Submitted by Johnny Rodrigues (johnnyrodrigues@ufcg.edu.br) on 2018-08-13T20:41:07Z No. of bitstreams: 1 LUIZ BRUNELLI - TESE PPGEE 2005..pdf: 3761170 bytes, checksum: e05b83824a2a7e6d3aca6ea19daf1396 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-08-13T20:41:07Z (GMT). No. of bitstreams: 1 LUIZ BRUNELLI - TESE PPGEE 2005..pdf: 3761170 bytes, checksum: e05b83824a2a7e6d3aca6ea19daf1396 (MD5) Previous issue date: 2005-02 / CNPq / Nesta tese descreve-se uma nova solução para o tratamento da complexidade das interconexões entre os elementos de processamento das redes neuronais artificiais (RNAs). Ela possibilita implementar RNAs em hardware, de tecnologia digital, com um número maior de neurônios do que se faz atualmente. As RNAs têm sido usadas como solução em vários problemas complexos. Em alguns destes problemas faz-se necesário a sua implementação em hardware. Vários s˜ao os compromissos que devem ser satisfeitos durante o projeto e implementa¸c˜ao das RNAs, dentre eles o das interconexões entre os neurônios. Atualmente encontram-se implementações neuronais utilizando circuitos integrados especificamente desenvolvidos para uma dada arquitetura de rede neuronal e também o uso de circuitos integrados configurados pelo usuário. Dentre estes circuitos existem os FPGAs reconfigur´aveis dinamicamente (DR-FPGAs) que podem ter suas características alteradas durante a sua opera¸c˜ao, sem sofrer interrupções em seu funcionamento normal. Estes dispositivos têm sido utilizados na implementação de RNAs. Propõe-se uma solução para o problema das interconexões entre os neurônios artificiais utilizando os DR-FPGAs e uma nova forma de computação: as Figuras de Execução (F.E.). As F.E. permitem teoricamente reduzir o impacto das interconexões através da eliminação do transporte de dados via barramento, além de outras vantagens e desvantagens durante o processamento da computação. As F.E. não parecem estar restritas apenas as aplicações de RNAs. Elas podem ser utilizadas pela computação reconfigurável em problemas massivamente paralelos e/ou que necessitem trocar informações entre os vários elementos de processamento do sistema. / In this thesis a new solution for the treatment of the complexity in the interconnections among the processing elements of the artificial neural networks (ANNs) is described. It enables realize ANNs digital hardware implementation with a larger number of neurons than does nowadays. The ANNs have been used as a solution in various complex problems. Some of these problems require hardware implementation. A lot of constraints must be satisfied during the project flow of the implementations of ANNs, such as the neural interconnections. Nowadays, neural implementations are done using integrated circuits, specifically developed for a given neural network architecture or integrated circuits configured by the user. Among these circuits exist the dynamically reconfigured FPGAs (DR-FPGAs) which can have their characteristics changed during operation without suffering interruptions in their execution. These devices have been usedforANNimplementations. Itpresentsaproposaltosolvethe interconnection problem for artificial neurons using DR-FPGAs in a new computational way: the Execution Patterns1 (EPs). The EPs allow, theoretically, to reduce the influence of interconnections through the removal of data transport via busses, besides other advantages and disadvantages. TheEPsdoesnotseemtoberestrictedonlytoANNapplications. They can be used by reconfigurable computation in massive parallel problems and/or problems that demand information exchange among the various elements in a processing system.

Os sistemas dinamicamente reconfiguráveis (SDRs) são uma alternativa para o desenvolvimento de sistemas sobre silício baseados em circuitos programáveis (SoPC), cujo principal beneficio é o bom aproveitamento da área do dispositivo. Sendo neles implementados circuitos que representam as tarefas que devem operar numa etapa específica do tempo de operação do sistema, permitem um menor consumo de área e de energia, parâmetros importantes nos sistemas portáveis. Isto tem gerado muito interesse no que se refere às metodologias de projeto utilizando FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) dinamicamente reconfiguráveis (DRFPGAs) e à definição de um meio de comunicação estruturado para tratar da transferência de dados entre as partes reconfiguráveis e as fixas, mas estas tarefas, assim como a concretização de sua comunicação, seguem sendo ainda essencialmente manuais, devido à falta de metodologias de projeto e ferramentas de CAD que simplifiquem o projeto de SDRs. Este trabalho foca uma das limitações mais efetivas para a adoção da reconfiguração dinâmica: a falta de ferramentas de CAD que suportem o projeto de SDRs, inclusive os baseados em redes intra-chip (NoCs), em particular, no posicionamento dos módulos. Neste trabalho, uma arquitetura para SDRs baseado em NoCs é proposta e um algoritmo de posicionamento dos módulos de um SDR baseado em aspectos reais da família do DRFPGAs é desenvolvido, dentro de uma ferramenta denominada DynoPlace. Desenvolveu-se também um modelo de validação e simulação de SDRs, em tempo de operação, utilizando-se a técnica de chaveamento dinâmico de circuitos. Para o estudo do caso, de validação da arquitetura e metodologia, propõe-se uma aplicação teste baseada em computação de operações aritméticas. A metodologia de simulação permite determinar o tempo da reconfiguração e verificar o comportamento do SDR no momento da reconfiguração. A ferramenta DynoPlace permite gerar os arquivos de restrição de usuário (UCF) de posicionamento dos módulos do SDR no DRFPGA Virtex-4LX25. Este contém informações do posicionamento dos módulos do sistema, dos dispositivos usados para as entradas e saídas do sistema além do posicionamento dos bus-macros. Com os arquivos gerados pela metodologia e ferramenta DynoPlace, pode-se executar com sucesso os scripts da metodologia Early Access da Xilinx para gerar o SDR de forma automática. / Dynamically Reconfigurable Systems (DRSs) are an alternative for developing Systems on a Programmable Chip (SoPC), being the efficient use of device\'s area one of its main advantages. Circuits implemented as DRSs represent tasks which must be active in specific times into the system operation, allowing area and energy saving, which is an important goal for portable systems. This has generated interests on the design methodology using Dynamically Reconfigurable Field Programmable Gate Arrays (DRFPGAs) and on the definition of communication systems for handling data transfer between static and reconfigurable partitions. However, these tasks, as well as the communication structure, are still carried out manually due to lack of design methodologies and CAD tools applied to DRSs design. This work focuses on the one of main drawbacks to the adoption of dynamic reconfiguration methods: the absence of CAD tools which support DRS designs, specifically, in the module positioning task, included, for those based on Network-on-Chip (NoCs). In this work, an architecture for DRSs based on NoCs is presented and an algorithm for module positioning is developed in a tool called DynoPlace as well, based on real specifications of DRFPGAs families. It is also developed a run-time simulation and validation model for DRSs, through a dynamic circuit switching technique. For the validation of architecture and methodology study case, an application test based on arithmetic operations has been proposed. The simulations methodology allows to determine the reconfiguration time and verify the DRS behavior at the moment of reconfiguration. The DynoPlace tool allows to generate User Constraint File (UCF) of DRS\'s modules positioning for the DRFPGA Virtex-4LX25. This file contains information of modules positioning in the system, of the devices used for inputs and outputs of the system, and the positioning of bus-macros. After the files generation by the methodology, and the DynoPlace tool, it is possible to successfully execute the Early Access scripts for generating the DRS automatically.

