Este trabalho trata de arquiteturas e algoritmos para o desenvolvimento de sistemas computacionais. Tais sistemas são constituídos de um microprocessador (específico ou comercialmente disponível), de seu conjunto de programas e de um HW dedicado que será utilizado para otimização do sistema. O objetivo principal desta tese é demonstrar que, presentemente, a linha divisória entre HW e SW e cada vez mais tênue, e a transição entre um e outro pode ser feita de maneira suave pelo projetista de sistemas, na busca de um ponto ótimo no balanço entre custo e desempenho. Apresenta-se em seqüência o ambiente de CAD, a classificação de rotinas e os métodos de otimização tendo em vista esta classificação para o aumento de desempenho de sistemas computacionais. A seguir são apresentadas técnicas para processadores dedicados de arquitetura Risc, visando a otimização de certos tipos de programas. Os resultados de aceleração são apresentados para um conjunto de exemplos. Tendo em vista o mercado nacional de eletrônica, fortemente baseado em microcontroladores, estudam-se e mostram-se possibilidades de otimização e integração de sistemas baseados em tais processadores, assim como a aplicabilidade das mesmas técnicas para processadores dedicados. A viabilidade técnica desta realização é discutida através de exemplos baseados em aplicações reais. Finalmente, a validação de sistemas computacionais, em especial aqueles trabalhados nesta tese, é discutida. / This work discusses architectures and algorithms for the development of computational systems, which are based on a microprocessor (custom or off-the-shelf), the set of application programs and a dedicated HW, used to increase the performance of the whole system. The goal of this work is to show that, nowadays, the division line between SW and HW is smooth, and the transition from one to the other can be achieved by the system designer using a specific CAD in order to obtain a trade-off between cost and performance. The CAD environment is presented, followed by routine classification and optimization methods based on the former classification to increase the performance of the system. Techniques devoted to systems based on dedicated Risc processors are showed next, to optimize certain type of programs. Positive results are shown for a set of examples. Since the Brazilian electronics market is strongly based on microcontrollers, the study and results of optimization techniques regarding this type of systems are also presented. The same techniques can be applied to dedicated processors as well. Results of this proposal are obtained for a set of real world examples. The last topic of this work regards the validation of computational systems, mainly those presented throughout this work.

Este trabalho trata de arquiteturas e algoritmos para o desenvolvimento de sistemas computacionais. Tais sistemas são constituídos de um microprocessador (específico ou comercialmente disponível), de seu conjunto de programas e de um HW dedicado que será utilizado para otimização do sistema. O objetivo principal desta tese é demonstrar que, presentemente, a linha divisória entre HW e SW e cada vez mais tênue, e a transição entre um e outro pode ser feita de maneira suave pelo projetista de sistemas, na busca de um ponto ótimo no balanço entre custo e desempenho. Apresenta-se em seqüência o ambiente de CAD, a classificação de rotinas e os métodos de otimização tendo em vista esta classificação para o aumento de desempenho de sistemas computacionais. A seguir são apresentadas técnicas para processadores dedicados de arquitetura Risc, visando a otimização de certos tipos de programas. Os resultados de aceleração são apresentados para um conjunto de exemplos. Tendo em vista o mercado nacional de eletrônica, fortemente baseado em microcontroladores, estudam-se e mostram-se possibilidades de otimização e integração de sistemas baseados em tais processadores, assim como a aplicabilidade das mesmas técnicas para processadores dedicados. A viabilidade técnica desta realização é discutida através de exemplos baseados em aplicações reais. Finalmente, a validação de sistemas computacionais, em especial aqueles trabalhados nesta tese, é discutida. / This work discusses architectures and algorithms for the development of computational systems, which are based on a microprocessor (custom or off-the-shelf), the set of application programs and a dedicated HW, used to increase the performance of the whole system. The goal of this work is to show that, nowadays, the division line between SW and HW is smooth, and the transition from one to the other can be achieved by the system designer using a specific CAD in order to obtain a trade-off between cost and performance. The CAD environment is presented, followed by routine classification and optimization methods based on the former classification to increase the performance of the system. Techniques devoted to systems based on dedicated Risc processors are showed next, to optimize certain type of programs. Positive results are shown for a set of examples. Since the Brazilian electronics market is strongly based on microcontrollers, the study and results of optimization techniques regarding this type of systems are also presented. The same techniques can be applied to dedicated processors as well. Results of this proposal are obtained for a set of real world examples. The last topic of this work regards the validation of computational systems, mainly those presented throughout this work.

