Este trabalho apresenta o projeto e arquitetura de uma plataforma para execução de Agentes com funções implementadas em hardware, tomando vantagem do uso de hardware reconfigurável. Os Agentes em hardware são implementados utilizando dispositivos FPGA (Field-programmable Gate Array). O trabalho estende trabalhos anteriores semelhantes na área, com o diferencial de adicionar suporte às funcionalidades de reconfiguração parcial do hardware, suportar aplicações que demandam alto desempenho em hardware – como processamento de sinais e imagens – e redução de recursos de hardware necessários para execução da interface em software. A plataforma proposta utiliza o framework JADE (Java Agent Development Framework), que é um dos frameworks mais populares no estado da arte de desenvolvimento de Agentes e compatível com outros frameworks de Agentes através da conformidade aos padrões FIPA (Foundation for Intelligent Physical Agents). Com o uso do JADE, a plataforma possibilita a comunicação entre Agentes com funções implementadas em hardware e Agentes puramente implementados em software dentro de um mesmo SMA (Sistema Multi-Agente). Uma funcionalidade notável do JADE é a possibilidade de migração de Agentes entre plataformas de um mesmo SMA. Através do uso da reconfiguração parcial de hardware em conjunto com o JADE, a plataforma permite a migração de Agentes de software para hardware e vice-versa, além de suportar reconfiguração de múltiplos Agentes em hardware com um único FPGA. A plataforma faz uso de um único chip através do uso de um processador soft core implementado na lógica programável. O uso deste processador é um diferencial neste trabalho, e mostra que é possível utilizar o JADE em sistemas embarcados com recursos de processamento limitados. Ou seja, em um Agente cuja principal função é implementada em hardware, basta um processador bastante simples para atuar como uma interface entre o hardware e o framework de Agentes. O uso do processador dentro do FPGA tem também o benefício de oferecer formas de acesso mais integrado ao hardware, permitindo maior desempenho na transmissão de dados ao hardware. A plataforma foi validada através de estudos de caso de Agentes com implementações em hardware e em software, incluindo um estudo de caso aplicado de processamento de imagem embarcado utilizando VANTs (Veículos Aéreos Não-Tripulados). O estudo também apresenta comparações de desempenho entre a execução dos Agentes em hardware e em outras plataformas embarcadas de prateleira. Os experimentos realizados mostram um ganho significativo de desempenho nas implementações em FPGA, especialmente considerando processamento de imagens de alta resolução, mesmo considerando que o FPGA executa em frequências consideravelmente reduzidas em comparação às outras plataformas testadas. / This work described the design and architecture of a platform for execution of Agents whose functions are implemented in hardware, by leveraging the use of reconfigurable hardware. The hardware Agents are implemented using FPGA (Field-programmable Gate Array) devices. This work extends previous similar work in this field, while adding the features of hardware partial reconfiguration, supporting applications which require high performance in hardware – such as image or signal processing – and reducing the hardware resource for the software interface execution. The proposed platform makes use of the JADE (Java Agent Development Framework) framework, which is one of the most popular frameworks in state-of-the-art Agent development, and is also compatible with other Agent development frameworks due to compliance with FIPA (Foundation for Intelligent Physical Agents) standards. With the use of JADE, the platform enables communication among Agents which are implemented in hardware and Agents purely implemented in software, inside the same MAS (Multi-Agent System). One notable feature of JADE is the possibility of migrating Agents among platforms inside a single MAS. Through the use of hardware partial reconfiguration along with JADE, the platform enables the migration of Agents from software to hardware and viceversa, in addition to supporting múltiple hardware Agents in a single FPGA. The platform makes use of a single chip, by using a MicroBlaze soft core processor implemented in programmable logic. The use of this processor is a distinction on this work, and it shows that it is possible to use JADE on embedded systems with limited processing power. That is, in an Agent whose main function is implemented in hardware, a very simple processor to act as an interface between hardware and the Agent framework is enough. The use of the soft core processor inside the FPGA also has the benefit of offering more integrated ways of accessing hardware, enabling higher performance for transferring data to hardware. The platform was validated through case studies of hardware and software Agent implementation, including a case study applied to image processing using UAVs (Unmanned Aerial Vehicles). The study also shows performance comparisons between the Agent execution in hardware and in other off-the-shelf embedded platforms. The performed experiments report a significative performance increase in the FPGA implementations, particularly in high resolution image processing, even considering that the FPGA runs in considerably lower clock frequency than the other tested platforms.

