Στην παρούσα διατριβή παρουσιάζονται μεθοδολογίες σχεδιασμού που επιτρέπουν την μείωση την κατανάλωση ενέργειας σε υλοποιήσεις ασύρματων εφαρμογών πολυμέσων. Οι προτεινόμενες μεθοδολογίες βελτιστοποιούν την διαχείριση της μνήμης, η κατανάλωσης της οποίας είναι η κυρίαρχη συνιστώσα της συνολικής κατανάλωσης ισχύος στις εφαρμογές πολυμέσων. Επιπλέον, η διατριβή πραγματεύεται τεχνικές για χαμηλής κατανάλωσης διαμερισμό, ο οποίος είναι απαραίτητος για την εκτέλεση σε πραγματικό χρόνο των υψηλής υπολογιστικής πολυπλοκότητας εφαρμογών πολυμέσων. Στόχο της παρούσας διατριβής αποτελεί και η βελτιστοποίηση, όσον αφορά την κατανάλωση ισχύος, των κυκλωμάτων ασύρματης μετάδοσης των πολυμέσων. Στο πλαίσιο αυτό η διατριβή ασχολείται με τεχνικές διαχείρισης ισχύος, και προτείνει υλοποιήσεις που χρησιμοποιούν τις τεχνικές αυτές. Οι μεθοδολογίες και τεχνικές λαμβάνουν υπόψη και την επιφάνεια ολοκλήρωσης και ταχύτητα εκτέλεσης. Τα ισοζύγια (trade-offs) αναγνωρίζονται, και όπου αυτά υπάρχουν προτείνονται μέθοδοι για την αποδοτική τους επίλυση. / In this Ph.D. dissertation, design methodologies that enable energy minimization of wireless multimedia application realizations are presented. The proposed methodologies mainly optimize the management of the memory subsystem, which role is dominant as far as energy dissipation of multimedia application is concerned. Furthermore, techniques for the low-power partitioning, which is required for the real-time implementation of the highly computational complex multimedia applications, are proposed. Apart from the multimedia processing itself the dissertation, also focuses on the transmition of the multimedia content. To this end, power management techniques applicable for the design of wireless receivers are proposed. The proposed techniques are employed for the design of real-life implementation of low and medium rate receivers. Apart from energy minimization The proposed methodologies and techniques take into account constraints regarding the integration area as well as the processing time. The involved trade-offs are identified, and methods for their efficient exploration are proposed

On-line monitoring is an important challenge in future biotechnology applications, for instance in the domain of precision livestock farming, there is need for low-cost intelligent sensors to monitor animal welfare. The common way of observing a living organism is usually done by audio-visual ways performed by a human being, who is present on the scene. This method is, however, subjective, expensive, error prone and time consuming. Instead of performing an animal observation by a human being, automated objective surveillance, by means of low cost intelligent image sensors, can be used. With the use of cheap image sensors and with the help of image analysis techniques, an automated, objective, contact-less monitoring method of the behavior of the living organisms can be provided. Much knowledge has been obtained in the development and use of image analysis algorithms to automatically quantify body features of animals, their activity rate and their behavior. Such an automatic image analysis algorithm is combined with on-line modeling techniques in order to develop an application for the recognition of several behavioral phenotypes of laying hens. The procedure is divided in two phases, where an automatic computer vision algorithm detects the monitoring object from images captured by a video camera, and then another algorithm tracks the detected object through