Atualmente, os sistemas eletrônicos integrados seguem o paradigma do projeto baseado em núcleos de hardware. Além de núcleos digitais, tais sistemas podem incluir núcleos analógicos, que, neste caso, dominam os requisitos de teste, como tempo de teste e número adicional de pinos. Consequentemente, há um aumento do custo total de manufatura do dispositivo. O presente trabalho propõe o uso de técnicas de autoteste integrado (BIST) analógico, baseado no reuso de núcleos digitais presentes no mesmo sistema, com objetivo de reduzir os custos relativos ao teste do sistema. Além disso, uma estratégia satisfatória requer um adequado planejamento de teste, de forma a melhor explorar as possibilidades de teste simultâneo de mais de um núcleo e o escalonamento do teste de cada um destes, diminuindo custos associados ao teste. Adaptando uma ferramenta computacional voltada ao planejamento de sistemas compostos exclusivamente de núcleos digitais para o universo dos sistemas mistos e considerando a possibilidade do uso de BIST, pode-se avaliar o impacto da estratégia proposta em termos de tempo de teste, acréscimo de área em virtude das estruturas de teste e pinos extras. Restrições de dissipação de potência também são consideradas. Para validação das hipóteses levantadas, sistemas mistos foram descritos a partir de benchmarks industriais e acadêmicos puramente digitais, através da inclusão de núcleos analógicos. Os resultados obtidos através de simulações com a ferramenta apontam para uma redução no tempo de teste e otimização de custos de pinos e área, além da redução no custo de equipamentos automatizados de teste (ATE), para o caso de teste de produção. Com isso, uma redução no custo total do procedimento de teste de tais sistemas pode ser alcançada. / Currently, integrated electronic systems follow the core-based design paradigm. Such systems include not only digital circuits as internal blocks, but also analog circuits, which dominate test resources, such as testing time, extra pins and overhead area, thus increasing the total manufacture cost of these devices. The present work proposes the application of analog Built-in Self Test (BIST) techniques based on the reuse of available digital cores within the same integrated system, aiming to reduce the test costs of the analog cores. Moreover, a satisfactory strategy requires an adequate test planning, so that the design space is better explored. By adapting a software tool, which was originally designed for test planning of exclusively digital SOC, to consider analog cores, as well as the possibility of BIST, one can evaluate the impact of the proposed strategy in terms of test application time, area overhead due to test structures added and extra pins. Power dissipation restrictions may also be taken into account. In order to validate the hypotheses considered, mixed-signal systems are described from digital industrial and academic benchmarks, just adding analog cores. Through simulation with the adapted tool, the obtained results point to a decrease in the system test time, as well as a reduction in the cost of Automatic Test Equipment (ATE), in case of a production test. Thus, a reduction in the overall cost of the test procedure for such devices can be achieved.

A Memória Transacional (TM) surgiu nos últimos anos como uma nova solução para sincronização em sistemas multiprocessados de memória compartilhada, permitindo explorar melhor o paralelismo das aplicações ao evitar limitações inerentes ao mecanismo de locks. Neste modelo, o programador define regiões de código que devem executar de forma atômica. O sistema tenta executá-las de forma concorrente, e, em caso de conflito nos acessos à memória, toma as medidas necessárias para preservar a atomicidade e isolamento das transações, na maioria das vezes abortando e reexecutando uma das transações. Um dos modelos mais aceitos de memória transacional em hardware é o LogTM, implementado neste trabalho em um MPSoC embarcado que utiliza uma NoC para interconexão. Os experimentos fazem uma comparação desta implementação com locks, levando-se em consideração performance e energia do sistema. Além disso, este trabalho mostra que o tempo que uma transação espera para reiniciar sua execução após ter abortado (chamado de backoff delay on abort) tem impactos significativos na performance e energia. Uma análise deste impacto é feita utilizando-se de três políticas de backoff. Um mecanismo baseado em um handshake entre transações, chamado Abort handshake, é proposto como solução para o problema. Os resultados dos experimentos são dependentes da aplicação e configuração do sistema e indicam ganhos da TM na maioria dos casos em relação ao mecanismo de locks. Houve redução de até 30% no tempo de execução e de até 32% na energia de aplicações de baixa demanda de sincronização. Em um segundo momento, é feita uma análise do backoff delay on abort na performance e energia de aplicações utilizando três políticas de backoff em comparação com o mecanismo Abort handshake. Os resultados mostram que o mecanismo proposto apresenta redução de até 20% no tempo de execução e de até 53% na energia comparado à melhor política de backoff dentre as analisadas. Para aplicações com alta demanda de sincronização, a TM mostra redução no tempo de execução de até 63% e redução de energia de até 71% em comparação com o mecanismo de locks. / Transactional Memory (TM) has emerged in the last years as a new solution for synchronization on shared memory multiprocessor systems, allowing a better exploration of the parallelism of the applications by avoiding inherent limitations of the lock mechanism. In this model, the programmer defines regions of code, called transactions, to execute atomically. The system tries to execute transactions concurrently, but in case of conflict on memory accesses, it takes the appropriate measures to preserve the