Redes neurais estão se tornando soluções atrativas para a automação de veículos nos mercados automotivo, militar e aeroespacial. Todas essas aplicações são de segurança crítica e, portanto, precisam ter a confiabilidade como um dos principais requisitos. Graças ao baixo custo, baixo consumo de energia, e flexibilidade, FPGAs estão entre os dispositivos mais promissores para implementar redes neurais. Entretanto, FPGAs também são conhecidas por sua susceptibilidade à falhas induzidas por partículas ionizadas. Neste trabalho, nós avaliamos os efeitos de erros induzios por radiação nas saídas de duas redes neurais (Iris Flower e MNIST), implementadas em FPGAs baseadas em SRAM. Em particular, via experimentos com feixe acelerado de nêutrons, nós percebemos que a radiação pode induzir erros que modificam a saída da rede afetando ou não a corretude funcional da mesma. Chamamos o primeiro caso de erro crítico e o segundo de error tolerável. Nós exploramos aspectos das redes neurais que podem impactar tanto seu desempenho quanto sua confiabilidade, tais como os níveis de precisão na representação dos dados e diferentes métodos de implementação de alguns tipos de camadas. Usando campanhas exaustivas de injeção de falhas, nós identificamos porções das implementações da Iris Flower e da MNIST em FPGAs que são mais prováveis de gerar erros critícos ou toleráveis, quando corrompidas. Baseado nessa análise, nós propusemos estratégias de ABFT para algumas camadas das redes, bem como uma estratégia de proteção seletiva que triplica somente as camadas mais vulneráveis das redes neurais. Nós validamos essas estratégias de proteção usando testes de radiação com nêutrons, a vemos que nossa solução de proteção seletiva conseguiu mascarar 68% das falhas na Iris Flower com um custo adicional de 45%, e 40% das falhas na MNIST com um custo adicional de 8%. / Neural networks are becoming an attractive solution for automatizing vehicles in the automotive, military, and aerospace markets. All of these applications are safety-critical and, thus, must have reliability as one of the main constraints. Thanks to their low-cost, low power-consumption, and flexibility, Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs) are among the most promising devices to implement neural networks. Unfortunately, FPGAs are also known to be susceptible to faults induced by ionizing particles. In this work, we evaluate the effects of radiation-induced errors in the outputs of two neural networks (Iris Flower and MNIST), implemented in SRAM-based FPGAs. In particular, through accelerated neutron beam experiments, we notice that radiation can induce errors that modify the output of the network with or without affecting the neural network’s functionality. We call the former critical errors and the latter tolerable errors. We explore aspects of the neural networks that can have impacts on both performance and reliability, such as levels of data precision and different methods of implementation for some types of layers. Through exhaustive fault-injection campaigns, we identify the portions of Iris Flower and MNIST implementations on FPGAs that are more likely, once corrupted, to generate a critical or a tolerable error. Based on this analysis, we propose Algorithm-Based Fault Tolerance (ABFT) strategies for certain layers in the networks, as well as a selective hardening strategy that triplicates only the most vulnerable layers of the neural network. We validate these hardening approaches with neutron radiation testing, and see that our selective hardening solution

Der aktuelle Stand der Technologie bringt schnellere und kleinere Bausteine für die Herstellung von integrierten Schaltungen mit sich, die während sie effizienter sind auch anfälliger für Strahlung werden. Kleinere Abmessungen der Transistoren, höhere Integrationsdichte, geringere Versorgungsspannungen und höhere Betriebsfrequenzen sind einige der Charakteristika, die energiegeladene Partikel zu einer Herausforderung machen, wenn man integrierte Schaltungen in rauen Umgebungen einsetzt. Diese Art der Partikel hat einen sehr großen Einfluss auf Prozessoren, die in einer solchen Umgebung eingesetzt werden. Sowohl die Ausführung des Programms, welche durch fehlerhafte Sprünge in der Programmsequenz beeinflusst wird, als auch Daten, die in speichernden Elementen wie Programmspeicher, Datenspeicher oder in Registern abgelegt sind, werden verfälscht. Um solche Prozessorsysteme abzusichern, wird in der Literatur Fehlertoleranz empfohlen, welche die Systemperformanz verringert, einen größeren Flächenverbrauch mit sich bringt und das System dennoch nicht komplett schützen kann. Diese Fehlertoleranz kann sowohl durch software- als auch durch hardwarebasierte Ansätze umgesetzt werden. In diesem Zusammenhang schlagen wir eine Kombination aus Hardware- und Software- Lösung vor, welche die Systemperformanz nur sehr wenig beeinflusst und den zusätzlichen Speicheraufwand minimiert. Diese Hybrid-Technologie zielt darauf ab, alle Fehler in