Orientadores: Norian Marranghello / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-04T00:21:09Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Oliveira_WagnerLuizAlvesde_D.pdf: 11239313 bytes, checksum: 6656f5270142e68410f7ed92ce02dc2d (MD5) Previous issue date: 2004 / Resumo: O projeto de sistemas digitais alcançou um elevado grau de complexidade, inviabilizando sua consecução sem o uso de ferramentas de CAD. O ponto de partida de tais ferramentas consiste numa visão conceitual do sistema pretendido (dada por um ou mais modelos conceituais), a qual é capturada para tratamento computacional por uma ou mais linguagens de especificação. Várias dessas linguagens foram desenvolvidas visando capturar tantas características de hardware e de software quanto possível, de acordo com diferentes metodologias de projeto. Rede de Petri é uma classe de modelos conceituais utilizada na modelagem de diversos tipos de sistemas computacionais paralelos. Algumas extensões de rede de Petri foram propostas visando à descrição, de forma tão acurada quanto possível, de características de sistemas digitais. Entretanto, somente duas destas extensões possuem um número maior de características necessárias à descrição integral de tais sistemas. O presente trabalho apresenta uma extensão de rede de Petri desenvolvida para superar as limitações das demais extensões na representação de sistemas digitais. O trabalho apresenta, também, uma metodologia de coprojeto hardware/software na qual a extensão proposta pode ser usada como linguagem de modelagem interna. Tal plataforma visa a descrição, simulação, análise, validação e síntese em alto nível de sistemas digitais embutidos / Abstract: Digital system design has reached a high degree of complexity that prevents its realization without CAD tools. The starting point of such tools consists on a conceptual view of the intended system (given by one or more conceptual models), which is captured for computational handling by one or more specification languages. Several of such languages were developed aiming to capture as many hardware and software characteristics as possible, according to different design methodologies. Petri net is a class of conceptual models for parallel system modeling. Some Petri net extensions have been proposed aiming at describing digital systems characteristics as accurately as possible. However, only two of them have nearly all features needed to describe such systems in full. This work presents a Petri net extension developed to overcome the restrictions for digital system modeling through Petri net extensions. A hardware/software codesign methodology in which the proposed extension can be used as the internal modeling language is presented as well. Such a framework aims embedded digital system description, simulation, analysis, validation, and high-level synthesis / Doutorado / Eletrônica, Microeletrônica e Optoeletrônica / Doutor em Engenharia Elétrica

Le niveau de complexité des défis auxquelles font face les sociétés contemporaines exige le développement de solutions basées sur la combinaison de compétences de multiples acteurs. Cette intelligence collective émerge de la capacité des acteurs de réaliser des projets dans lesquelles leurs actions sont hautement interdépendantes. Le système pédagogique traditionnel fait face à des limitations structurelles pour former les étudiants à cette pratique que nous caractérisons de conception collaborative. Malgré le fait que le modèle de l’apprentissage basé sur l’atelier est avant tout utilisé dans une approche individuelle d’auteur, ce système singulier qui distingue les études d’architectures depuis 300 ans s’avère être un processus d’apprentissage hautement collectif. Nous soutenons que le W-AU est une évolution de ce modèle qui, en reconfigurant certains de ses paramètres, est devenu une approche efficace pour la formation à la conception collaborative. Grâce à un ancrage historique du W-AU, une typologie de ses pratiques contemporaines, et une recherche-action menée dans 3 cas spécifiques, cette recherche identifie les forces et les limites de ce modèle. Ce travail met en lumière, entre autres, les rôles de certains acteurs clés et les gouvernances propres à servir de médiation au processus de collaboration. Par ailleurs, l'appropriabilité, l'exotisme et l'interaction collective des structures du système se révèlent être des caractéristiques clés pour catalyser le processus collaboratif. Enfin, cette thèse souligne que, malgré une pratique répandue, les spécificités du W-AU doivent être mieux comprises et maîtrisées pour soutenir efficacement la conception collaborative. / The complexity level of challenges that face contemporary societies requires the development of solutions based on combinations of skills from multiple actors. This collective