O software vem se tornando cada vez mais o principal fator de custo no desenvolvimento de dispositivos embarcados. Atualmente, com o aumento aumentando da complexidade dos sistemas embarcados, se faz necessário o uso de técnicas e metodologias que, ao mesmo tempo, permitam o aumento da produtividade do desenvolvimento de software e permitam manipular as restrições dos sistemas embarcados como tamanho de memória, comportamento de tempo real, desempenho e energia. A análise e projeto orientado a objetos são altamente conhecidos e utilizados na comunidade de engenharia de software. Este paradigma auxilia no desenvolvimento e manutenção do software, porém apresenta uma signi cativa sobrecarga em termos de memória, desempenho e tamanho do código. Esta tese introduz uma metodologia e um conjunto de ferramentas que permitem o uso concomitante de orientação a objetos e os diferentes requisitos dos sistemas embarcados. Para atingir este objetivo, esta tese apresenta uma metodologia para exploração de software embarcado orientado a objetos que permite melhoria em diferentes níveis do processo de desenvolvimento do software baseado em diferentes implementações do mesmo processador. Os resultados da metodologia são apresentados baseados na aplicação de um tocador de MP3. / Software is increasingly becoming the major cost factor for embedded devices. Nowadays, with the growing complexity of embedded systems, it is necessary to use techniques and methodologies that can, at the same time, increase software productivity and manipulate embedded systems constraints - like memory footprint, real-time behavior, performance and energy. Object-oriented modeling and design is a widely known methodology in software engineering. This paradigm may satisfy software portability and maintainability requirements, but it presents overhead in terms of memory, performance and code size. This thesis introduces a methodology and a set of tools that can deal, at the same time, with object orientation and di erent embedded systems requirements. To achieve this goal, the thesis presents a methodology to explore object-oriented embedded software improving di erent levels in the software design based on di erent implementations with the same processor. The results of the methodology are presented based on an MP3 player application.

O avanço da tecnologia, com a possibilidade de inclusão de um número cada vez maior de transistores em uma única pastilha de silício, tem permitido integração de diversos blocos, formando sistemas completos em um único chip. Esses sistemas em chip possuem uma maior capacidade, mas também uma maior complexidade de projeto. Um dos aspectos a ser resolvido no projeto é que infra-estrutura de comunicação será utilizada na interconexão dos diversos blocos do sistema. Nos últimos anos, as propostas têm apontado para a utilização de redes em chip (NoC – do inglês, Network on Chip) para solucionar este problema de comunicação. Essas redes possuem capacidade de reuso de componentes, escalabilidade, paralelismo, embora apresentem maiores custos e latência que outras soluções. Entretanto, a latência pode ser atenuada, em alguns casos, através de ajustes na configuração da rede, tais como: topologia, arbitragem, mecanismos de controle de fluxo, política de roteamento, tamanho dos buffers. Por outro lado, os sistemas embarcados apresentam, geralmente, requisitos cada vez mais rígidos em relação à qualidade de serviço (QoS – do inglês, Quality of Service) e a restrições temporais. Dessa forma, esses requisitos temporais e de QoS aumentam ainda mais a complexidade do projeto de sistemas embarcados. Em virtude desse aumento da complexidade, o ideal é que a exploração do espaço de projeto seja feita no nível de abstração mais alto possível. Com isso, espera-se manter o tempo de projeto dentro dos níveis adequados, além de permitir uma exploração de espaço de projeto mais ampla e rápida. Nessa exploração, a configuração da rede têm impacto direto sobre os requisitos temporais e de QoS. Esta tese situa-se no contexto de investigar a influência da estrutura de comunicação no atendimento aos requisitos de QoS das aplicações de tempo real. Frente aos requisitos dessas aplicações, especificamente em relação ao atendimento dos deadlines das tarefas e a latência das comunicações, este trabalho apresenta mecanismos de ajustes no planejamento e configuração da NoC em sistemas embarcados, objetivando a garantia desses requisitos. As estratégias utilizadas nos ajustes das características da NoC objetivam permitir o uso mínimo de recursos para atender os requisitos das aplicações de tempo real, dentro das exigências de QoS. Os resultados apresentados comprovam que o ajuste correto nos parâmetros da estrutura de comunicação tem impacto direto no desempenho do sistema, especificamente em relação ao atendimento dos deadlines das mensagens e na redução da latência das comunicações. / With the technology advancing, a huge number of transistors can be included in a single chip. As a consequence, it is possible to integrate many blocks to build a complete system on a chip (SoC). These SoCs have more capacity, but their designs are more complex. One of the problems to solve is the design of the communication infrastructure to interconnect the systems blocks. In the last years, the utilization of networks as a solution for the communication problem has been proposed. These Networks-on-Chip (NoCs) have some interesting characteristics, such as reuse of components, scalability, and parallelism. On the other side, NoCs have higher costs and latency if compared to others solutions. The latency can be reduced, in some cases, by the adaptation of the network configuration, for instance adjusting topology, arbitration, flow control mechanisms, routing policy, size of buffers, etc. However, in general, embedded systems have increasingly rigid requirements regarding quality of service (QoS) and timing constraints. These timing and QoS requirements increase the complexity of embedded systems design. Due to this increased complexity, it is better that the design