O presente trabalho apresenta a implementação de um core de rede Ethernet 10/100Mbps com interface para o barramento Avalon para utilização em conjunto com o processador Nios II da Altera. A tecnologia Ethernet foi implementada em computação reconfigurável e utilizou-se como base um módulo disponível na Internet denominado OpenCores MAC 10/100. O projeto foi desenvolvido para ser aplicado em sistemas embarcados, mais especificamente para o uso em um robô móvel em desenvolvimento no Laboratório de Computação Reconfigurável do ICMC/USP. O core foi incorporado à biblioteca da ferramenta SoPC Builder da Altera, visando uma fácil integração do mesmo em outros projetos. Foram utilizadas as ferramentas Quartus II e ModelSim para o desenvolvimento e testes do sistema, além de dois kits Nios versão Stratix para a validação do projeto, sendo as placas interligadas ponto-a-ponto sem a utilizaçao de transceivers analógicos. / This work presents the implementation of a network Ethernet 10/100Mbps core with interfaces to Avalon bus for using with the Nios II processor from Altera. The Ethernet technology was implemented in reconfigurable computing and was based in the OpenCores MAC 10/100 available on Internet. The project was developed for embedded systems applications, more specifically for a mobile robot in development at Reconfigurable Computing Laboratory from ICMC/USP. The core was incorporated to SoPC Builder tool’s library from Altera, aiming to facilitate the integration with others projects. To development and system tests were used Quartus II and ModelSim, and two Nios Development kit Statix Edition for project validation. The boards were linked peer-to-peer, without use analog transceivers.

As arquiteturas multiprocessadas heterogêneas têm como objetivo principal a extração de maior desempenho da execução dos processos, por meio da utilização de núcleos apropriados às suas demandas. No entanto, a extração de maior desempenho é dependente de um mecanismo eficiente de escalonamento, capaz de identificar as demandas dos processos em tempo real e, a partir delas, designar o processador mais adequado, de acordo com seus recursos. Este trabalho tem como objetivo propor e implementar o modelo de um escalonador para arquiteturas multiprocessadas heterogêneas, baseado em software e hardware, aplicado ao sistema operacional Linux e ao processador SPARC Leon3, como prova de conceito. Nesse sentido, foram implementados monitores de desempenho dentro dos processadores, os quais identificam as demandas dos processos em tempo real. Para cada processo, sua demanda é projetada para os demais processadores da arquitetura e em seguida é realizado um balanceamento visando maximizar o desempenho total do sistema, distribuindo os processos entre processadores, de modo a diminuir o tempo total de processamento de todos os processos. O algoritmo de maximização Hungarian, utilizado no balanceamento do escalonador, foi desenvolvido em hardware, proporcionando paralelismo e maior desempenho na execução do algoritmo. O escalonador foi validado por meio da execução paralela de diversos benchmarks, resultando na diminuição dos tempos de execução em relação ao escalonador sem suporte à heterogeneidade / Heterogeneous multiprocessor architectures have as main objective the extraction of higher performance from processes through the use of appropriate cores to their demands. However, the extraction of higher performance is dependent on an efficient scheduling mechanism, able to identify in real-time the demands of processes and to designate the most appropriate processor according to their resources. This work aims at design and implementations of a model of a scheduler for heterogeneous multiprocessor architectures based on software and hardware, applied to the Linux operating system and the SPARC Leon3 processor as proof of concept. In this sense, performance monitors have been implemented within the processors, which in real-time identifies the demands of processes. For each process, its demand is projected for the other processors in the architecture and then it is performed a balancing to maximize the total system performance by distributing processes among processors. The Hungarian maximization algorithm, used in balancing scheduler was developed in hardware, providing greater parallelism and performance in the execution of the algorithm. The scheduler has been validated through the parallel execution of several benchmarks, resulting in decreased execution times compared to the scheduler without the heterogeneity support

