+an FPGA implementation: it mainly depends on the type of operations
 and their
 ordering. The final decision is thus driven by the third criterion.\\
 
-The Spartan 6 used in our architecture has hard constraint : it has no
-built-in floating point units. Obviously, it is possible to use some
-existing "black-boxes" for double precision operations. But they have
-a quite long latency. It is much simpler to exclusively use integers,
-with a quantization of all double precision values. Obviously, this
-quantization should not decrease too much the precision of
-results. Furthermore, it should not lead to a design with a huge
-latency because of operations that could not complete during a single
-or few clock cycles. Divisions are in this case and, moreover, they
-need an varying number of clock cycles to complete. Even
-multiplications can be a problem : DSP48 take inputs of 18 bits
-maximum. For larger multiplications, several DSP must be combined,
-increasing the latency.
-
-Nevertheless, the hardest constraint does not come from the FPGA
-characteristics but from the algorithms. Their VHDL implentation will
-be efficient only if they can be fully (or near) pipelined. By the
-way, the choice is quickly done : only a small part of SPL can be.
-Indeed, the computation of spline coefficients implies to solve a
-tridiagonal system $A.m = b$. Values in $A$ and $b$ can be computed
-from incoming pixels intensity but after, the back-solve starts with
-the lastest values, which breaks the pipeline. Moreover, SPL relies on
-interpolating far more points than profile size. Thus, the end
-of SPL works on a larger amount of data than the beginning, which
-also breaks the pipeline.
-
-LSQ has not this problem : all parts except the dichotomial search
-work on the same amount of data, i.e. the profile size. Furthermore,
-LSQ needs less operations than SPL, implying a smaller output
-latency. Consequently, it is the best candidate for phase
-computation. Nevertheless, obtaining a fully pipelined version
-supposes that operations of different parts complete in a single clock
-cycle. It is the case for simulations but it completely fails when
-mapping and routing the design on the Spartan6. By the way,
-extra-latency is generated and there must be idle times between two
-profiles entering into the pipeline.
-
-%%Before obtaining the least bitstream, the crucial question is : how to
+The Spartan 6 used in our architecture has a hard constraint: it has no built-in
+floating  point  units.   Obviously,  it  is  possible  to   use  some  existing
+"black-boxes"  for double  precision  operations.  But they  have  a quite  long
+latency. It is much simpler to  exclusively use integers, with a quantization of
+all double  precision values. Obviously,  this quantization should  not decrease
+too much the  precision of results. Furthermore, it should not  lead to a design
+with  a huge  latency because  of operations  that could  not complete  during a
+single or few clock cycles. Divisions  are in this case and, moreover, they need
+a varying  number of  clock cycles  to complete. Even  multiplications can  be a
+problem:  DSP48 take  inputs of  18  bits maximum.  For larger  multiplications,
+several DSP must be combined, increasing the latency.
+
+Nevertheless, the hardest constraint does not come from the FPGA characteristics
+but from the algorithms. Their VHDL  implentation will be efficient only if they
+can be fully (or near) pipelined. By the way, the choice is quickly done: only a
+small  part of  SPL  can be.   Indeed,  the computation  of spline  coefficients
+implies to solve  a tridiagonal system $A.m =  b$. Values in $A$ and  $b$ can be
+computed from  incoming pixels intensity  but after, the back-solve  starts with
+the  lastest  values,  which  breaks  the  pipeline.  Moreover,  SPL  relies  on
+interpolating far more points than profile size. Thus, the end of SPL works on a
+larger amount of data than the beginning, which also breaks the pipeline.
+
+LSQ has  not this problem: all parts  except the dichotomial search  work on the
+same  amount  of  data, i.e.  the  profile  size.  Furthermore, LSQ  needs  less
+operations than SPL, implying a  smaller output latency. Consequently, it is the
+best candidate for phase  computation. Nevertheless, obtaining a fully pipelined
+version supposes that  operations of different parts complete  in a single clock
+cycle. It is  the case for simulations but it completely  fails when mapping and
+routing the design  on the Spartan6. By the way,  extra-latency is generated and
+there must be idle times between two profiles entering into the pipeline.
+
+%%Before obtaining the least bitstream, the crucial question is: how to
 %%translate the C code the LSQ into VHDL ?
 