atomicity and isolation, usually aborting and re-executing one of the transactions. One of the most accepted hardware transactional memory model is LogTM, implemented in this work in an embedded MPSoC that uses an NoC as interconnection mechanism. The experiments compare this implementation with locks, considering performance and energy. Furthermore, this work shows that the time a transaction waits to restart after abort (called backoff delay on abort) has significant impact on performance and energy. An analysis of this impact is done using three backoff policies. A novel mechanism based on handshake of transactions, called Abort handshake, is proposed as a solution to this issue. The results of the experiments depends on application and system configuration and show TM benefits in most cases in comparison to the locks mechanism, reaching reduction on the execution time up to 30% and reduction on the energy consumption up to 32% on low contention workloads. After that, an analysis of the backoff delay on abort on the performance and energy is presented, comparing to the Abort handshake mechanism. The proposed mechanism shows reduction of up to 20% on the execution time and up to 53% on the energy, when compared to the best backoff policy. For applications with a high degree of synchronization, TM shows reduction on the execution time up to 63% and energy savings up to 71% compared to locks.

O objetivo deste trabalho é propor técnicas de alocação dinâmica de tarefas periódicas em MPSoCs homogêneos, com processadores interligados por uma rede emchip do tipo malha, visando redução do consumo de energia do sistema. O foco principal é a definição de uma heurística de alocação, não se considerando protocolos de escalonamento distribuído, uma vez que este ainda é um primeiro estudo para o desenvolvimento de um alocador dinâmico. Na arquitetura alvo utilizada, cada nodo do sistema é dado como autônomo, possuindo seu próprio escalonador EDF. Além disso, são aplicadas técnicas de voltage scaling e power managmenent para redução do consumo de energia durante o escalonamento. Durante a pesquisa do estado da arte, não foram encontradas técnicas de alocação dinâmica em NoCs com restrições temporais e minimização do consumo de energia. Por isso, esse trabalho se concentra em avaliar técnicas de alocação convencionais, como bin-packing e técnicas baseadas em teoria de grafos, no contexto de sistemas embarcados. Dessa forma, o modelo de estimativas do consumo de energia de alocações é baseado no escalonamento de grafos de tarefas, e foi utilizado para implementar a ferramenta Serpens com este propósito. Os grafos de tarefas utilizados nos experimentos são tirados do benchmark E3S – Embedded System Synthesis Benchmark Suite, composto por um conjunto de grafos de tarefas gerados aleatoriamente com a ferramenta TGFF – Task Graph for Free, a partir de dados de aplicações comuns em sistemas embarcados obtidos no EEMBC – Embedded Microprocessor Benchmark Consortium. Entre as heurísticas de bin-packing, Best-Fit, First-Fit e Next-Fit geram alocações com concentração de carga, enquanto a heurística Worst-Fit faz balanceamento de carga. O balanceamento de carga favorece a aplicação de voltage scaling enquanto a concentração favorece o power management. Como o bin-packing não contempla comunicação e dependência entre tarefas em seu modelo, o mesmo foi reformulado para atender esta necessidade. Nos experimentos, a alocação inicial com bin-packing original apresentou perdas de deadlines de até 84 % para a heurística Worst-Fit, passando para perdas em torno de 16% na alocação final, praticamente com o mesmo consumo de energia, após a reformulação do modelo. / The goal of this work is to offer dynamic allocation techniques of periodic tasks in mesh networks-on-chip, aiming to reduce the system power consumption. The main focus is the definition of an allocation heuristic, which does not consider distributed scheduling protocols, since this is the beginning of a study for the development of a dynamic partitioning tool. In the target architecture, each system node is self-contained, that is, the nodes contain their own EDF scheduler. Besides, voltage-scaling and power management techniques are applied for reducing power consumption during the scheduling. To the best of our knowledge, this is the first research effort considering both temporal constraints and power consumption minimization on the dynamic allocation of tasks in a mesh NoC. This way, our concentrates in the evaluation of dynamic allocation techniques, which are generally used in distributed systems, in the embedded systems context, as bin-packing and graph theory based techniques. Therefore, the estimation model for power consumption is based on task graph scheduling, and it was used for implementing the Serpens tool with this purpose. The task graphs used in the experiments were obtained from the E3S benchmark (Embedded System Synthesis Benchmark Suite), which is composed by a set of task graphs randomly generated with the TGFF tool (Task Graph for Free), from common application data obtained from the EEMBC (Embedded Microprocessor Benchmark Consortium). Among the bin-packing heuristics, Best-Fit, First-Fit, and Next-Fit generate allocations with load concentration, while the Worst-Fit heuristics works with load balancing. Load balancing favors the application of voltage scaling, while load concentration favors the utilization of power management. Since the bin-packing model does not consider inter-task communication and dependency, it has been modified to fulfill this need. In the experiments, the initial allocation using the original bin-packing model presented deadline losses of up to 84% for the Worst-Fit heuristic, changing for losses around 16% in the final allocation, after modification of the model, maintaining almost the same power consumption.