Este trabalho apresenta a construção de um sistema embarcado para detectar pedestres, utilizando computação reconfigurável com captura de imagens através de uma única câmera acoplada a um veículo que trafega em ambiente urbano. A principal motivação é a necessidade de reduzir o número vítimas causadas por acidentes de trânsito envolvendo pedestres. Uma das causas está relacionada com a velocidade de resposta do cérebro humano para reconhecer situações de perigo e tomar decisões. Como resultando, há um interesse mundial de cientistas para elaborar soluções economicamente viáveis que venham a contribuir com inovações tecnológicas direcionadas a auxiliar motoristas na condução de veículos. A implementação em hardware deste sistema foi desenvolvida em FPGA e dividida em blocos interconectados. Primeiramente, no pré-tratamento do vídeo, foi construído um bloco para conversão de dados da câmera para escala de cinza, em seguida, um bloco simplificado para a estabilização vertical dinâmica de vídeo. Para a detecção foram construídos dois blocos, um para detecção binária de movimento e um bloco de detecção BLOB. Para fazer a classificação, foi construído um bloco para identificação do tamanho do objeto em movimento e fazendo a seleção pela proporcionalidade. Os testes em ambiente real deste sistema demonstraram ótimos resultados para uma velocidade máxima de 30 km/h / This work proposes an embedded system to detect pedestrians using reconfigurable computing making the image acquisition through a mono-camera attached to a vehicle in an urban environment. This work is motivated by the need to reduce the number of traffic accidents, even with government support, each year hundreds of people become victims thus bringing great damage to the economy. As a result, there is also a global concern of scientists to promote economically viable solutions that will contribute to reducing these accidents. A significant issue is related to the speed of response of the human brain to recognize and or to make decisions in situations of danger. This feature generates a demand for technological solutions aimed at helping people to drive vehicles in several respects. The system hardware was developed in FPGA and divided into interconnected blocks. First, for the pretreatment of the video, was built a block for data conversion from the camera to grayscale, then a simplified block for vertical stabilization dynamic video. To detection, two blocks were built, one for binary motion detection and one for a BLOB detection. To classify, was built one block to identify the size of the object in motion by the proportionality and making the selection. The tests in real environment of this system showed great results for a maximum speed of 30 km / h

Este trabalho descreve a prova de conceito de uma abordagem que utiliza o modelo de computação a fluxo de dados, inerentemente paralelo, associado ao modelo de computação reconfigurável parcial e dinamicamente, visando à obtenção de sistemas computacionais de alto desempenho. Mais especificamente, trata da obtenção de um modelo para o particionamento dos grafos a fluxo de dados dinâmicos e de um protocolo de comunicação entre suas partes, a fim de permitir a sua implementação em arquiteturas dinamicamente reconfiguráveis, em especial em FGPAs Virtex da Xilinx. Enquadra-se no contexto do projeto ChipCFlow, de escopo mais amplo, que pretende obter uma ferramenta para geração automática de descrição de hardware sintetizável, a partir de código em alto nível, escrito em linguagem C, fazendo uso da abordagem a fluxo de dados para extrair o paralelismo implícito nas aplicações originais. O modelo proposto é aplicado em um grafo a fluxo de dados dinâmico, e através de simulações sua viabilidade é discutida / This work describes the concept of an approach that uses data ow computational model, inherently parallel, associated with de reconfigurable computing model, partial and dynamic, in order to obtain high performance computational systems. More specifically, it is about a model to the partitioning and communication between partitioned sectors of a CDFG (Control Data Flow Graph) in order to map these graphs on a partial reconfiguration FPGA fabric, in special Virtex II/II-Pro from Xilinx. It is part of the ChipCFlow project, that has a bigger scope, and that aims to automatically obtain syntetisable hardware descriptions, from high level code written in C and, by using a data flow approach to extract implicit parallelism in original applications. The model obtained is extensively explained and applied to an example of CDFG, where by means of simulations its feasibility is discussed