intelligence emerges from the capacity of actors to carry out projects in which their actions are highly interdependent. The traditional pedagogical system faces structural limitations in training students in this interdependent practice that we characterize as collaborative design. Despite the fact that studio-based learning model is mostly used in an individual authoring approach, this singular system which typify the architecture studies for the last 300 years, reveal a highly collective learning process. In this thesis, we argue that the Design Charrette is an evolution of this model which, by reconfiguring some of its parameters, has become a proper approach for collaborative design. Through a historical and theoretical anchor of the Design Charrette, a typology of its contemporary practices, and through action research conducted within 3 specific cases, this research identifies the potential strengths and limitations of the Design Charrette as a model for training students in collaborative design. Among the findings, this work highlights some key actors roles and governance configurations proper to mediate the collaborative process. It draws attention that appropriability, exoticism and collective interaction of the system structures, are key factors to catalyse collaborative design process. Finally, this work point to the fact that, despite the widespread practice of the Design Charrette, its specifics settings need to be better known to support effectively collaborative design process. / A complexidade dos desafios que as sociedades contemporâneas enfrentam requer a concepção de soluções baseadas na mobilização das habilidades de múltiplos atores. Esta inteligência coletiva emerge da capacidade desses atores conduzirem projetos nos quais suas ações são altamente interdependentes. No entanto, o sistema tradicional de ensino, que está baseado em uma lógica disciplinar de avaliação individual, encontra dificuldades para formar estudantes a este tipo de práticas de concepção colaborativa. Na paisagem da educação de nível superior, o ensino da Arquitetura distingue-se da abordagem disciplinar unversitária por utilizar o dispositivo do Atelier, que visa a aprendizagem de competências através de uma abordagem integrativa dos conhecimentos num processo de projeto. Este processo de aprendizagem por meio do projeto é também realizado em um ambiente particular, caracterizado por padrões espaciais, temporais, físicos e sociais singulares. Embora o sistema de avaliação seja feito da mesma forma que o modelo umiversitário tradicional, que é estruturado em função de um trabalho individual, este dispositivo pedagógico se difere em primeiro lugar, pela postura de autor que o aluno deve demonstrar, e em segundo lugar, pela dinâmica coletiva de aprendizagem que é implementado neste ambiente particular de fornação. A partir dessas constatações, defendemos a tese de que o Atelier de Arquitetura é um dispositivo pedagógico capaz de formar à concepção colaborativa, desde que alguns dos seus parâmetros sejam reconfigurados. Nesta perspectiva, nós identificamos o atelier intensivo de curta duração como uma evolução contemporânea do dispositivo do Atelier que, graças a uma concentração de alguns dos seus parâmetros (espaciais, temporais, físicos e sociais), tornou-se um lugar de experimentação concreta da prática e da aprendizagem da concepçãocolaborativa. Nessa pesquisa, nós usamos o acrônimo "W-AU" (Workshop de Arquitetura e Urbanismo) para falar do atelier intensivo de curta duração, a fim de distingui-lo de sua versão longa. Para defender esta tese, em primeiro lugar, nós definimos o atelier tradicional através de uma perspectiva histórica, além de analisarmos sua estrutura e seu funcionamento para então identificar como este dispositivo dialoga com a noção de concepção colaborativa. Em seguida, nós realizamos uma tipologia do W-AU, em função de suas diferentes práticas contemporâneas, para situar três estudos de caso a partir dos quais, nós descrevemos diferentes implementações da concepção colaborativa. Esta análise nos permite trazer à luz o papel-chave dos diferentes atores, da configuração da governança e da configuração dos parâmetros do ambiente, visando promover o processo de concepção colaborativa. Esta pesquisa consiste portanto em identificar as potencialidades e limitações oferecidos pelo W-AU para a formação à concepção colaborativa nos estudos de Arquitetura. Dada a diversidade das variáveis que estão em jogo na implementação deste ambiente colaborativo, a ambição desta contribuição não é propor um procedimento-padrão para a realização deste gênero de dispositivo, mas sim identificar e divulgar algumas ferramentas e estratégias sucetíveis de serem mobilizadas pelos atores da concepção colaborativa, visando facilitar e otimizar a sua abordagem.

