Thesis (MScEng)--Stellenbosch University, 2002. / ENGLISH ABSTRACT: This report describes the development of a Java Bytecode Compiler (JBC) for the 8051 micro-controller. Bytecodes are found in the class file generated when a Java source file is compiled with the java compiler (javac). On Java platforms, the Java Virtual Machine (JVM) interprets and executes the bytecodes. Currently existing Java platforms do not support programming the 8051 using Java. As an 8-bit micro-controller with only 64 KB of total memory, the 8051's word size and memory is too limited to implement a NM. Moreover, full applications of the 8051 require that it handles hardware interrupts and access 110 ports and special registers. This thesis proposes a JBC to compile the standard bytecodes found in the class file and generate equivalent assembly code that can run on the 8051. The JBC was tested on the 8051 compatible AT89C52*44 micro-controller with a program that simulates an irrigation controller. The code generated by the JBC executes correctly but is large in size and runs slower than code of a program written in assembly. Conclusions drawn are that the JBC can be used to compile Java programs intended for the 8051 and its family of micro-controllers. In particular, it is especially a good tool for people who prefer Java to other languages. The JBC is suitable for smaller programs that do not have efficiency as a major requirement. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Hierdie tesis beskryf die ontwikkeling van 'n Java "Bytecode" samesteller (Java Bytecode Compiler, JBC) vir die 8051 mikro beheerder argitektuur. "Bytecodes" is die produk van die standaard Java samesteller "javac" en word deur 'n platform spesifieke Java Virtuele Masjien gelees en uitgevoer. Geen NM is huidig beskikbaar vir die 8051 argitektuur nie. Die gekose 8-bis 8051 mikro beheerder het 'n beperkte interne geheue van 64kB. Hierdie beperking maak dit nie geskik vir 'n IVM nie. Daar moet ook voorsiening gemaak word om hardeware onderbrekings te hantering en te kan kommunikeer met die poorte en spesiale registers van die mikro beheerder. JBC word ontwikkel wat die standaard "Bytecode" kompileer na geskikte masjien kode wat dan op die mikro beheerder gebruik kan word. Die JBC is ontwikkel en toets en 'n eenvoudige besproeiing program is geskryf om op 'n Atmel AT89C52*44 te loop. Die kode werk goed maar is nog nie geoptimeer nie en loop onnodig stadig. Optimerings metodes word aanbeveel en bespreek. Die gevolgtrekking is dat die huidige JBC kan gebruik word om Java kode te skryfvir die 8051 beheerder. Dit maak die hardeware platform nou beskikbaar aan Java programmeerders. Daar moet wel gelet word dat die JBC op die oomblik net geskik is vir klein programme en waar spoed nie die primêre vereiste is nie.

Neste trabalho foi elaborado um microcontrolador 8051 tolerante à radiação, usando para isso técnicas de recomputação de instruções. A base para este trabalho foi a descrição VHDL desse microcontrolador, sendo proposto o uso de sensores de radiação, Bulk-BICS, e códigos de proteção de erros para os elementos de memória, como forma de suporte à técnica apresentada. Inicialmente serão abordados sucintamente a origem e os efeitos prejudiciais da radiação nos dispositivos eletrônicos, motivando a realização deste trabalho. Serão mostrados em detalhes os passos para implementar a técnica de recomputação, que consiste em monitorar os sensores e, ao ser detectado um pulso transiente, fazer o processador reler a última instrução e executá-la novamente, a fim de mitigar o efeito do SET (Single Event Transient). Para isso a manipulação do contador de programa (PC) e o apontador de pilha (SP) são fundamentais. Durante esse processo também deve ser garantido que nenhum dado, potencialmente corrompido, seja armazenado na memória. Contra SEUs (Single Event Upsets) é pressuposto que todos os elementos de memória do microcontrolador estão protegidos através de algum código de correção de erros, assunto já pesquisado por outros autores. Na seqüência serão apresentadas várias simulações realizadas, onde é possível ver o processo de recomputação sendo iniciado a partir da incidência de partículas geradas através de um testbench. Por fim será feita uma comparação entre o 8051 original e o protegido, mostrando dados de área, freqüência de operação e potência de cada um. / This work presents a radiation hard 8051 microcontroller, designed using instruction recomputation techniques. The basis for this work was the VHDL description of the microcontroller. To make the microcontroller radiation hard, built in radiation sensors, called Bulk-BICS, were use to protect the combinational logic blocks. Codes for error detection and correction were used to protect the memory elements. Initially, this work discusses the sources of ionizing radiation and its harmful effects on digital integrated circuits, showing the motivation for this work. Next, the details of the implemented instruction re-computation technique are shown. It consists in monitoring the radiation sensors and, if the incidence of ionizing radiation is detected, the processor reads the last instruction and executes it again, in order to mitigate the effect of a single event transient (SET). In order to implement this re-computation, the manipulation of the program counter (PC) and stack pointer (SP) is essential. During this process it must be guaranteed that any data, potentially corrupted, will not be stored in memory. Regarding radiation effects on memory elements (Single Event Upsets-SEUs), it is assumed that all memory elements of the microcontroller are protected by some error detection and correction code, a topic previously studied by other authors. Finally, several simulations will be shown, where it is possible to see the evolution of the re-computation process, from the detection of the incidence of ionizing radiation (incidence generated by a testbench) to the full re-computation of the instruction. Finally, a comparison is made between the performance of the original 8051 and the radiation hardened version, showing overheads of area, frequency of operation and power.