O consumo de energia é uma das questões mais importantes em sistemas embarcados. Estudos demonstram que neste tipo de sistema a cache é responsável por consumir a maior parte da energia fornecida ao processador. Na maioria dos processadores embarcados, os parâmetros de configuração da cache são fixos e não permitem mudanças após sua fabricação/síntese. Entretanto, este não é o cenário ideal, pois a configuração da cache pode não ser adequada para uma determinada aplicação, tendo como consequência menor desempenho na execução e consumo excessivo de energia. Neste contexto, este trabalho apresenta uma implementação em hardware, utilizando computação reconfigurável, capaz de reconfigurar automática, dinâmica e transparentemente a quantidade de ways e por consequência o tamanho da cache de dados do processador embarcado LEON3, de forma que a cache se adeque à aplicação em tempo de execução. Com esta técnica, espera-se melhorar o desempenho das aplicações e reduzir o consumo de energia do sistema. Os resultados dos experimentos demonstram que é possível reduzir em até 5% o consumo de energia das aplicações com degradação de apenas 0.1% de desempenho / Energy consumption is one of the most important issues in embedded systems. Studies have shown that in this type of system the cache consumes most of the power supplied to the processor. In most embedded processors, the cache configuration parameters are fixed and do not allow changes after manufacture/synthesis. However, this is not the ideal scenario, since the configuration of the cache may not be suitable for a particular application, resulting in lower performance and excessive energy consumption. In this context, this project proposes a hardware implementation, using reconfigurable computing, able to reconfigure the parameters of the LEON3 processor\'s cache in run-time improving applications performance and reducing the power consumption of the system. The result of the experiment shows it is possible to reduce the processor\'s power consumption up to 5% with only 0.1% degradation in performance

A computação reconfigurável está se fortalecendo cada vez mais devido ao grande avanço dos dispositivos reprogramáveis e ferramentas de projeto de hardware utilizadas atualmente. Isso possibilita que o desenvolvimento de hardware torne-se bem menos trabalhoso e complicado, facilitando assim a vida do desenvolvedor. A tecnologia utilizada atualmente em projetos de computação reconfigurável é denominada FPGA (Field Programmable Gate Array), que une algumas características tanto de software (flexibilidade), como de hardware (desempenho). Isso fornece um ambiente bastante propício para desenvolvimento de aplicações que precisam de um bom desempenho, sem que estas devam possuir uma configuração definitiva. O objetivo deste trabalho foi implementar um barramento eficiente para possibilitar a comunicação entre diferentes CORES de um robô reconfigurável, que podem estar dispersos em diferentes dispositivos FPGAs. Tal barramento seguirá o padrão AMBA (Advanced Microcontroller Bus Architecture), pertencente à ARM. Todo o desenvolvimento do core completo do AMBA foi realizado utilizando-se a linguagem VHDL (Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language) e ferramentas EDAs (Electronic Design Automation) apropriadas. É importante notar que, embora o barramento tenha sido projetado para ser utilizado em um robô, o mesmo pode ser usado em qualquer sistema on-chip. / The reconfigurable computing is each time more fortified, what leads to a great advance of reprogrammable devices and hardware design tools. This has become hardware development less laborious and complicated, thus, facilitating the life of the designer. The technology currently used in projects of reconfigurable computing is called FPGA (Field Programmable Gate Array), which combines some characteristics of software (flexibility) and hardware (performance). This technology provides a propitious environment to the development of applications that need a good performance. Those that don’t need a definitive configuration. The purpose of this work was to implement an efficient bus to make possible the communication among different modules of a reconfigurable robot. This bus is based on a bus standard called AMBA (Advanced Microcontroller Bus Architecture), which belongs to ARM. All the development of full AMBA core was carried through using VHDL (Very High Speed Integrated Circuit the Hardware Description Language) language and appropriated EDA (Electronic Design Automation) tools. It is important to notice that, even so the bus have been projected to be used in a robot, it could be used in any system on-chip.