This study is focused on grafical modeling of embedded systems using dialects of UML. It provides a brief description of existing profiles. Furthemore it deals with modeling frameworks for the Eclipse platform and describes an implementation of such modeling tool as a part of project Lissom.

This thesis describes a conceptual design of touchless fingerprint sensor and design, implementation and testing of its firmware, which is a composition of hardware implemented in VHDL and a program implemented in C. Result of this thesis can be used as the first step of building an industrial solution.

The master's thesis deals with design of a solution for time synchronization in computer networks that is a crucial problem of many network applications. Based on analysis of protocols for time synchronization, PTP protocol was chosen as an appropriate candidate. The thesis describes the implementation of the design for a special network interface card and demonstrates features of the solution in several tests. A part of the solution processing precise timestamps was implemented in FPGA chip on the network card while PTP messages are processed in a software application. Values of configurable parameters of the application were determined based on analysis of the network card properties and results of particular tests. It was achieved accuracy in order of tens of nanoseconds.

Dans le domaine de la détection et du suivi d'obstacles pour les systèmes ADAS (Advanced Driver Assistance System) basés vision, il est nécessaire d'assurer la localisation à court terme du véhicule. Le SLAM (Simultaneous Localization and Mapping) basé vision propose de résoudre ce problème en combinant l’estimation de l’état du véhicule (pose dans un repère local et vitesses) et une modélisation incrémentale de l’environnement. Ce dernier est perçu par l'extraction de caractéristiques locales (points d'intérêt) dans une séquence d'images et leur suivi au cours du temps pour permettre la construction incrémentale d'une carte d'amers. Cette tâche de perception engendre une importante charge de calcul qui affecte très significativement la latence et la cadence du système. Les méthodologies de co-design permettent de concevoir une architecture mixte de calcul pour l“exécution d'une application particulière. Dans ce type d'architecture, l'utilisation d'accélérateurs matériels permet d'améliorer significativement les performances (temps d'exécution, encombrement, consommation). Le ZynQ (Xilinx) propose une architecture de prototypage mixte comprenant un processeur dual-core associé à des ressources matérielles configurables. L'objectif de cette thèse est donc de proposer une implémentation co-design d'un SLAM basé vision par la conception d'accélérateurs pour les opérations de vision afin de satisfaire les contraintes en performances des systèmes ADAS embarqués. La première contribution des travaux est la conception de cette chaîne complète 3D EKF-SLAM à l'aide une approche co-design. Nous avons défini et validé, selon notre méthodologie de conception, le choix d'une architecture Hardware-in-theloop (HIL) afin de valider les différentes itérations de conception. La seconde contribution est l'intégration de modules matériels dédiés pour accélérer les traitements de perception visuelle de cette chaîne (détection, description et mise en correspondance de points d’intérêt). / In the field of obstacle detection and tracking for vision-based ADAS (Advanced Driver Assistance System), it is necessary to perform short-term vehicle localisation. Vision based SLAM (Simultaneous Localization and Mapping) solves this problem by combining the vehicle state estimation (local pose and speeds) and an incremental modelling of the environment. The environment is perceived by extracting features (interest points) in a sequence of images and tracking them over time to allow an incremental landmarks map construction. The perception step leads to an important computational load which affects very significantly the system latency and throughput. Co-design methodologies allow to design a mixed processing architecture optimized for a specific application In this type of architecture, the use of hardware accelerators allows for great performance increase (throughput, memory size, power consumption). The ZynQ (Xilinx) provides a prototyping mixed-architecture including a dual-core microprocessor combined with configurable hardware resources. The goal of this thesis is to propose a co-design implementation of a vision-based SLAM processing chain involving hardware accelerators for image processing in order to meet the constraints of an embedded ADAS system. The first contribution is the design of a complete 3D EKF-SLAM processing chain thanks to a codesign approach. We defined and validated, according to the followed co-design approach, the choice of a Hardware-in-the-loop (HIL) architecture to validate the different design iterations. The second contribution is the integration of dedicated hardware modules to accelerate the visual perception computations of this processing chain (features detection, description and matching).