successive frames. Further work is required to integrate these algorithms into low-cost low-energy processing platforms, including embedded systems or even wearable devices. Only then, this important biotechnology development will lead to economically applicable solutions. The challenge of the present thesis especially includes the exploration of ultra-low energy implementation platforms of this biotechnology application. The initial application is developed in the MATLAB environment and is converted to C programming language. Dynamic range and precision analysis are performed to efficiently determine the required fixed-point word-lengths of the application’s variables. Finally, platform-independent and platform-dependent code transformations and integration of the algorithm to different ASIPs (Application Specific Instruction Processors) architectures are applied in order to achieve ultimate low energy consumption. / Η On-line παρακολούθηση αποτελεί μια σημαντική πρόκληση στις μελλοντικές βιοτεχνολογικές εφαρμογές, όπως παραδείγματος χάριν στον τομέα της κτηνοτροφίας, όπου είναι επιτακτική η ανάγκη χρήσης χαμηλού κόστους έξυπνων αισθητήρων στην παρακολούθηση της ευημερίας των ζωντανών οργανισμών. Ο συνήθης τρόπος παρακο-λούθησης ενός ζωντανού οργανισμού συνίσταται στη χρήση οπτικοακουστικών μέσων, τα οποία χειρίζεται ο ανθρώπινος παράγοντας που είναι παρόν. Η μέθοδος αυτή είναι κατά κύριο λόγο υποκειμενική, ακριβή, επιρρεπής σε σφάλματα και επιπροσθέτως χρονοβόρα. Αντ’ αυτού είναι δυνατό να εφαρμοσθεί μια αυτοματοποιημένη αντι-κειμενική επιτήρηση, η οποία λαμβάνει χώρα μέσω χαμηλού κόστους έξυπνων αισθητήρων εικόνας. Η χρήση των αισθητήρων, σε συνδυασμό με τη βοήθεια τεχνικών ανάλυσης εικόνας, παράγει μια αυτόματη αντικειμενική και εξ’ αποστάσεως μέθοδο πα-ρακολούθησης της συμπεριφοράς των ζωντανών οργανισμών. Τα τελευταία χρόνια η τεχνογνωσία στην ανάπτυξη και τη χρήση αλγορίθμων επεξεργασίας εικόνας, οι οποίοι εντοπίζουν αυτόματα τα χαρακτηριστικά των σωμάτων των ζωντανών οργανισμών, το ποσοστό δραστηριότητάς τους, καθώς και την συμπε-ριφορά τους, αναπτύσσεται ραγδαία. Ένας τέτοιος αλγόριθμος συνδυάζεται με on-line τεχνικές μοντελοποίησης αποσκοπώντας στην αναγνώριση διαφόρων φαινοτύπων συ-μπεριφοράς των ορνίθων. Η διαδικασία χωρίζεται σε δύο φάσεις, όπου κατά την πρώτη ένας αλγόριθμος με υπολογιστική όραση ανιχνεύει το αντικέιμενο παρακολούθησης από εικόνες που προέρχονται από μια κάμερα παρακολούθησης, και κατά τη δεύτερη ένας αλγόριθμος εντοπισμού αναλαμβάνει την παρακολούθηση του αντικειμένου σε δια-δοχικές εικόνες. Ακολούθως, είναι επιτακτική η υλοποίηση των αλγορίθμων σε χαμηλού κόστους χαμηλής κατανάλωσης πλατφόρμες επεξεργασίας, οι οποίες μπορούν να περιλαμβάνουν ενσωματωμένα ή ακόμα και ασύρματα συστήματα, ούτως ώστε η σημαντική αυτή βιοτεχνολογική ανάπτυξη να οδηγήσει σε οικονομικά εφικτές λύσεις. Η παρούσα μελέτη ανταπεξέρχεται στην πρόκληση της εξερεύνησης χαμηλής κατανάλωσης υλοποίησεων της βιοτεχνολογικής αυτής εφαρμογής. Η εφαρμογή έχει αναπτυχθεί σε υπολογιστικό περιβάλλον Matlab και εν συνεχεία ακολουθεί η μετάφρασή της σε C προγραμματιστική γλώσσα. Επιπρόσθετα, εφαρ-μόσθηκε δυναμική ανάλυση του εύρους και ανάλυση της ακρίβειας των μεταβλητών, με στόχο τον προσδιορισμό των μηκών των fixed point λέξεων. Εν κατακλείδι, πραγμα-τοποιήθηκαν platform-independent και platform-dependent μετασχηματισμοί της εφαρμογής και υλοποιείται σε διαφορετικές ASIP αρχιτεκτονικές αποσκοπώντας στην επίτευξη χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας.