space exploration is performed at the highest possible abstraction level. With this, it is expected that the design time can be kept within adequate values, besides allowing a faster and broader design space exploration. In this exploration, the network configuration has direct impact upon timing and QoS requirements. The context of this thesis is the investigation of the influence of the communication structure on meeting QoS requirements in real time applications, in particular with respect to the fulfillment of task deadlines and latencies. This work shows mechanisms for adaptation of the NoC configuration for embedded systems, in order to meet the application requirements. The strategies used in the adjustment of the NoC characteristics allow the minimum use of resources to meet the real time application constraints, among the QoS requirements. The presented results demonstrate that the correct adjustment in the communication structure parameters has direct impact on the system performance, specifically with respect to the fulfillment of message deadlines and to the reduction of the communication latencies.

A popularidade da linguagem Java no mercado de sistemas embarcados está aumentando como uma alternativa à necessidade de compatibilidade de software e ao crescimento da complexidade das aplicações, notadamente em eletrônica de consumo e automação industrial, mercado que também está se expandindo. Apesar de um melhor gerenciamento da complexidade do software permitido pela linguagem Java, as restrições de necessidade de economia de energia, baixo consumo de potência e necessidade de desempenho impostas aos sistemas embarcados, com especial ênfase aos sistemas portáteis, são potencializadas. Entretanto, as características da Java Virtual Machine, baseada em uma máquina de pilha, abrem possibilidades de otimização do processamento de aplicações embarcadas inerentes às máquinas de pilha e ainda não devidamente exploradas pelos processadores Java atuais. Com a aplicação de tradução binária ao código Java e utilização de técnicas de reconfiguração, consegue-se obter aumento de performance com simultânea economia de energia, permitindo-se uma melhor adequação da execução das aplicações Java para o domínio dos sistemas embarcados. Este trabalho apresenta uma unidade reconfigurável de granularidade grossa, o Javarray, a ser acoplada a um processador de execução Java nativa, destinada à execução otimizada dos blocos básicos mais representativos das aplicações embarcadas Java. Dessa forma, conseguimos explorar ILP de uma maneira simples e com a reconfiguração de poucos blocos básicos obtivemos uma redução no número de instruções executadas em até 42%, aumentamos o desempenho das aplicações em até 2,6 vezes e obtivemos economias de energia de até 64%, ao mesmo tempo em que mantivemos compatibilidade de software com as aplicações Java, e em muitos casos obtivemos simultânea redução na potência consumida. Esses dados referem-se a um conjunto de 3 aplicações específicas utilizadas por nosso grupo. A topologia básica do Javarray é desenvolvida a partir da análise de profiles de aplicações embarcadas, a partir da qual algumas variações organizacionais são exploradas. Em especial, desenvolveu-se uma arquitetura seqüencial, que habilita a utilização de técnicas de pipeline no Javarray, permitindo a exploração de paralelismo de mais alto nível. Como produto secundário dos esforços pela busca de economia de energia através do aumento de desempenho – foco deste trabalho – apresenta-se então os primeiros estudos acerca da possibilidade de execução de processamento do tipo stream em um pipeline de instruções reconfiguráveis no Javarray, aumentando dessa forma o IPC e reduzindo o impacto do consumo estático de energia. / Althought with a better management of the softwares’ complexity, allowed by the Java language, the restrictions of energy saving, low power consumption and the need of performance imposed to the embedded systems, with special emphasis to the mobile systems, are potentialized The popularity of the Java language in the embedded systems market is increasing as an alternative to the software compatibility necessity and the applications’ complexity growth, notably at consumption electronic and industrial automation, market which is also expanding. However, the characteristics of Java Virtual Machine, based upon a stack machine, open new possibilities to the optimization of embedded systems processing inherent to the stack machines and not yet properly explored by the actual Java processors. With the exploitation of binary translation to the Java code and the use of reconfiguration techniques, we can improve the performance with simultaneous energy savings, achieving achieving a better fit of Java applications execution to the embedded systems domain. This work presents a coarse grain reconfigurable unit, the Javarray, to be coupled to a native execution Java microcontroller, designed to the optimized execution of the embedded systems applications more representative basic blocks. With this, we can explore ILP in a simple way and reduce the number of the executed instructions up to 42%, improving the performance up to 2.6 times and saving energy up to 64%, at the same time in which allowing for Java compatibility and, in many cases, still having less power consumption. This data refer to a set of 3 specific applications used by our research group. The basic Javarray topology is developed from the analysis of the embedded application profiles, form which some organizational variations are explored. In special, it was designed a sequential architecture, which enables the use of pipeline techniques on the Javarray, allowing for the exploitation of coarser grains parallelism. As a secondary product of the search for the energy savings through the performance speedup – focus of this work – it is presented the first studies about the possibility of stream-based processing execution in a pipeline of reconfigurable instructions on the Javarray, this way increasing the IPC and reducing the static energy consumption impact.