A maioria dos sistemas embarcados hoje desenvolvidos utilizam complexos sistemas eletrônicos integrados em um único chip, os Systems-on-a-Chip (SoC). A análise do comportamento de uma aplicação em execução, ou seja, o profiling nesses sistemas não é uma tarefa trivial em virtude da complexidade dos SoCs e pela restrição de ferramentas de profiling adequadas. Neste contexto, este trabalho apresenta o P2L, uma ferramenta de profiling que se baseia em métricas de nível de instrução e função para o processador LEON3. O P2L fornece estatísticas detalhadas de uso do processador, memórias e barramento de programas em execução sem uso de instrumentação. A ferramenta é composta por um componente em hardware e drivers e aplicativos em software. Os resultados mostram que o P2L fornece medidas com erro inferior a 1% e overhead desprezível quando comparado ao tempo de execução nativa do programa e ao do profiler GNU gprof. / Most embedded systems developed today use complex electronic systems integrated into a single chip, the Systems-on-a-Chip (SoC). The analysis of the behavior of a running application or profiling in these systems is not a trivial task due to the complexity of the SoC and the restriction of appropriate profiling tools. In this context, this work presents P2L - a profiling tool that is based on instruction and function level metrics for the LEON3 processor. P2L provides detailed usage statistics of the processor, memories, and bus of running programs without the use of instrumentation. The tool consists of a component in hardware, drivers and applications software. The results show that P2L provides measures with an error less than 1% and negligible overhead compared to native runtime program and the GNU profiler gprof.

A tendência de integração de diversos componentes em um único chip tem proporcionado um aumento da complexidade dos sistemas computacionais. Tanto as indústrias quanto o meio acadêmico estão em busca de técnicas que possibilitem diminuir o tempo e o esforço gastos com a verificação no processo de desenvolvimento de hardware, a fim de garantir qualidade, robustez e confiabilidade a esses dispositivos. De forma a contribuir para várias aplicações envolvendo a verificação de sistemas, tais como busca por erros de projeto, avaliação de desempenho, otimização de algoritmos e extração de dados do sistema, o presente trabalho propõe um sistema de monitoramento baseado em computação reconfigurável, capaz de observar de forma não intrusiva o comportamento de um SoC (System-on-Chip) em tempo de execução. Tal sistema é composto por um módulo de monitoramento responsável por captar informações de execução de software em um processador embarcado e uma ferramenta de análise, chamada ACAD, que interpreta esses dados. Por meio da realização de experimentos, verificou-se que o sistema desenvolvido foi capaz de fornecer dados fiéis sobre a quantidade de acessos a memória ou a outros periféricos, tempos de execução de porções (ou a totalidade) do código e número de vezes que cada instrução foi executada. Esses resultados permitem traçar, de maneira precisa, o comportamento de um software executado no processador softcore Nios II, contribuindo assim para facilitar o processo de verificação em sistemas baseados em computação reconfigurável / The trend of integrating several components on a single chip has motivated an increase in the complexity of computing systems. Both industry and academy are in search of new techniques that allow time and effort spent with verification on hardware development process to be reduced to guarantee quality, robustness, reability to these devices. In order to contribute to applications in the system verification area, such as search for design errors, performance evaluation, algorithm optimization and data extraction from the system, this work proposes a monitoring system based on reconfigurable computing. This system must be able to have a run-time non-intrusive probing of a System-on-Chip behaviour. It is formed by a monitoring core responsible for capturing software execution information of a embedded processor and an analysis tool, called ACAD, that decodes the data. Empirically, the implemented system was able to provide precise data about the amount of memory and other peripherals accesses, time measurement for sections (or the entire) of the source code, and number of times each instruction was executed. These results allow to draw, in accurate way, the behaviour of a software executed on the softcore Nios II processor, collaborating to make the verification process of systems based on reconfigurable computing easier