Com a redução das dimensões dos dispositivos nas tecnologias sub-micrônicas foi possível um grande aumento no número de IP cores integrados em um mesmo chip e consequentemente novas arquiteturas de comunicação são usadas bucando atingir os requisitos de desempenho e potência. As redes intra-chip (Networks-on-Chip) foram propostas como uma plataforma alternativa de comunicação capaz de prover interconexões e comunicação entre os cores de um mesmo chip, tratando questões como desempenho, consumo de energia e reusabilidade para grandes sistemas integrados. Por outro lado, a mesma evolução tecnológica dos processos nanométricos reduziu drasticamente a confiabilidade de circuitos integrados, tornando dispositivos e interconexões mais sensíveis a novos tipos de falhas. Erros podem ser gerados por variações no processo de fabricação ou mesmo pela susceptibilidade do projeto, quando este opera em um ambiente hostil. Na comunicação de NoCs as duas principais fontes de erros são falhas de crosstalk e soft errors. No passado, se assumia que interconexões não poderiam ser afetadas por soft errors, por não possuirem circuitos seqüenciais. Porém, quando NoCs são usadas, buffers e circuitos seqüenciais estão presentes nos roteadores e, consequentemente, podem ocorrer soft errors entre a fonte e o destino da comunicação, provocando erros. Técnicas de tolerância a falhas, que tem sido aplicadas em circuitos em geral, podem ser usadas para proteger roteadores contra bit-flips. Neste cenário, este trabalho inicia com a avaliação dos efeitos de soft errors e falhas de crosstalk em uma arquitetura de NoC, através de simulação de injeção de falhas, analisando detalhadamente o impacto de tais falhas no roteador. Os resultados mostram que os efeitos dessas falhas na comunicação do SoC podem ser desastrosos, levando a perda de pacotes e travamento ou indisponibilidade do sistema. Então é proposta e avaliada a aplicação de um conjunto de técnicas de tolerância a falhas em roteadores, possibilitando diminuir os soft errors e falhas de crosstalk no nível de hardware. Estas técnicas propostas foram baseadas em códigos de correção de erros e redundância de hardware. Resultados experimentais mostram que estas técnicas podem obter zero erros com 50% a menos de overhead de área, quando comparadas com a duplicação simples. Entretanto, algumas dessas técnicas têm um grande consumo de potência, pois toda essas técnicas são baseadas na adição de hardware redundante. Considerando que as técnicas de proteção baseadas em software também impõe um considerável overhead na comunicação devido à retransmissão, é proposto o uso de técnicas mistas de hardware e software, que podem oferecer um nível de proteção satisfatório, baseado na análise do ambiente onde o sistema irá operar (soft error rate), fatores relativos ao projeto e fabricação (variações de atraso em interconexões, pontos susceptíveis a crosstalk), a probabilidade de uma falha gerar um erro em um roteador, a carga de comunicação e os limites de potência e energia suportados. / As the technology scales down into deep sub-micron domain, more IP cores are integrated in the same die and new communication architectures are used to meet performance and power constraints. Networks-on-Chip have been proposed as an alternative communication platform capable of providing interconnections and communication among onchip cores, handling performance, energy consumption and reusability issues for large integrated systems. However, the same advances to nanometric technologies have significantly reduced reliability in mass-produced integrated circuits, increasing the sensitivity of devices and interconnects to new types of failures. Variations at the fabrication process or even the susceptibility of a design under a hostile environment might generate errors. In NoC communications the two major sources of errors are crosstalk faults and soft errors. In the past, it was assumed that connections cannot be affected by soft errors because there was no sequential circuit involved. However, when NoCs are used, buffers and sequential circuits are present in the routers, consequently, soft errors can occur between the communication source and destination provoking errors. Fault tolerant techniques that once have been applied in integrated circuits in general can be used to protect routers against bit-flips. In this scenario, this work starts evaluating the effects of soft errors and crosstalk faults in a NoC architecture by performing fault injection