Em relação a sistemas multiprocessados integrados em uma única pastilha (MPSoC), tanto a alocação dinâmica quanto a migração de tarefas são áreas de pesquisa recentes e abertas. Este artigo propõe uma organização de memória híbrida para sistemas com comunicação baseados em redes-em-chip, como maneira de minimizar a energia gasta durante a transferência de código decorrente de uma alocação ou migração de tarefa. É também introduzido um novo mecanismo de migração de tarefas, que, por sua vez, pode utilizar check-pointing ou outra técnica mais transparente. O aumento do uso de sistemas multiprocessados na computação embarcada torna importante a avaliação de diferentes organizações de memória. Enquanto memórias distribuídas proporcionam acessos mais rápidos, memórias compartilhadas tornam possível o compartilhamento de dados sem a interferência dos processadores. Nos experimentos realizados, foi focada a redução da energia gasta na comunicação em um contexto onde uma migração de tarefas ou uma alocação dinâmica fosse necessária. Os resultados indicam que, considerando a migração do código, a solução proposta apresenta melhor eficiência do que soluções unicamente distribuídas ou compartilhadas. Foi também verificado que, em alguns casos, a estratégia híbrida reduz os tempos de migração. Na solução apresentada, o código pode ser transferido do nó onde a tarefa era originalmente executada ou de uma memória posicionada no centro da rede. A escolha entre as duas opções é feita em tempo de execução de uma maneira intuitiva, sendo a escolha baseada na distância entre os nós envolvidos na transferência. Os resultados indicam que a organização proposta reduz a energia de transferência de código em 24% e 10% em média, se comparada, respectivamente, a soluções utilizando somente memória global ou distribuída. O modelo de migração de tarefas proposto é baseado na linguagem Java e na comunicação por troca de mensagens. Todo seu desenvolvimento se deu em software, não requerendo nenhuma modificação no sistema. O custo energético da migração foi então avaliado. Entende-se por custo energético a energia gasta nos processadores para envio e recebimento das mensagens e na estrutura de comunicação, uma rede-em-chip. Trabalhos já existentes não consideram o custo de migração, comparando apenas o arranjo inicial e final das tarefas no sistema. Este trabalho, entretanto, avalia todo o processo de migração. Através de experimentos, é estimado o tempo mínimo de execução da plataforma, como função do tamanho da tarefa e da distância entre os nós da rede, necessário para amortizar a energia gasta no processo de migração, considerando que os processadores utilizam a técnica de DVS para reduzir o consumo de acordo com suas cargas de processamento. / Regarding embedded Multi-processor Systems-on-Chip (MPSoCs), dynamic task allocation and task migration are still open research areas. This work proposes a hybrid memory organization for NoC-based systems as the way to minimize the energy spent during the code transfer when task migration or dynamic task allocation needs to be performed. It is also introduced a new flexible task migration mechanism, which can use check-pointing or a more transparent technique. The increasing use of multi-processor architectures in embedded computing makes it important to evaluate different options for memory organization. While distributed memory allows faster accesses, a global memory makes possible the sharing of data without processor interference. In the experiments, it is targeted the communication energy reduction in a context where task migration or dynamic task allocation is required. Results indicate that the proposed hybrid memory organization presents better efficiency than distributed- or global-only organizations regarding code migration. It is also noticed that, in some cases, the hybrid strategy reduces the task migration times. In the hybrid approach, the code can be transferred from the node where the task was originally running or from a memory positioned at the center of the system. The choice between the two options is done at runtime in a very intuitive way, based on the distance between the nodes involved on the transfer. Results are very encouraging and indicate that the proposed hybrid organization reduces the code transfer energy by 24% and 10% on average, as compared to global- and distributed-only memory organizations, respectively. The proposed migration model is based on the Java language and on message passing communication method. It is mainly software-based, and does not require any system modification. The energy cost of the migration process is then evaluated, i.e., the energy spent on the sending and receiving cores and on the communication structure, a wormhole-based Network-on-Chip (NoC). Previous works have compared system figures before and after task migration, while this study evaluates the whole migration process. Finally, it is derived the minimum execution time of the embedded system, as a function of the task size and of the distance between the cores on the NoC, that is required to amortize the energy spent on the migration process, considering that processors use Dynamic Voltage Scaling to reduce power consumption according to their current workloads.