On-line poultry monitoring can significantly improve living conditions of hens in industrial farms. A very low-cost low-energy solution needs to be provided though. ASIPs can be an ideal solution when they cover many submarkets and low-energy concepts are used for their realization. Aiming to high energy-efficiency, this work implements data parallelization, using a recently introduced software-controled SIMD realization in an innovative way. A manual mapping and scheduling effort of the most crucial part of the application leads to a highly optimized result, in terms of cycles, area and energy. This manual scheduling implementation must also be supported by a commercial compiler tool so that the design-time is minimized. Moreover, energy-efficient mapping must be explored for the remaining parts of the code. In that case, because the frequency of occurence of a part of the code is very low, more attention should be given to minimizing the area overhead. Increasing the energy efficiency of the data-path in such ways can be very important, since data- path can be dominant in the total energy-pie, once the instruction/data memory overhead is minimized by other complementary approaches. / Η αυτόματη μέθοδος παρακολούθησης ζωντανών οργανισμών μπορεί να βελτιώσει σημαντικά τις συνθήκες διαβίωσης των ζώων στις βιομηχανικές φάρμες. Για να είναι οικονομικά εφικτή όμως μια τέτοια λύση πρέπει να είναι μια λύση χαμηλής ενέργειας. Τα ASIPs μπορούν να είναι μια ιδανική λύση όταν τεχνικές χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας εφαρμόζονται σε αυτά, καθώς λόγω της ευελιξίας τους μπορούν να καλύπτουν πολλούς τομείς της συγκεκριμένης αγοράς. Στοχεύοντας σε υψηλή εξοικονόμηση ενέργειας, η παρούσα δουλειά υλοποιεί παραλληλισμό δεδομένων, χρησιμοποιώντας μια προσφάτως προταθείσα πραγματοποίηση Single Instruction Multiple Data (SIMD) εντολών, που υλοποιούνται μέσω software με ένα καινοτόμο τρόπο. Μια χειρωνακτική προσπάθεια αντιστοίχισης σε υλικό του πιο κρίσιμου κομματιού της εφαρμογής και χρονοπρογραμματισμού των εντολών του οδηγεί σε ένα πολύ βελτιστοποιημένο αποτέλεσμα αναφορικά με τους κύκλους εκτέλεσης, την καταλαμβανόμενη επιφάνεια και την απαιτούμενη ενέργεια. Η χειρωνακτική υλοποίηση χρονοπρογραμματισμού των εντολών πρέπει να μπορεί να επιτευχθεί από ένα εμπορικό εργαλείο μετάφρασης (compiler tool) ώστε στο μέλλον ο χρόνος σχεδιασμού να ελαχιστοποιηθεί. Επιπλέον, πρέπει να διερευνηθεί μια αποδοτική ως προς το θέμα της ενέργειας προσπάθεια απεικόνισης σε υλικό για τα υπόλοιπα τμήματα της εφαρμογής πέραν του πιο κρίσιμου. Σε αυτή την περίπτωση, επειδή η συχνότητα εμφάνισης αυτών των τμημάτων του κώδικα είναι πολύ μικρή, έμφαση δίνεται στην ελαχιστοποίηση της επιφάνειας του υλικού. Η βελτίωση της κατανάλωσης ενέργειας του data-path με τέτοιους τρόπους είναι πολύ σημαντική, αφού το data-path είναι κυρίαρχο στην κατανομή της ενέργειας, όταν η επιβάρυνση της μνήμης δεδομένων και εντολών ελαχιστοποιείται από συμπληρωματικές μεθόδους, όπως συμβαίνει στο προτεινόμενο ASIP.

With commercial processor design tools, a designer can quickly design a C- programmable ASIP for a specific application domain. There are several such ASIPs available for both wireless (UWB baseband processing), encryption, and biomedical processing (particularly for ECG beat detection). In traditional CPUs and DSPs the impact of the instruction-set definition and the complexity of the instruction decoder can be substantial, especially in terms of power consumption. Fully orthogonal VLIW processors, do not incur the cost of an instruction decoder that severely. Instead the instruction word becomes very large, thereby shifting the (power-)cost to the program memory or instruction cache. For the purposes of this thesis a SIMD processor is developed and is compared to a soft-SIMD to observe its area, performance and energy efficiency for a bioimaging benchmark and how the processor description in the ASIP language nML, defines the generated HDL. This SIMD processor is turned into orthogonal and using iterative experiments it is investigated, what is the impact on power while manipulating the instruction-set architecture in combination with the program memory size. It is also investigated how instruction-set re-configuration can be exploited to improve power efficiency. Using this investigation guidelines for low-power ASIP design can be produced. / Με τη σύγχρονη τεχνολογία σχεδιασμού επεξεργαστών, ο σχεδιαστής μπορεί με ευκολία να σχεδιάσει ένα προγραμματιζόμενο Επεξεργαστή Συνόλου Εντολών Ειδικού Σκοπού (ASIP - Application-Specific Instruction-set Processor) για ένα συγκεκριμένο εύρος εφαρμογών. Υπάρχουν διάφοροι τέτοιοι επεξεργαστές διαθέσιμοι για ασύρματες εφαρμογές, κρυπτογράφηση και βιοϊατρικές εφαρμογές (π.