Os sistemas dinamicamente reconfiguráveis (SDRs) são uma alternativa para o desenvolvimento de sistemas sobre silício baseados em circuitos programáveis (SoPC), cujo principal beneficio é o bom aproveitamento da área do dispositivo. Sendo neles implementados circuitos que representam as tarefas que devem operar numa etapa específica do tempo de operação do sistema, permitem um menor consumo de área e de energia, parâmetros importantes nos sistemas portáveis. Isto tem gerado muito interesse no que se refere às metodologias de projeto utilizando FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) dinamicamente reconfiguráveis (DRFPGAs) e à definição de um meio de comunicação estruturado para tratar da transferência de dados entre as partes reconfiguráveis e as fixas, mas estas tarefas, assim como a concretização de sua comunicação, seguem sendo ainda essencialmente manuais, devido à falta de metodologias de projeto e ferramentas de CAD que simplifiquem o projeto de SDRs. Este trabalho foca uma das limitações mais efetivas para a adoção da reconfiguração dinâmica: a falta de ferramentas de CAD que suportem o projeto de SDRs, inclusive os baseados em redes intra-chip (NoCs), em particular, no posicionamento dos módulos. Neste trabalho, uma arquitetura para SDRs baseado em NoCs é proposta e um algoritmo de posicionamento dos módulos de um SDR baseado em aspectos reais da família do DRFPGAs é desenvolvido, dentro de uma ferramenta denominada DynoPlace. Desenvolveu-se também um modelo de validação e simulação de SDRs, em tempo de operação, utilizando-se a técnica de chaveamento dinâmico de circuitos. Para o estudo do caso, de validação da arquitetura e metodologia, propõe-se uma aplicação teste baseada em computação de operações aritméticas. A metodologia de simulação permite determinar o tempo da reconfiguração e verificar o comportamento do SDR no momento da reconfiguração. A ferramenta DynoPlace permite gerar os arquivos de restrição de usuário (UCF) de posicionamento dos módulos do SDR no DRFPGA Virtex-4LX25. Este contém informações do posicionamento dos módulos do sistema, dos dispositivos usados para as entradas e saídas do sistema além do posicionamento dos bus-macros. Com os arquivos gerados pela metodologia e ferramenta DynoPlace, pode-se executar com sucesso os scripts da metodologia Early Access da Xilinx para gerar o SDR de forma automática. / Dynamically Reconfigurable Systems (DRSs) are an alternative for developing Systems on a Programmable Chip (SoPC), being the efficient use of device\'s area one of its main advantages. Circuits implemented as DRSs represent tasks which must be active in specific times into the system operation, allowing area and energy saving, which is an important goal for portable systems. This has generated interests on the design methodology using Dynamically Reconfigurable Field Programmable Gate Arrays (DRFPGAs) and on the definition of communication systems for handling data transfer between static and reconfigurable partitions. However, these tasks, as well as the communication structure, are still carried out manually due to lack of design methodologies and CAD tools applied to DRSs design. This work focuses on the one of main drawbacks to the adoption of dynamic reconfiguration methods: the absence of CAD tools which support DRS designs, specifically, in the module positioning task, included, for those based on Network-on-Chip (NoCs). In this work, an architecture for DRSs based on NoCs is presented and an algorithm for module positioning is developed in a tool called DynoPlace as well, based on real specifications of DRFPGAs families. It is also developed a run-time simulation and validation model for DRSs, through a dynamic circuit switching technique. For the validation of architecture and methodology study case, an application test based on arithmetic operations has been proposed. The simulations methodology allows to determine the reconfiguration time and verify the DRS behavior at the moment of reconfiguration. The DynoPlace tool allows to generate User Constraint File (UCF) of DRS\'s modules positioning for the DRFPGA Virtex-4LX25. This file contains information of modules positioning in the system, of the devices used for inputs and outputs of the system, and the positioning of bus-macros. After the files generation by the methodology, and the DynoPlace tool, it is possible to successfully execute the Early Access scripts for generating the DRS automatically.