Com o crescimento e o desenvolvimento de aplicações para Redes de Sensores sem Fio (RSSF), os nós-sensores passaram a realizar o tratamento de eventos mais complexos, exigindo um maior desempenho de processamento e flexibilidade do hardware. Estas novas características visam atender os requisitos de diversas aplicações, assim como, apresentarem plataformas customizáveis que possuem somente os recursos necessários para atender estes requisitos. As RSSF, muitas vezes, necessitam de uma arquitetura flexível e que estejam aptas a adaptar-se a alterações de projeto ou do próprio ambiente em que se encontram inserido. A utilização de arquiteturas reconfiguráveis é uma solução que introduz esta flexibilidade e uma grande capacidade de processamento ao nó-sensor. Comparando com as arquiteturas ASICs (Application Specific Integrated Circuit), as arquiteturas reconfiguráveis apresentam um custo reduzido no desenvolvimento de aplicações, visto que a plataforma não fica fixa a somente uma aplicação. A reconfigurabilidade permite um ganho no custo e tempo de projeto, além de possibilitar o desenvolvimento de plataformas genéricas para atender um número maior de aplicações. A proposta destas plataformas é, não apenas oferecer uma plataforma eficiente e flexível, mas também potencializar a aplicação em sistemas mais complexos que necessitem de uma maior capacidade de processamento. Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um nó-sensor reconfigurável e customizável para RSSF denominado FemtoNode. O FemtoNode possui em sua plataforma reconfigurável um processador especificado a partir de uma linguagem orientada a objetos Java e um módulo de comunicação sem fio para suportar comunicação entre os nós da rede. A arquitetura proposta foi validada com o estudo de caso de uma rede de sensores heterogênea composta por nós-sensores com plataformas distintas, sendo a análise realizada na presente dissertação. / With the growth and the development of new applications for Wireless Sensor Networks (WSN), sensors nodes are able to handle more complex events that require higher processing performance and hardware flexibility. These new features are intended to meet the requirements of various applications, as well to provide customized platforms that have only the resources needed to meet these requirements. WSNs often need a flexible architecture able to adapt to design and environment changes. The use of reconfigurable architectures is an alternative to bring more flexibility and more processing capability for the sensor-node. Compared with ASICs (Application Specific Integrated Circuit) architectures, which have a high cost in production setup, reconfigurable architectures enable a reduction in these costs because its architecture is not fixed to a single application. Reconfigurability allows a gain in the project costs and time development, and it enables the development of generic platforms to deal with a greater number of applications. Therefore, the proposal target architecture that aims to provide a flexible and efficient platform that require greater processing capacity which support the development of applications. In this work a reconfigurable and customizable sensor-node called FemtoNode is proposed. The FemtoNode has a reconfigurable platform and a wireless module to support applications for WSNs, using an object-oriented language Java as specification language of its architecture. The proposed concepts were validated with a case study of an heterogeneous wireless sensor composed of sensors nodes with different platforms, whose results are described in this work.