simulations, where it has been accurate analyzed the impact of such faults over the switch service. The results show that the effect of those faults in the SoC communication can be disastrous, leading to loss of packets and system crash or unavailability. Then it proposes and evaluates a set of fault tolerant techniques applied at routers able to mitigate soft errors and crosstalk faults at the hardware level. Such proposed techniques were based on error correcting codes and hardware redundancy. Experimental results show that using the proposed techniques one can obtain zero errors with up to 50% of savings in the area overhead when compared to simple duplication. However some of these techniques are very power consuming because all the tolerance is based on adding redundant hardware. Considering that softwarebased mitigation techniques also impose a considerable communication overhead due to retransmission, we then propose the use of mixed hardware-software techniques, that can develop a suitable protection scheme driven by the analysis of the environment that the system will operate in (soft error rate), the design and fabrication factors (delay variations in interconnects, crosstalk enabling points), the probability of a fault generating an error in the router, the communication load and the allowed power or energy budget.

Atualmente, novas metodologias de projeto são necessárias devido a crescente complexidade dos sistemas embarcados. Metodologias no nível de sistema são propostas para auxiliar o projetista a lidar com a crescente complexidade, iniciando o projeto em um nível de abstração mais alto que o nível de transferência de registradores. Ferramentas de estimativa de desempenho são uma importante parte das metodologias no nível de sistema, visto que as mesmas auxiliam a exploração do espaço de projeto desde os estágios iniciais. O objetivo desta tese é definir uma metodologia integrada para estimativa de desempenho do software. Atualmente, nota-se a crescente utilização de software embarcado, inclusive utilizando múltiplos processadores, visando atender os requisitos de flexibilidade, desempenho e potência consumida. O desenvolvimento de estimadores de desempenho de software não é trivial, devido à utilização de processadores embarcados com arquiteturas avançadas. Para auxiliar a seleção do processador no nível da especificação do sistema, um novo modelo de estimador do desempenho do software baseado em redes neurais é proposto. Redes neurais mostraram-se uma solução adequada para uma rápida estimativa de desempenho em um estágio inicial do projeto. Para realizar a análise do desempenho do software no nível funcional do barramento, onde o mapeamento do hardware e software já está definido, é utilizado um modelo global de simulação, chamado de protótipo virtual. A metodologia de análise de desempenho proposta neste trabalho é integrada a um ambiente para refinamento de interfaces de hardware e software chamada ROSES. A metodologia proposta é avaliada através de um estudo de caso de uma arquitetura multiprocessada de um codificador MPEG4. / Nowadays, embedded system complexity requires new design methodologies. System-level methodologies are proposed to cope with this complexity, starting the design above the register-transfer level. Performance estimation tools are an important piece of system-level design methodologies, since they are used to aid design space exploration at an early design stage. The goal of this thesis is to define an integrated methodology for software performance estimation. Currently, embedded software usage is increasing, becoming multiprocessor system-on-chip a common solution to cope with flexibility, performance, and power requirements. The development of accurate software performance estimators is not trivial, due to the increased complexity of embedded processors. To drive processor selection at specification level, a novel analytic software performance estimator based on neural networks is proposed. The neural network enables a fast estimation at an early design stage. To target the software performance analysis at bus functional level, where mapping of the hardware and software components is already established, we use a global simulation model supporting performance profiling. The proposed software performance estimation methodology is linked to a hardware and software interface refinement environment named ROSES. The proposed methodology is evaluated through a case study of a multiprocessor MPEG4 encoder.