 
@@ -671,20 +683,76 @@ profiles entering into the pipeline.
 
 \section{Experimental tests}
 
+In this section we explain what  we have done yet. Until now, we could not perform
+real experiments  since we just have  received the FGPA  board. Nevertheless, we
+will include real experiments in the final version of this paper.
+
 \subsection{VHDL implementation}
 
+
+
 % - ecriture d'un code en C avec integer
 % - calcul de la taille max en bit de chaque variable en fonction de la quantization.
 % - tests de quantization : équilibre entre précision et contraintes FPGA
 % - en parallèle : simulink et VHDL à la main
-%
+
+
+From the LSQ algorithm, we have written a C program that uses only
+integer values. We use a very simple quantization by multiplying
+double precision values by a power of two, keeping the integer
+part. For example, all values stored in lut$_s$, lut$_c$, $\ldots$ are
+scaled by 1024.  Since LSQ also computes average, variance, ... to
+remove the slope, the result of implied euclidian divisions may be
+relatively wrong. To avoid that, we also scale the pixel intensities
+by a power of two. Futhermore, assuming $nb_s$ is fixed, these
+divisions have a knonw denominator. Thus, they can be replaced by
+their multiplication/shift counterpart. Finally, all other
+multiplications or divisions by a power of two have been replaced by
+left or right bit shifts. By the way, the code only contains
+additions, substractions and multiplications of signed integers, which
+is perfectly adapted to FGPAs.
+
+As said above, hardware constraints have a great influence on the VHDL
+implementation. Consequently, we searched the maximum value of each
+variable as a function of the different scale factors and the size of
+profiles, which gives their maximum size in bits. That size determines
+the maximum scale factors that allow to use the least possible RAMs
+and DSPs. Actually, we implemented our algorithm with this maximum
+size but current works study the impact of quantization on the results
+precision and design complexity. We have compared the result of the
+LSQ version using integers and doubles and observed that the precision
+of both were similar.
+
+Then we built two versions of VHDL codes: one directly by hand coding
+and the other with Matlab using the Simulink HDL coder
+feature~\cite{HDLCoder}. Although the approach is completely different
+we obtained VHDL codes that are quite comparable. Each approach has
+advantages and drawbacks.  Roughly speaking, hand coding provides
+beautiful and much better structured code while Simulink allows to
+produce a code faster.  In terms of throughput and latency,
+simulations shows that the two approaches are close with a slight
+advantage for hand coding.  We hope that real experiments will confirm
+that.
+
 \subsection{Simulation}
 
+Currently, we have only simulated our VHDL codes with GHDL and GTKWave (two free
+tools with linux).  Both approaches led to correct results.  At the beginning of
+our simulations, our  pipiline could compute a new phase each  33 cycles and the
+length of the  pipeline was equal to  95 cycles.  When we tried  to generate the
+corresponding bitsream  with ISE environment  we had many problems  because many
+stages required  more than the  10$n$s required by  the clock frequency.   So we
+needed to decompose  some part of the  pipeline in order to add  some cycles and
+simplify some parts between a clock top.
 % ghdl + gtkwave
 % au mieux : une phase tous les 33 cycles, latence de 95 cycles.
 % mais routage/placement impossible.
 \subsection{Bitstream creation}
 
+Currently both  approaches provide synthesable  bitstreams with ISE.   We expect
+that the  pipeline will  have a latency  of 112  cycles, i.e. 1.12$\mu$s  and it
+could accept new profiles of pixel each 48 cycles, i.e. 480$n$s.
+
 % pas fait mais prévision d'une sortie tous les 480ns avec une latence de 1120
 
 \label{sec:results}