Partículas radioativas, ao atingirem o hardware dos sistemas computacionais, podem resultar em comportamentos inesperados durante a execução de um software. Tais comportamentos inesperados podem persistir por toda a vida útil do sistema ou podem ter uma duração limitada. Nesse último caso, temos o que chamamos de falhas transientes. Falhas transientes podem fazer com que as instruções do programa executem em uma sequência incorreta, o que chamamos de erros de fluxo de controle (Control-flow errors - CFEs). Estudos mostram que entre 33% e 77% das falhas transientes que afetam o hardware se manifestam como erros de fluxo de controle, dependendo do tipo do processador. Se o sistema não realizar nenhuma verificação em tempo de execução, um erro de fluxo de controle pode não ser detectado, o que pode resultar em uma execução incorreta do programa. Sistemas projetados para aplicações de baixo custo voltados para sistemas embarcados, onde os custos e desempenho são os fatores principais, utilizam técnicas baseadas em software para aumentar a confiabilidade do sistema. As técnicas baseadas em software para detecção de CFEs são conhecidas como signature monitoring ou signature checking. Essas técnicas introduzem código extra em todos os blocos básicos do programa com a finalidade de detectar os CFEs. Esse código extra implica em overhead, que pode ter uma grande variação dependendo da técnica utilizada. Na tentativa de minimizar o overhead imposto pelas técnicas de detecção de CFEs, neste trabalho foi desenvolvida a técnica de detecção e proteção de blocos básicos suscetíveis através da análise sistemática de single bit-flip. O objetivo da técnica é detectar os blocos básicos suscetíveis do programa através da análise sistemática de single bit-flip e proteger apenas esses blocos básicos. A técnica foi avaliada em termos de sua taxa de cobertura de falhas e desempenho. Para avaliar a taxa de cobertura falhas foram realizadas várias campanhas de injeção de falhas nos programas da suíte de benchmarks Mibench. A avaliação de desempenho foi feita com base na quantidade de instruções de máquina executadas pelos benchmarks, comparando quantidade de instruções antes e depois da utilização da técnica detecção e proteção de blocos básicos suscetíveis. Os resultados dos experimentos mostram que é possível reduzir em até 27,93% a quantidade de blocos básicos protegidos e ao mesmo tempo manter uma alta taxa de cobertura de falhas. Porém, em termos de desempenho, o ganho não ficou na mesma proporção da quantidade de blocos básicos não protegidos, ficando abaixo do esperado. / Radioactive particles hitting the hardware of computer systems may result in unexpected behavior during software execution. Such unexpected behavior may persist for the lifetime of the system or may have a limited duration. In the latter case, we have what is called a transient fault. Transient faults may cause the program instructions to execute in an incorrect sequence. This incorrect sequence is called a control flow error (CFE). Research show that between 33% to 77% of transient faults manifest themselves as CFEs, depending on the type of the processor. If the system does not perform any verification at runtime, a control flow error may be not detected, which can result in incorrect program execution. Systems projected to low-cost embedded applications, where cost and performance are the main factors, use software based techniques to improve system reliability. Software based techniques to detect CFEs are known as signature monitoring or signature checking. These techniques insert extra code in each basic block of the program in order to detect CFEs. This extra code add an undesirable overhead in the program, which can have large variation depending on the technique used. In the attempt to minimize the overhead added by CFEs detection techniques, this work developed a technique of detection and protection of susceptible basic blocks through systematic bit-flip analysis. The purpose of this technique is to detect the susceptible basic blocks of the program through the systematic bit-flip analysis and to protect only these basic blocks. The technique was evaluated based on its fault coverage rate and performance. To evaluate the fault coverage rate a fault injection campaing was performed in the programs of the Mibench benchmark suite. The performance evaluation was based in the number of instruction executed by each benchmark, comparing the number of instructions before and after the use of the proposed technique. The experimental results show that is possible to reduce up to 27,93% the amount of protected basic blocks, while keeping a high faults coverage hate. However, in terms of performance, the gain was not in the same proportion, being lower than expected.