Nesse trabalho é apresentada uma arquitetura que habilita a geração de MPSoCs (Multiprocessors Systems-on-Chip) heterogêneos escaláveis, baseados em barramento, suportando ainda o uso de diferentes organizações de memória. A comunicação entre as tarefas é especificada por meio de uma estrutura de memória compartilhada, que evita colisões e promove ganhos energéticos através do disparo dinâmico de clock gating. Também é introduzida a técnica DCF (Dynamic Core Freezing), que incrementa a eficiência energética do MPSoC tirando proveito dos ciclos ociosos dos processadores durante os acessos à memória. Mais, a combinação das organizações de memória propostas habilita a exploração de migração de tarefas na arquitetura proposta, por meio da troca de contexto das tarefas na memória compartilhada. Além disso, é mostrado o simulador de alto-nível, baseado na arquitetura proposta, criado com o propósito de extrair os ganhos energéticos propiciados com o uso do clock gating e da técnica DCF. O simulador aceita como entrada arquivos de trace de execução de aplicações Java, com os quais ele gera um novo arquivo contendo o mapeamento das instruções encontradas nos arquivos de trace para diferentes classes de instrução. Dessa forma, podem ser modeladas diferentes arquiteturas de processadores, usando o arquivo com o mapeamento para simular o MPSoC. Mais, o simulador habilita ainda a exploração das diferentes organizações de memória da arquitetura proposta, de maneira que se pode estimar o seu impacto no número de instruções executadas, contenções no barramento, e consumo energético. Experimentos baseados em uma aplicação sintética, executando em um MPSoC composto por diferentes versões de um processador Java mostram um grande aumento na eficiência energética com um custo mínimo em área. Além disso, também são apresentados experimentos baseados em aplicações do benchmark SPECjvm98, que mostram o impacto causado na eficiência energética quando o tipo de aplicação é alterado. Mais, os experimentos mostram drásticos ganhos energéticos obtidos com a aplicação da técnica DCF sobre as memórias do MPSoC. / In this work we present an architecture that enables the generation of bus-based, scalable heterogeneous Multiprocessor Systems-on-Chip (MPSoCs), supporting different memory organizations. Intertask communication is specified by means of a shared memory structure that assures collision avoidance and promotes energy savings through a dynamic clock gating triggering. We also introduce a Dynamic Core Freezing (DCF) technique, which boosts energy savings taking advantage of processor idle cycles during memory accesses. Moreover, the combination of the memory organizations enables the architecture to exploit easy task migration by means of the task context saving in the shared data memory. Moreover, we show the high-level simulator, based on the proposed architecture, created in order to extract the energy savings enabled with the clock gating and the DCF techniques. The simulator accepts as input execution trace files of Java applications, from which it generates a new file that contains the mapping of the instructions found in the trace file for different instruction classes. This way, we can model different processor architectures, using the mapping file to simulate the MPSoC. Also, the simulator enables us to experiment with different memory organizations to estimate their impact on the executed instructions, bus contention, and energy consumption. As case study we have modeled different versions of a Java processor in order to experiment with different execution patterns over different memory organizations. Experiments based on a synthetic application running on an MPSoC containing different versions of a Java processor show a large improvement in energy efficiency with a minimal area cost. Besides that, we also present experiments based on applications of the SPECjvm98 benchmark, which show the impact on the energy efficiency when we change the application type. Moreover, the experiments show a huge improvement in the energy efficiency when applying the DCF technique to the MPSoC memories.

O objetivo deste trabalho é propor técnicas de alocação dinâmica de tarefas periódicas em MPSoCs homogêneos, com processadores interligados por uma rede emchip do tipo malha, visando redução do consumo de energia do sistema. O foco principal é a definição de uma heurística de alocação, não se considerando protocolos de escalonamento distribuído, uma vez que este ainda é um primeiro estudo para o desenvolvimento de um alocador dinâmico. Na arquitetura alvo utilizada, cada nodo do sistema é dado como autônomo, possuindo seu próprio escalonador EDF. Além disso, são aplicadas técnicas de voltage scaling e power managmenent para redução do consumo de energia durante o escalonamento. Durante a pesquisa do estado da arte, não foram encontradas técnicas de alocação dinâmica em NoCs com restrições temporais e minimização do consumo de energia. Por isso, esse trabalho se concentra em avaliar técnicas de alocação convencionais, como bin-packing e técnicas baseadas em teoria de grafos, no contexto de sistemas embarcados. Dessa forma, o modelo de estimativas do consumo de energia de alocações é baseado no escalonamento de grafos de tarefas, e foi utilizado para implementar a ferramenta Serpens com este propósito. Os grafos de tarefas utilizados nos experimentos são tirados do benchmark E3S – Embedded System Synthesis Benchmark Suite, composto por um conjunto de grafos de tarefas gerados aleatoriamente com a ferramenta TGFF – Task Graph for Free, a partir de dados de aplicações comuns em sistemas embarcados obtidos no EEMBC – Embedded Microprocessor Benchmark Consortium. Entre as heurísticas de bin-packing, Best-Fit, First-Fit e Next-Fit geram alocações com concentração de carga, enquanto a heurística Worst-Fit faz balanceamento de