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um processador open source baseado no processador Nios II da Altera. O processador desenvolvido permite a customização de instruções, a inclusão de componentes que possibilitem um estudo detalhado da memória cache, tal como um monitor de cache, definir o tamanho da cache, dentre outras características. Além disso, o processador é baseado na arquitetura do Nios II e implementa 90% do ISA do Nios II, o mesmo está integrado aos ambientes Qsys e SOPC Builder da ferramenta Quartus II da Altera, sendo possível utilizar todo o conjunto de IP (Propriedade Intelectual) e ferramentas disponíveis pela Altera. Assim, este trabalho tem como propósito colaborar com o desenvolvimento de arquiteturas de hardware com uma unidade de processamento configurável e customizável facilmente pelo usuário, uma vez que o seu código fonte em Bluespec SystemVerilog está aberto a todos os usuários, diferente do Nios II da Altera, que tem o código encriptado, inviabilizando fornecer qualquer mudança no processador a nível RTL (Register Transfer Level ). Para o desenvolvimento do processador foi utilizada a Linguagem de Descrição de Hardware Bluespec SystemVerilog, pelo fato de ser uma ESL (Electronic System Level ) que acelera o processo de desenvolvimento de hardware / This work presents the development of an open source based Nios II processor from Altera. The developed processor allows custom instructions, use of components that allows a detailed study of the cache memory, among other features. In addition, the processor is based on the Nios II architecture, which can be integrated into the Qsys and SOPC Builder of the Altera Quartus II environment tool as well as use the entire set of IP (Intellectual Property) and tools available from Altera. This work contributes to the development of hardware architectures with a processing unit configurable and easily customizable by the user, since its source code in Bluespec SystemVerilog is open to all users, other than the Nios II from Altera which has encrypted code, making it impossible to do any changes in the processor at RTL (Register Transfer level) level. For the development of the processor hardware the description language Bluespec SystemVerilog was used, which is an ESL (Electronic System Level) that speeds up the development of the hardware

Nos últimos anos, houve um grande avanço na computação reconfigurável, em particular em hardware que emprega Field-Programmable Gate Arrays. Porém, esse aumento de capacidade e desempenho aumentou a distância entre a capacidade de projeto e a disponibilidade de tecnologia para o desenvolvimento do projeto. As linguagens de programação imperativas de alto nível, como C, são mais apropriadas para o desenvolvimento de aplicativos complexos que as linguagens de descrição de hardware. Por isso, surgiram diversas ferramentas para o desenvolvimento de hardware a partir de código em C. A ferramenta ChipCflow, da qual faz parte este projeto, é uma delas. A execução dos programas por meio dessa ferramenta será completamente baseada em seu fluxo de dados, seguindo o modelo dinâmico encontrado nas arquiteturas de computadores a fluxo de dados, aproveitando ao máximo o paralelismo considerado natural desse modelo e as características do hardware parcialmente reconfigurável. Neste projeto em particular, o objetivo é a prova de conceito (proof of concept) para a criação de instâncias, em forma de operadores, de um algoritmo ChipCflow em hardware parcialmente reconfigurável, tendo como base a plataforma Virtex da Xilinx / In recent years, reconfigurable computing has become increasingly more advanced, especially in hardware that uses Field-Programmable Gate Arrays. However, the increase of performance in FPGAs accumulated the gap between design capacity and technology for the development of the design. Imperative high-level programming languages such as C are more appropriate for the development of complex algorithms than hardware description languages (HDL). For this reason, many ANSI C-like programming tools for the development of hardware came to existence. The ChipCflow project, of which this project is part, is one of these tools. The execution of algorithms through this tool will be completely directed by data flow, according to the dynamic model found on Dataflow Architectures, taking advantage of its natural high levels of parallelism and the characteristics of the partially reconfigurable hardware. In this project, the objective is a proof of concept for the creation of instances, in the form of operators, of a ChipCflow algorithm on a partially reconfigurable hardware, taking as reference the Xilinx Virtex boards