O elevado custo de manutenção nos ambientes industriais motivou pesquisas de novas técnicas para melhorar as ações de reparos. Com a evolução tecnológica, principalmente da eletrônica, que proporcionou o uso de sistemas embarcados para melhorar as atividades de manutenção, estas agregaram inteligência e evoluíram para uma manutenção pró-ativa. Através de ferramentas de processamento de sinais, inteligência artificial e tolerância a falhas, surgiram novas abordagens para os sistemas de monitoramento a serviço da equipe de manutenção. Os ditos sistemas de manutenção inteligente, cuja tarefa é realizar testes em funcionamento (on-line) nos equipamentos industriais, promovem novos modelos de confiabilidade e disponibilidade. Tais sistemas são baseados nos conceitos de tolerância a falhas, e visam detectar, diagnosticar e predizer a ocorrência de falhas. Deste modo, fornece-se aos engenheiros de manutenção a informação antecipada do estado de comportamento do equipamento antes mesmo deste manifestar uma falha, reduzindo custos, aumentando a vida útil e tornando previsível o reparo. Para o desenvolvimento do sistema de manutenção inteligente objeto deste trabalho, foram estudadas técnicas de inteligência artificial (redes neurais artificiais), técnicas de projeto de sistemas embarcados e de prototipação em plataformas de hardware. No presente trabalho, a rede neural Mapas Auto-Organizáveis foi adotada como ferramenta base para detecção e diagnóstico de falhas. Esta foi prototipada numa plataforma de sistema embarcado baseada na tecnologia FPGA (Field Programmable Gate Array). Como estudo de caso, uma válvula elétrica utilizada em dutos para transporte de petróleo foi definida como aplicação alvo dos experimentos. Através de um modelo matemático, um conjunto de dados representativo do comportamento da válvula foi simulado e utilizado como entrada do sistema proposto. Estes dados visam o treinamento da rede neural e visam fornecer casos de teste para experimentação no sistema. Os experimentos executados em software validaram o uso da rede neural como técnica para detecção e diagnóstico de falhas em válvulas elétricas. Por fim, também realizou-se experimentos a fim de validar o projeto do sistema embarcado, comparando-se os resultado obtidos com este aos resultados obtidos a partir de testes em software. Os resultados revelam a escolha correta do uso da rede neural e o correto projeto do sistema embarcado para desempenhar as tarefas de detecção e diagnóstico de falhas em válvulas elétricas. / The high costs of maintenance in industrial environments have motivated research for new techniques to improve repair activities. The technological progress, especially in the electronics field, has provided for the use of embedded systems to improve repair, by adding intelligence to the system and turning the maintenance a proactive activity. Through tools like signal processing, artificial intelligence and fault-tolerance, new approaches to monitoring systems have emerged to serve the maintenance staff, leading to new models of reliability and availability. The main goal of these systems, also called intelligent maintenance systems, is to perform in-operation (on-line) test of industrial equipments. These systems are built based on fault-tolerance concepts, and used for the detection, the diagnosis and the prognosis of faults. They provide the maintenance engineers with information on the equipment behavior, prior to the occurrence of failures, reducing maintenance costs, increasing the system lifetime and making it possible to schedule repairing stops. To develop the intelligent maintenance system addressed in this dissertation, artificial intelligence (neural networks), embedded systems design and hardware prototyping techniques were studied. In this work, the neural network Self-Organizing Maps (SOM) was defined as the basic tool for the detection and the diagnosis of faults. The SOM was prototyped in an embedded system platform based on the FPGA technology (Field Programmable Gate Array). As a case study, the experiments were performed on an electric valve used in a pipe network for oil transportation. Through a mathematical model, a data set representative of the valve behavior was obtained and used as input to the proposed maintenance system. These data were used for neural network training and also provided test cases for system monitoring. The experiments were performed in software to validate the chosen neural network as the technique for the detection and diagnosis of faults in the electrical valve. Finally, experiments to validate the embedded system design were also performed, so as to compare the obtained results to those resulting from the software tests. The results show the correct choice of the neural network and the correct embedded systems design to perform the activities for the detection and diagnosis of faults in the electrical valve.