Dentre as diversas tecnologias de Assistência Avançada ao Condutor (ADAS) que têm sido adicionadas aos automóveis modernos estão os sistemas de detecção de pedestres. Tais sistemas utilizam sensores, como radares, lasers e câmeras de vídeo para captar informações do ambiente e evitar a colisão com pessoas no contexto do trânsito. Câmeras de vídeo têm se apresentado como um ótima opção para esses sistemas, devido ao relativo baixo custo e à riqueza de informações que capturam do ambiente. Muitas técnicas para detecção de pedestres baseadas em visão têm surgido nos últimos anos, tendo como característica a necessidade de um grande poder computacional para que se possa realizar o processamento das imagens em tempo real, de forma robusta, confiável e com baixa taxa de erros. Além disso, é necessário que sistemas que implementem essas técnicas tenham baixo consumo de energia, para que possam funcionar em um ambiente embarcado, como os automóveis. Uma tendência desses sistemas é o processamento de imagens de múltiplas câmeras presentes no veículo, de forma que o sistema consiga perceber potenciais perigos de colisão ao redor do veículo. Neste contexto, este trabalho aborda o coprojeto de hardware e software de uma arquitetura para detecção de pedestres, considerando a presença de quatro câmeras em um veículo (uma frontal, uma traseira e duas laterais). Com este propósito, utiliza-se a flexibilidade dos dispositivos FPGA para a exploração do espaço de projeto e a construção de uma arquitetura que forneça o desempenho necessário, o consumo de energia em níveis adequados e que também permita a adaptação a novos cenários e a evolução das técnicas de detecção de pedestres por meio da programabilidade. O desenvolvimento da arquitetura baseouse em dois algoritmos amplamente utilizados para detecção de pedestres, que são o Histogram of Oriented Gradients (HOG) e o Integral Channel Features (ICF). Ambos introduzem técnicas que servem como base para os algoritmos de detecção modernos. A arquitetura implementada permitiu a exploração de diferentes tipos de paralelismo das aplicações por meio do uso de múltiplos processadores softcore, bem como a aceleração de funções críticas por meio de implementações em hardware. Também foi demonstrada sua viabilidade no atendimento a um sistema contendo quatro câmeras de vídeo. / Among the several Advanced Driver Assistance (ADAS) technologies that have been added to modern vehicles are pedestrian detection systems. Those systems use sensors, such as radars, lasers, and video cameras to capture information from the environment and avoid collision with people in the context of traffic. Video cameras have become as a great option for such systems because of the relatively low cost and all of information they are able to capture from the environment. Many techniques for vison-based pedestrian detection have appeared in the last years, having as characteristic the necessity of a great computational power so that image can be processed in real time, in a robust and reliable way, and with low error rate. In addition, systems that implement these techniques require low power consumption, so they can operate in an embedded environment such as automobiles. A trend of these systems is the processing of images from multiple cameras mounted in vehicles, so that the system can detect potential collision hazards around the vehicle. In this context, this work addresses the hardware and software codesign of an architecture for pedestrian detection, considering the presence of four cameras in a vehicle (one in the front, one in the rear and two in the sides). For this purpose, the flexibility of FPGA devices is used for design space exploration and the construction of an architecture that provides the necessary performance, energy consumption at appropriate levels and also allows adaptation to new scenarios and evolution of pedestrian detection techniques through programmability. The development of the architecture was based on two algorithms widely used for pedestrian detection, which are Histogram of Oriented Gradients (HOG) and Integral Channel Features (ICF). Both introduce techniques that serve as the basis for modern detection algorithms. The implemented architecture allowed the exploration of different types of parallelism through the use of multiple softcore processors, as well as the acceleration of critical functions through implementations in hardware. It has also been demonstrated its feasibility in attending to a system containing four video cameras.