einem System zu finden. Fünf solcher Techniken werden beschrieben und erklärt, zwei der vorgestellten Techniken sind bekannte Software-Lösungen, die anderen drei sind neue Hybrid-Lösungen, um alle transienten Effekte von Strahlung in Prozessoren erkennen zu können. Diese unterschiedlichen Ansätze werden anhand ihrer Ausführungszeit, Programm-, Datenspeicher, Flächenvergrößerung und Taktfrequenz analysiert und ausgewertet. Um die Effizienz und die Machbarkeit des vorgeschlagenen Ansatzes verifizieren zu können, werden Fehlerinjektionstests sowohl durch Simulation als auch durch Bestrahlungsexperimente in unterschiedlichen Positionen mit einer Cobalt-60 Quelle durchgeführt. Die Ergebnisse des vorgeschlagenen Ansatzes verbessern den Stand der Technik durch die Bereitstellung einer höheren Fehlererkennungsrate bei sehr geringer negativer Beeinflussung der Performanz und des Speicherverbrauchs. / Os recentes avanços tecnológicos proporcionaram dispositivos menores e mais rápidos para a fabricação de circuitos que, apesar de mais eficientes, se tornaram mais sensíveis aos efeitos de radiação. Menores dimensões de transistores, mais densidade de integração, tensões de alimentação mais baixas e frequências de operação mais altas são algumas das características que tornaram partículas energizadas um problema, quando lidando com sistemas integrados em ambientes severos. Estes tipos de partículas tem uma grande influencia em processadores funcionando em tais ambientes, afetando tanto o fluxo de execução do programa ao causar desvios incorretos, bem como os dados armazenados em elementos de memória, como memórias de dados e programas e registradores. A fim de proteger sistemas processados, técnicas de tolerância a falhas foram propostas na literatura usando propostas baseadas em hardware, software, que diminuem o desempenho do sistema, aumentam a sua área e não são capazes de proteger totalmente o sistema destes efeitos. Neste contexto, propomos a combinação de técnicas baseadas em hardware e software para criar técnicas híbridas orientadas a detectar todas as falhas que afetam o sistema, com baixa degradação de desempenho e aumento de memória. Cinco técnicas são apresentadas e descritas em detalhes, das quais duas são conhecidas técnicas baseadas puramente em software e três são técnicas híbridas novas, para detectar todos os tipos de efeitos transientes causados pela radiação em processadores. As técnicas são avaliadas de acordo com o aumento no tempo de execução, no uso das memórias de dados e programa e de área, e degradação da frequência de operação. Para verificar a eficiência e aplicabilidade das técnicas propostas, campanhas de injeção de falhas são realizadas ao se simular a injeção de falhas e realizar experimentos de irradiação em diferentes localidades com nêutron e fontes de Cobalto-60. Os resultados mostraram que as técnicas propostas aprimoraram o estado da arte ao fornecer altas taxas de detecção de falhas com baixas penalidades em degradação de desempenho e aumento de memória. / Recent technology advances have provided faster and smaller devices for manufacturing circuits that while more efficient have become more sensitive to the effects of radiation. Smaller transistor dimensions, higher density integration, lower voltage supplies and higher operating frequencies are some of the characteristics that make energized particles an issue when dealing with integrated circuits in harsh environments. These types of particles have a major influence in processors working in such environments, affecting both the program’s execution flow by causing incorrect jumps in the program, and the data stored in memory elements, such as data and program memories, and registers. In order to protect processor systems, fault tolerance techniques have been proposed in literature using hardware-based and software-based approaches, which decrease the system’s performance, increase its area, and are not able to fully protect the system against such effects. In this context, we proposed a combination of hardware- and software-based techniques to create hybrid techniques aimed at detecting all the faults affecting the system, at low performance degradation and memory overhead. Five techniques are presented and described in detail, from which two are known software-based only techniques and three are new hybrid techniques, to detect all kinds of transient effects caused by radiation in processors. The techniques are evaluated according to execution time, program and data memories, and area overhead and operating frequency degradation. To verify the effectiveness and the feasibility of the proposed techniques, fault injection campaigns are performed by injecting faults by simulation and performing irradiation experiments in different locations with neutrons and a Cobalt-60 sources. Results have shown that the proposed techniques improve the state-of-the-art by providing high fault detection rates at low penalties on performance degradation and memory overhead.