A complexidade dos sistemas embarcados está crescendo devido à agregação de funcionalidades em um único dispositivo eletrônico e a heterogeneidade de comportamento das aplicações que compõe estas funcionalidades agrava este cenário. Atualmente, os projetistas de processadores estão buscando outro paradigma de computação para ser empregado neste tipo de dispositivo. A aceleração da execução dos processadores Superescalares está estagnada, a extração do paralelismo no modelo Von- Neumann está chegando ao limite teórico. Arquiteturas Dataflow são uma possível solução para este problema, entretanto a área disponível em silício da tecnologia atual não comporta a implementação deste tipo de arquitetura. Arquiteturas reconfiguráveis aparecem como uma solução viável para a exploração de um alto nível de paralelismo, sendo factível a implementação deste tipo de arquitetura nas atuais tecnologias CMOS. Entretanto, a inserção do hardware reconfigurável ocasiona uma elevação na área ocupada e, conseqüentemente, na potência consumida. É neste cenário que este trabalho se insere. Uma arquitetura reconfigurável foi escolhida como estudo de caso, sendo acoplada a um processador MIPS R3000. Além disto, foi desenvolvida uma ferramenta que, automaticamente, constrói um hardware otimizado através da exploração de recursos necessários para obter o máximo grau de paralelismo da execução de um conjunto de aplicações. O acoplamento desta ferramenta com a técnica de tradução binária utilizada nesta arquitetura reconfigurável provê uma exploração estática/dinâmica. Estática pelo ponto de vista de construção de uma nova unidade reconfigurável otimizada em área antes da fabricação do chip. Dinâmica devido a adaptabilidade da execução do tradutor binário, após a fabricação da unidade otimizada gerada pela ferramenta, a unidade otimizada alcança as mesmas acelerações demonstradas na unidade não otimizada com uma menor área ocupada e potência consumida. Além disto, neste trabalho é demonstrado o impacto na potência consumida pelo sistema fornecido por uma técnica de desligamento de blocos da unidade funcional reconfigurável. Assim, as explorações da área e do consumo de potência demonstraram ser factível a inserção da arquitetura reconfigurável proposta em um dispositivo embarcado. / Nowadays, the large amount of complex and heterogeneous functionalities that are found on a single embedded device has driven designers to create novel solutions to increase the performance of embedded processors and, at the same time, maintain power dissipation as low as possible. While the instruction level parallelism exploitation is reaching the theoretical limit, Dataflow architectures are seen as a reasonable proposal to solve this problem. However, even for near future CMOS technologies, the price to pay for using such architectures is still too high. Reconfigurable architectures could be a possible solution to explore higher-levels of parallelism, and their deployment on current CMOS technologies is feasible. However, the fusion of a reconfigurable hardware with a general-purpose processor still implies in a high area overhead, besides the elevated power consumption. The proposal of this work is to couple static and dynamic techniques to achieve a low-power, high performance reconfigurable architecture that can show speed ups for several heterogeneous applications with the minimum possible area overhead. At design time, the static exploitation produces a new reconfigurable unit optimized in area. Thanks to the proposed dynamic reconfiguration mechanism, the optimized reconfigurable unit provides acceleration and low power dissipation, adapting to the different degrees of parallelism available in the application, and accelerating applications not foreseen at design time.

Nesse trabalho é apresentada uma arquitetura que habilita a geração de MPSoCs (Multiprocessors Systems-on-Chip) heterogêneos escaláveis, baseados em barramento, suportando ainda o uso de diferentes organizações de memória. A comunicação entre as tarefas é especificada por meio de uma estrutura de memória compartilhada, que evita colisões e promove ganhos energéticos através do disparo dinâmico de clock gating. Também é introduzida a técnica DCF (Dynamic Core Freezing), que incrementa a eficiência energética do MPSoC tirando proveito dos ciclos ociosos dos processadores durante os acessos à memória. Mais, a combinação das organizações de memória propostas habilita a exploração de migração de tarefas na arquitetura proposta, por meio da troca de contexto das tarefas na memória compartilhada. Além disso, é mostrado o simulador de alto-nível, baseado na arquitetura proposta, criado com o propósito de extrair os ganhos energéticos propiciados com o uso do clock gating e da técnica DCF. O simulador aceita como entrada arquivos de trace de execução de aplicações Java, com os quais ele gera um novo arquivo contendo o mapeamento das instruções encontradas nos arquivos de trace para diferentes classes de instrução. Dessa forma, podem ser modeladas diferentes arquiteturas de processadores, usando o arquivo com o mapeamento para simular o MPSoC. Mais, o simulador habilita ainda a exploração das diferentes organizações de memória da arquitetura proposta, de maneira que se pode estimar o seu impacto no número de instruções executadas, contenções no barramento, e consumo energético. Experimentos baseados em uma aplicação sintética, executando em um MPSoC composto por diferentes versões de um processador Java mostram um grande aumento na eficiência energética com um custo mínimo em área. Além disso, também são apresentados experimentos baseados em aplicações do benchmark SPECjvm98, que mostram o impacto causado na eficiência energética quando o tipo de aplicação é alterado. Mais, os experimentos mostram drásticos ganhos energéticos obtidos com a aplicação da técnica DCF sobre as memórias do MPSoC. / In this work we present an architecture that enables the generation of bus-based, scalable heterogeneous Multiprocessor Systems-on-Chip (MPSoCs), supporting different memory organizations. Intertask communication is specified by means of a shared memory structure that assures collision avoidance and promotes energy savings through a dynamic clock gating triggering. We also introduce a Dynamic Core Freezing (DCF) technique, which boosts energy savings taking advantage of processor idle cycles during memory accesses. Moreover, the combination of the memory organizations enables the architecture to exploit easy task migration by means of the task context saving in the shared data memory. Moreover, we show the high-level simulator, based on the proposed architecture, created in order to extract the energy savings enabled with the clock gating and the DCF techniques. The simulator accepts as input execution trace files of Java applications, from which it generates a new file that contains the mapping of the instructions found in the trace file for different instruction classes. This way, we can model different processor architectures, using the mapping file to simulate the MPSoC. Also, the simulator enables us to experiment with different memory organizations to estimate their impact on the executed instructions, bus contention, and energy consumption. As case study we have modeled different versions of a Java processor in order to experiment with different execution patterns over different memory organizations. Experiments based on a synthetic application running on an MPSoC containing different versions of a Java processor show a large improvement in energy efficiency with a minimal area cost. Besides that, we also present experiments based on applications of the SPECjvm98 benchmark, which show the impact on the energy efficiency when we change the application type. Moreover, the experiments show a huge improvement in the energy efficiency when applying the DCF technique to the MPSoC memories.