χ. στον αλγόριθμο εντοπισμού χτύπου ηλεκτροκαρδιογραφήματος). Στους παραδοσιακούς επεξεργαστές και επεξεργαστές σήματος (DSP - Digital Signal Processor) ο ορισμός του συνόλου εντολών και η πολυπλοκότητα έχουν μεγάλη επίδραση, ειδικά στην κατανάλωση ισχύος. Μία πιθανή λύση σε αυτό το πρόβλημα είναι οι ορθογώνιοι επεξεργαστές μεγάλου μεγέθους λέξης εντολής (VLIW - Very Large Instruction Word). Με τον όρο ορθογώνιο επεξεργαστή, ορίζεται ένας επεξεργαστής οριζόντιου σύνολου εντολών, άρα ένας επεξεργαστής στον οποίο μπορεί να υπάρξει κάθε διαθέσιμος συνδυασμός μεταξύ των διαθέσιμων εντολών και των μεθόδων διευθυνσιοδότησης για πρόσβαση στη μνήμη και το αρχείο καταχωρητών. Οι ορθογώνιοι επεξεργαστές δεν επιβαρύνουν τόσο τον αποκωδικοποιητή εντολών. Αντί αυτού το μέγεθος της λέξης της εντολής γίνεται πολύ μεγάλο, και έτσι μετατίθεται το ενεργειακό κόστος στην μνήμη εντολών προγράμματος (program memory )ή την κρυφή μνήμη εντολών προγράμματος (instruction cache). Για τους σκοπούς αυτής της διπλωματικής εργασίας, αναπτύχθηκε ένας επεξεργαστής SIMD, ο οποίος συγκρίνεται με έναν soft-SIMD για να μελετηθούν η απαιτούμενη περιοχή στο ενσωματωμένο, επιδόσεις και κατανάλωση ενέργειας για μία βιοϊατρική εφαρμογή, καθώς και το πως η περιγραφή ενός επεξεργαστή στη γλώσσα περιγραφής επεξεργαστών ASIP nML ορίζει την παραγούμενη γλώσσα περιγραφής υλικού (HDL - Hardware Description Language). Ο επεξεργαστής αυτός μετατρέπεται σε ορθογώνιο, και με τη χρήση επαναληπτικών πειραμάτων μελετάται η επίδραση στην κατανάλωση ενέργειας κατά τη διάρκεια αλλαγών στην αρχιτεκτονική του συνόλου εντολών και του μεγέθους της μνήμης εντολών προγράμματος. Ακόμη μελετάται πως μπορεί να εκμεταλλευτεί ο σχεδιαστής την αναδιάρθρωση του συνόλου εντολών για να βελτιώσει την κατανάλωση ενέργειας.

Η άθροιση μεγάλων αριθμών είναι μια χρονοβόρα και ενεργοβόρα διαδικασία. Πολλές μέθοδοι έχουν αναπτυχθεί για να μειωθεί η καθυστέρηση υπολογισμού του αθροίσματος λόγω της μετάδοσης κρατουμένου. Τέτοιες είναι η πρόβλεψη κρατουμένου (carry look ahead) και η επιλογή κρατουμένου (carry select). Αυτές οι αρχιτεκτονικές δεν είναι επαρκώς επεκτάσιμες για μεγάλους αριθμούς (με πολλά bits) ή πολλούς αριθμούς, διότι παράγονται μεγάλα και ενεργοβόρα κυκλώματα. Στην παρούσα εργασία μελετάται η μέθοδος υπολοίπου (RNS), η οποία χρησιμοποιεί συστήματα αριθμών μεγαλύτερα από το δυαδικό. Ορίζεται μια βάση τριών αριθμών και οι αριθμοί αναπαρίστανται στα εκάστοτε τρία συστήματα της βάσης. Η άθροιση γίνεται παράλληλα σε κάθε σύστημα και τέλος οι αριθμοί μετατρέπονται πάλι στο δυαδικό. Τα πλεονεκτήματα αυτής της προσέγγισης είναι η παραλληλία και η απουσία μεγάλων κυκλωμάτων διάδοσης κρατουμένου. Το μειονέκτημα είναι ότι χρειάζονται κυκλώματα μετατροπής από και προς το δυαδικό σύστημα. Αυτού του είδους οι αθροιστές συγκρίνονται για κατανάλωση ενέργειας με τους γνωστούς carry look ahead και carry select. Διαπιστώθηκε ότι οι RNS αθροιστές καταναλώνουν λιγότερη ενέργεια. / The addition of many-bits numbers is a time and power consuming task. Many methods are developed to reduce the sum calculation delay due to carry propagation. Such techniques are Carry Look Ahead and Carry Select, Those techniques are not scalable to many bits numbers or a set of many numbers: the circuits needed are big and power consuming. In this thesis, the the RNS technique is investigated. This technique uses radix bigger than binary. A 3-numbers base is defined and the numbers that participate in the sum are represented uniquely in each element radix. The addition is performed in parallel in each radix. Finally the result is transformed back to the binary numbers system. The advantages of this technique are the parallelization of the process and the lack of carry propagation circuits. The disadvantage is that transformation circuits are need from/to binary system. The RNS adders are compared to CLA and CS for power. Such adders are compared to CLA and CS for power consumption. It is found that RNS adders consume less energy.