carga. O balanceamento de carga favorece a aplicação de voltage scaling enquanto a concentração favorece o power management. Como o bin-packing não contempla comunicação e dependência entre tarefas em seu modelo, o mesmo foi reformulado para atender esta necessidade. Nos experimentos, a alocação inicial com bin-packing original apresentou perdas de deadlines de até 84 % para a heurística Worst-Fit, passando para perdas em torno de 16% na alocação final, praticamente com o mesmo consumo de energia, após a reformulação do modelo. / The goal of this work is to offer dynamic allocation techniques of periodic tasks in mesh networks-on-chip, aiming to reduce the system power consumption. The main focus is the definition of an allocation heuristic, which does not consider distributed scheduling protocols, since this is the beginning of a study for the development of a dynamic partitioning tool. In the target architecture, each system node is self-contained, that is, the nodes contain their own EDF scheduler. Besides, voltage-scaling and power management techniques are applied for reducing power consumption during the scheduling. To the best of our knowledge, this is the first research effort considering both temporal constraints and power consumption minimization on the dynamic allocation of tasks in a mesh NoC. This way, our concentrates in the evaluation of dynamic allocation techniques, which are generally used in distributed systems, in the embedded systems context, as bin-packing and graph theory based techniques. Therefore, the estimation model for power consumption is based on task graph scheduling, and it was used for implementing the Serpens tool with this purpose. The task graphs used in the experiments were obtained from the E3S benchmark (Embedded System Synthesis Benchmark Suite), which is composed by a set of task graphs randomly generated with the TGFF tool (Task Graph for Free), from common application data obtained from the EEMBC (Embedded Microprocessor Benchmark Consortium). Among the bin-packing heuristics, Best-Fit, First-Fit, and Next-Fit generate allocations with load concentration, while the Worst-Fit heuristics works with load balancing. Load balancing favors the application of voltage scaling, while load concentration favors the utilization of power management. Since the bin-packing model does not consider inter-task communication and dependency, it has been modified to fulfill this need. In the experiments, the initial allocation using the original bin-packing model presented deadline losses of up to 84% for the Worst-Fit heuristic, changing for losses around 16% in the final allocation, after modification of the model, maintaining almost the same power consumption.

Com a redução das dimensões dos dispositivos nas tecnologias sub-micrônicas foi possível um grande aumento no número de IP cores integrados em um mesmo chip e consequentemente novas arquiteturas de comunicação são usadas bucando atingir os requisitos de desempenho e potência. As redes intra-chip (Networks-on-Chip) foram propostas como uma plataforma alternativa de comunicação capaz de prover interconexões e comunicação entre os cores de um mesmo chip, tratando questões como desempenho, consumo de energia e reusabilidade para grandes sistemas integrados. Por outro lado, a mesma evolução tecnológica dos processos nanométricos reduziu drasticamente a confiabilidade de circuitos integrados, tornando dispositivos e interconexões mais sensíveis a novos tipos de falhas. Erros podem ser gerados por variações no processo de fabricação ou mesmo pela susceptibilidade do projeto, quando este opera em um ambiente hostil. Na comunicação de NoCs as duas principais fontes de erros são falhas de crosstalk e soft errors. No passado, se assumia que interconexões não poderiam ser afetadas por soft errors, por não possuirem circuitos seqüenciais. Porém, quando NoCs são usadas, buffers e circuitos seqüenciais estão presentes nos roteadores e, consequentemente, podem ocorrer soft errors entre a fonte e o destino da comunicação, provocando erros. Técnicas de tolerância a falhas, que tem sido aplicadas em circuitos em geral, podem ser usadas para proteger roteadores contra bit-flips. Neste cenário, este trabalho inicia com a avaliação dos efeitos de soft errors e falhas de crosstalk em uma arquitetura de NoC, através de simulação de injeção de falhas, analisando detalhadamente o impacto de tais falhas no roteador. Os resultados mostram que os efeitos dessas falhas na comunicação do SoC podem ser desastrosos, levando a perda de pacotes e travamento ou indisponibilidade do sistema. Então é proposta e avaliada a aplicação de um conjunto de técnicas de tolerância a falhas em roteadores, possibilitando diminuir os soft errors e falhas de crosstalk no nível de hardware. Estas técnicas propostas foram baseadas em códigos de correção de erros e redundância de hardware. Resultados experimentais mostram que estas técnicas podem obter zero erros com 50% a menos de overhead de área, quando comparadas com a duplicação simples. Entretanto, algumas dessas técnicas têm um grande consumo de potência, pois toda essas técnicas são baseadas na adição de hardware redundante. Considerando que as técnicas de proteção baseadas em software também impõe um considerável overhead na comunicação devido à retransmissão, é proposto o uso de técnicas mistas de hardware e software, que podem oferecer um nível de proteção satisfatório, baseado na análise do ambiente onde o sistema irá operar (soft error rate), fatores relativos ao projeto e fabricação (variações de atraso em interconexões, pontos susceptíveis a crosstalk), a probabilidade de uma falha gerar um erro em um roteador, a carga de comunicação e os limites de potência e energia suportados. / As the technology scales down into deep sub-micron domain, more IP cores are integrated in the same die and new