Submitted by JOSIANE SANTOS DE OLIVEIRA (josianeso) on 2017-08-09T12:49:12Z No. of bitstreams: 1 Juliana Gonçalves Mota_.pdf: 8933862 bytes, checksum: 6c3e558c6a1e4c0a2683d279cb94d9d4 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-08-09T12:49:12Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Juliana Gonçalves Mota_.pdf: 8933862 bytes, checksum: 6c3e558c6a1e4c0a2683d279cb94d9d4 (MD5) Previous issue date: 2017-03-28 / Nenhuma / Esta pesquisa analisou o processo de criação de concepts de projeto para estimular os hábitos nutricionais saudáveis na infância, na perspectiva do design para mudança de comportamento. O princípio deste campo do design é transformar a compreensão do comportamento humano em estratégias para a criação de soluções que impactem positivamente a vida dos indivíduos e a sociedade. A fim de atender aos seus objetivos, o estudo adotou a pesquisa-ação como abordagem metodológica, por meio da qual foi realizado um workshop de codesign. Através desta dinâmica foi possível estabelecer a interação colaborativa entre designers e usuárias (mães), no papel de principais educadoras nutricionais dos filhos, e a criação concepts para incentivar o comportamento alimentar saudável nas crianças. O Modelo de Design para o Comportamento Saudável (MDCS – LUDDEN; HEKKERT, 2014), criado para potencializar projetos focados no bem-estar do usuário, foi utilizado como suporte para a análise do processo projetual. No âmbito teórico, os resultados alcançados na pesquisa possibilitaram um avanço nos estudos sobre design para mudança de comportamento, assim como sobre o MDCS. A pesquisa permitiu ainda a aproximação entre princípios do codesign e do design para a mudança de comportamento, diante da lacuna identificada entre essas abordagens. Na perspectiva aplicada, este trabalho promoveu a associação entre conceitos da psicologia comportamental e do design aplicados ao contexto da nutrição infantil. A partir desta conexão foi possível gerar conhecimentos técnicos para o aperfeiçoamento dos processos projetuais focados na alimentação saudável na infância e para a prospecção de novas possibilidades de projeto para prevenção da obesidade. / This research analyzed the creation process of project concepts to stimulate the healthy nutritional habits in childhood, in the perspective of the design for behavior change. The principle of this field of design is to turn the understanding of human behavior into strategies for the project of solutions that impact positively the lives of individuals and the society itself. In order to reach its goals, the study adopted the action research methodology as procedural approach, through which a codesign workshop was held. This dynamic allowed the collaborative interactive between designers and users (mothers), as the main nutritional educators of their children, and the creation of concepts to encourage the healthy eating behavior in kids. The Design for Healthy Behavior Framework (DHBF), created to enhance projects focused on the well-being of the user, was used to support the analysis of the design process. In the theoretical scope, the results achieved in the research made possible an advance in the studies of design for behavior change, as well as on DHBF. The research also allowed the approach between the principles of codesign and design for behavior change, given the gap identified between these two approaches. In the applied perspective, this research promoted the association between behavior psychology and design concepts applied to the context of child nutrition. From this connection, it was possible to generate theoretical knowledge for the improvement of design processes focused in childhood healthy eating and to the prospecting of new possibilities of obesity prevention projects.