Neste trabalho foi elaborado um microcontrolador 8051 tolerante à radiação, usando para isso técnicas de recomputação de instruções. A base para este trabalho foi a descrição VHDL desse microcontrolador, sendo proposto o uso de sensores de radiação, Bulk-BICS, e códigos de proteção de erros para os elementos de memória, como forma de suporte à técnica apresentada. Inicialmente serão abordados sucintamente a origem e os efeitos prejudiciais da radiação nos dispositivos eletrônicos, motivando a realização deste trabalho. Serão mostrados em detalhes os passos para implementar a técnica de recomputação, que consiste em monitorar os sensores e, ao ser detectado um pulso transiente, fazer o processador reler a última instrução e executá-la novamente, a fim de mitigar o efeito do SET (Single Event Transient). Para isso a manipulação do contador de programa (PC) e o apontador de pilha (SP) são fundamentais. Durante esse processo também deve ser garantido que nenhum dado, potencialmente corrompido, seja armazenado na memória. Contra SEUs (Single Event Upsets) é pressuposto que todos os elementos de memória do microcontrolador estão protegidos através de algum código de correção de erros, assunto já pesquisado por outros autores. Na seqüência serão apresentadas várias simulações realizadas, onde é possível ver o processo de recomputação sendo iniciado a partir da incidência de partículas geradas através de um testbench. Por fim será feita uma comparação entre o 8051 original e o protegido, mostrando dados de área, freqüência de operação e potência de cada um. / This work presents a radiation hard 8051 microcontroller, designed using instruction recomputation techniques. The basis for this work was the VHDL description of the microcontroller. To make the microcontroller radiation hard, built in radiation sensors, called Bulk-BICS, were use to protect the combinational logic blocks. Codes for error detection and correction were used to protect the memory elements. Initially, this work discusses the sources of ionizing radiation and its harmful effects on digital integrated circuits, showing the motivation for this work. Next, the details of the implemented instruction re-computation technique are shown. It consists in monitoring the radiation sensors and, if the incidence of ionizing radiation is detected, the processor reads the last instruction and executes it again, in order to mitigate the effect of a single event transient (SET). In order to implement this re-computation, the manipulation of the program counter (PC) and stack pointer (SP) is essential. During this process it must be guaranteed that any data, potentially corrupted, will not be stored in memory. Regarding radiation effects on memory elements (Single Event Upsets-SEUs), it is assumed that all memory elements of the microcontroller are protected by some error detection and correction code, a topic previously studied by other authors. Finally, several simulations will be shown, where it is possible to see the evolution of the re-computation process, from the detection of the incidence of ionizing radiation (incidence generated by a testbench) to the full re-computation of the instruction. Finally, a comparison is made between the performance of the original 8051 and the radiation hardened version, showing overheads of area, frequency of operation and power.

Neste trabalho foi elaborado um microcontrolador 8051 tolerante à radiação, usando para isso técnicas de recomputação de instruções. A base para este trabalho foi a descrição VHDL desse microcontrolador, sendo proposto o uso de sensores de radiação, Bulk-BICS, e códigos de proteção de erros para os elementos de memória, como forma de suporte à técnica apresentada. Inicialmente serão abordados sucintamente a origem e os efeitos prejudiciais da radiação nos dispositivos eletrônicos, motivando a realização deste trabalho. Serão mostrados em detalhes os passos para implementar a técnica de recomputação, que consiste em monitorar os sensores e, ao ser detectado um pulso transiente, fazer o processador reler a última instrução e executá-la novamente, a fim de mitigar o efeito do SET (Single Event Transient). Para isso a manipulação do contador de programa (PC) e o apontador de pilha (SP) são fundamentais. Durante esse processo também deve ser garantido que nenhum dado, potencialmente corrompido, seja armazenado na memória. Contra SEUs (Single Event Upsets) é pressuposto que todos os elementos de memória do microcontrolador estão protegidos através de algum código de correção de erros, assunto já pesquisado por outros autores. Na seqüência serão apresentadas várias simulações realizadas, onde é possível ver o processo de recomputação sendo iniciado a partir da incidência de partículas geradas através de um testbench. Por fim será feita uma comparação entre o 8051 original e o protegido, mostrando dados de área, freqüência de operação e potência de cada um. / This work presents a radiation hard 8051 microcontroller, designed using instruction recomputation techniques. The basis for this work was the VHDL description of the microcontroller. To make the microcontroller radiation hard, built in radiation sensors, called Bulk-BICS, were use to protect the combinational logic blocks. Codes for error detection and correction were used to protect the memory elements. Initially, this work discusses the sources of ionizing radiation and its harmful effects on digital integrated circuits, showing the motivation for this work. Next, the details of the implemented instruction re-computation technique are shown. It consists in monitoring the radiation sensors and, if the incidence of ionizing radiation is detected, the processor reads the last instruction and executes it again, in order to mitigate the effect of a single event transient (SET). In order to implement this re-computation, the manipulation of the program counter (PC) and stack pointer (SP) is essential. During this process it must be guaranteed that any data, potentially corrupted, will not be stored in memory. Regarding radiation effects on memory elements (Single Event Upsets-SEUs), it is assumed that all memory elements of the microcontroller are protected by some error detection and correction code, a topic previously studied by other authors. Finally, several simulations will be shown, where it is possible to see the evolution of the re-computation process, from the detection of the incidence of ionizing radiation (incidence generated by a testbench) to the full re-computation of the instruction. Finally, a comparison is made between the performance of the original 8051 and the radiation hardened version, showing overheads of area, frequency of operation and power.