communication architectures are used to meet performance and power constraints. Networks-on-Chip have been proposed as an alternative communication platform capable of providing interconnections and communication among onchip cores, handling performance, energy consumption and reusability issues for large integrated systems. However, the same advances to nanometric technologies have significantly reduced reliability in mass-produced integrated circuits, increasing the sensitivity of devices and interconnects to new types of failures. Variations at the fabrication process or even the susceptibility of a design under a hostile environment might generate errors. In NoC communications the two major sources of errors are crosstalk faults and soft errors. In the past, it was assumed that connections cannot be affected by soft errors because there was no sequential circuit involved. However, when NoCs are used, buffers and sequential circuits are present in the routers, consequently, soft errors can occur between the communication source and destination provoking errors. Fault tolerant techniques that once have been applied in integrated circuits in general can be used to protect routers against bit-flips. In this scenario, this work starts evaluating the effects of soft errors and crosstalk faults in a NoC architecture by performing fault injection simulations, where it has been accurate analyzed the impact of such faults over the switch service. The results show that the effect of those faults in the SoC communication can be disastrous, leading to loss of packets and system crash or unavailability. Then it proposes and evaluates a set of fault tolerant techniques applied at routers able to mitigate soft errors and crosstalk faults at the hardware level. Such proposed techniques were based on error correcting codes and hardware redundancy. Experimental results show that using the proposed techniques one can obtain zero errors with up to 50% of savings in the area overhead when compared to simple duplication. However some of these techniques are very power consuming because all the tolerance is based on adding redundant hardware. Considering that softwarebased mitigation techniques also impose a considerable communication overhead due to retransmission, we then propose the use of mixed hardware-software techniques, that can develop a suitable protection scheme driven by the analysis of the environment that the system will operate in (soft error rate), the design and fabrication factors (delay variations in interconnects, crosstalk enabling points), the probability of a fault generating an error in the router, the communication load and the allowed power or energy budget.

Atualmente, novas metodologias de projeto são necessárias devido a crescente complexidade dos sistemas embarcados. Metodologias no nível de sistema são propostas para auxiliar o projetista a lidar com a crescente complexidade, iniciando o projeto em um nível de abstração mais alto que o nível de transferência de registradores. Ferramentas de estimativa de desempenho são uma importante parte das metodologias no nível de sistema, visto que as mesmas auxiliam a exploração do espaço de projeto desde os estágios iniciais. O objetivo desta tese é definir uma metodologia integrada para estimativa de desempenho do software. Atualmente, nota-se a crescente utilização de software embarcado, inclusive utilizando múltiplos processadores, visando atender os requisitos de flexibilidade, desempenho e potência consumida. O desenvolvimento de estimadores de desempenho de software não é trivial, devido à utilização de processadores embarcados com arquiteturas avançadas. Para auxiliar a seleção do processador no nível da especificação do sistema, um novo modelo de estimador do desempenho do software baseado em redes neurais é proposto. Redes neurais mostraram-se uma solução adequada para uma rápida estimativa de desempenho em um estágio inicial do projeto. Para realizar a análise do desempenho do software no nível funcional do barramento, onde o mapeamento do hardware e software já está definido, é utilizado um modelo global de simulação, chamado de protótipo virtual. A metodologia de análise de desempenho proposta neste trabalho é integrada a um ambiente para refinamento de interfaces de hardware e software chamada ROSES. A metodologia proposta é avaliada através de um estudo de caso de uma arquitetura multiprocessada de um codificador MPEG4. / Nowadays, embedded system complexity requires new design methodologies. System-level methodologies are proposed to cope with this complexity, starting the design above the register-transfer level. Performance estimation tools are an important piece of system-level design methodologies, since they are used to aid design space exploration at an early design stage. The goal of this thesis is to define an integrated methodology for software performance estimation. Currently, embedded software usage is increasing, becoming multiprocessor system-on-chip a common solution to cope with flexibility, performance, and power requirements. The development of accurate software performance estimators is not trivial, due to the increased complexity of embedded processors. To drive processor selection at specification level, a novel analytic software performance estimator based on neural networks is proposed. The neural network enables a fast estimation at an early design stage. To target the software performance analysis at bus functional level, where mapping of the hardware and software components is already established, we use a global simulation model supporting performance profiling. The proposed software performance estimation methodology is linked to a hardware and software interface refinement environment named ROSES. The proposed methodology is evaluated through a case study of a multiprocessor MPEG4 encoder.