A disseminação dos dispositivos embarcados por diferentes domínios de aplicação torna necessário que a interação entre eles dispense ao máximo a intervenção humana. Diversos protocolos e tecnologias foram criados para a atingir este objetivo. Uma destas tecnologias é o Device Profile for Web Services (DPWS), que tem tido relativa aceitação tanto em ambientes industriais quanto residenciais. A expressividade e flexibilidade do DPWS tem permitido integrar dispositivos com recursos reduzidos diretamente com os sistema de gerenciamento das organizações. Com a diversidade dos dispositivos disponíveis e o crescimento das aplicações de redes sem fio, torna-se importante que os dados possam ser protegidos para manter a sua integridade e sigilo. Em aplicações como controle de processos, aquisição de dados estratégicos, medição de consumo de energia, entre outras, os prejuízos causados por interferências indevidas justificam a aplicação de estratégias de proteção dos dados, mesmo com o custo que elas podem gerar. Neste trabalho, são estudados os impactos da união da flexibilidade e expressividade do DPWS com a criptografia e compressão, fornecendo subsídios para que seja avaliado o custo de cada combinação destas soluções para definir quais níveis de proteção e otimização são mais adequados a cada cenário em que o DPWS possa ser aplicado. Ao fim do estudo realizado, demonstra-se o custo da criptografia na proteção dos dados, avaliando-se diferentes suítes de cifragem nas quais os algoritmos RC4 e o AES se mostram como opções viáveis em ambientes embarcados apesar do custo inerente ao processo de criptografia. Outro ponto importante é a comprovação estatística de que a compressão dos dados propicia um ganho de desempenho com redução de banda ocupada capaz de compensar o custo computacional da sua aplicação. Estas análises comprovam que o uso do tráfego seguro não pode ser aplicado a todos os casos devido às suas exigências de recursos. Em certas aplicações é possível achar um ponto intermediário onde se garanta apenas a autenticidade dos dados, deixando a criptografia completa para os casos mais críticos. Por fim, a conclusão à qual se chega é que o DPWS pode ser um substituto para as opções atuais de gerenciamento, sobre as quais tem como principal vantagem a capacidade de crescer em representatividade e complexidade de acordo com os recursos computacionais disponíveis. / The growth of use of embedded devices in several application domains makes necessary the reduction of human interaction for the devices control and has motivated the development of new technologies to achieve this goal. The Device Profile for Web Services (DPWS) is one of such technologies. It has been adopted on both industrial and home applications due to its flexibility, scalability and interoperability that allows the direct integration between deeply embedded devices and enterprise management systems. The remote device management requires a high level of data protection that could guarantee the integrity and confidentiality needed by industrial applications. In applications such as process control, strategic data acquisition, power consumption measurement, the possible harm caused by undue interference justify the use of data protection strategies despite the increasing of cost added by security technologies. This paper presents the results of a statistically proven study on the security layer applications of DPWS embedded devices using compressed data. The main objective of this work is to provide the background required to DPWS secure devices design, estimating the impact of many combinations of compression and security algorithms such as gzip, RC4 and AES. It proves that these technologies fit in embedded devices applications when data security is a strong requirement. Additionally, it is shown that performance degradation caused by data compression is compensated by the reduction of the amount of data to be encrypted. Best results were obtained when the compressed data fit in one Ethernet packet. Finally, is concluded that DPWS can replace the current alternatives to process management, having the advantages of scalability direct connection between deeply embedded devices and enterprise management systems.