A Memória Transacional (TM) surgiu nos últimos anos como uma nova solução para sincronização em sistemas multiprocessados de memória compartilhada, permitindo explorar melhor o paralelismo das aplicações ao evitar limitações inerentes ao mecanismo de locks. Neste modelo, o programador define regiões de código que devem executar de forma atômica. O sistema tenta executá-las de forma concorrente, e, em caso de conflito nos acessos à memória, toma as medidas necessárias para preservar a atomicidade e isolamento das transações, na maioria das vezes abortando e reexecutando uma das transações. Um dos modelos mais aceitos de memória transacional em hardware é o LogTM, implementado neste trabalho em um MPSoC embarcado que utiliza uma NoC para interconexão. Os experimentos fazem uma comparação desta implementação com locks, levando-se em consideração performance e energia do sistema. Além disso, este trabalho mostra que o tempo que uma transação espera para reiniciar sua execução após ter abortado (chamado de backoff delay on abort) tem impactos significativos na performance e energia. Uma análise deste impacto é feita utilizando-se de três políticas de backoff. Um mecanismo baseado em um handshake entre transações, chamado Abort handshake, é proposto como solução para o problema. Os resultados dos experimentos são dependentes da aplicação e configuração do sistema e indicam ganhos da TM na maioria dos casos em relação ao mecanismo de locks. Houve redução de até 30% no tempo de execução e de até 32% na energia de aplicações de baixa demanda de sincronização. Em um segundo momento, é feita uma análise do backoff delay on abort na performance e energia de aplicações utilizando três políticas de backoff em comparação com o mecanismo Abort handshake. Os resultados mostram que o mecanismo proposto apresenta redução de até 20% no tempo de execução e de até 53% na energia comparado à melhor política de backoff dentre as analisadas. Para aplicações com alta demanda de sincronização, a TM mostra redução no tempo de execução de até 63% e redução de energia de até 71% em comparação com o mecanismo de locks. / Transactional Memory (TM) has emerged in the last years as a new solution for synchronization on shared memory multiprocessor systems, allowing a better exploration of the parallelism of the applications by avoiding inherent limitations of the lock mechanism. In this model, the programmer defines regions of code, called transactions, to execute atomically. The system tries to execute transactions concurrently, but in case of conflict on memory accesses, it takes the appropriate measures to preserve the atomicity and isolation, usually aborting and re-executing one of the transactions. One of the most accepted hardware transactional memory model is LogTM, implemented in this work in an embedded MPSoC that uses an NoC as interconnection mechanism. The experiments compare this implementation with locks, considering performance and energy. Furthermore, this work shows that the time a transaction waits to restart after abort (called backoff delay on abort) has significant impact on performance and energy. An analysis of this impact is done using three backoff policies. A novel mechanism based on handshake of transactions, called Abort handshake, is proposed as a solution to this issue. The results of the experiments depends on application and system configuration and show TM benefits in most cases in comparison to the locks mechanism, reaching reduction on the execution time up to 30% and reduction on the energy consumption up to 32% on low contention workloads. After that, an analysis of the backoff delay on abort on the performance and energy is presented, comparing to the Abort handshake mechanism. The proposed mechanism shows reduction of up to 20% on the execution time and up to 53% on the energy, when compared to the best backoff policy. For applications with a high degree of synchronization, TM shows reduction on the execution time up to 63% and energy savings up to 71% compared to locks.