Este trabalho foi realizado dentro da área de reconhecimento automático de voz (RAV). Atualmente, a maioria dos sistemas de RAV é baseada nos modelos ocultos de Markov (HMMs) [GOM 99] [GOM 99b], quer utilizando-os exclusivamente, quer utilizando-os em conjunto com outras técnicas e constituindo sistemas híbridos. A abordagem estatística dos HMMs tem mostrado ser uma das mais poderosas ferramentas disponíveis para a modelagem acústica e temporal do sinal de voz. A melhora da taxa de reconhecimento exige algoritmos mais complexos [RAV 96]. O aumento do tamanho do vocabulário ou do número de locutores exige um processamento computacional adicional. Certas aplicações, como a verificação de locutor ou o reconhecimento de diálogo podem exigir processamento em tempo real [DOD 85] [MAM 96]. Outras aplicações tais como brinquedos ou máquinas portáveis ainda podem agregar o requisito de portabilidade, e de baixo consumo, além de um sistema fisicamente compacto. Tais necessidades exigem uma solução em hardware. O presente trabalho propõe a implementação de um sistema de RAV utilizando hardware baseado em FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) e otimizando os algoritmos que se utilizam no RAV. Foi feito um estudo dos sistemas de RAV e das técnicas que a maioria dos sistemas utiliza em cada etapa que os conforma. Deu-se especial ênfase aos Modelos Ocultos de Markov, seus algoritmos de cálculo de probabilidades, de treinamento e de decodificação de estados, e sua aplicação nos sistemas de RAV. Foi realizado um estudo comparativo dos sistemas em hardware, produzidos por outros centros de pesquisa, identificando algumas das suas características mais relevantes. Foi implementado um modelo de software, descrito neste trabalho, utilizado para validar os algoritmos de RAV e auxiliar na especificação em hardware. Um conjunto de funções digitais implementadas em FPGA, necessárias para o desenvolvimento de sistemas de RAV é descrito. Foram realizadas algumas modificações nos algoritmos de RAV para facilitar a implementação digital dos mesmos. A conexão, entre as funções digitais projetadas, para a implementação de um sistema de reconhecimento de palavras isoladas é aqui apresentado. A implementação em FPGA da etapa de pré-processamento, que inclui a pré-ênfase, janelamento e extração de características, e a implementação da etapa de reconhecimento são apresentadas finalmente neste trabalho.

A compressão de vídeo é essencial para aplicações que manipulam vídeos digitais, em função da enorme quantidade de informação necessária para representar um vídeo sem nenhum tipo de compressão. Esta tese apresenta o desenvolvimento de soluções arquiteturais dedicadas e de alto desempenho para a compressão de vídeos, com foco no padrão H.264/AVC. O padrão H.264/AVC é o mais novo padrão de compressão de vídeo da ITU-T e da ISO e atinge as mais elevadas taxas de compressão dentre todos os padrões de codificação de vídeo existentes. Este padrão também possui a maior complexidade computacional dentre os padrões atuais. Esta tese apresenta soluções arquiteturais para os módulos da estimação de movimento, da compensação de movimento, das transformadas diretas e inversas e da quantização direta e inversa. Inicialmente, são apresentados alguns conceitos básicos de compressão de vídeo e uma introdução ao padrão H.264/AVC, para embasar as explicações das soluções arquiteturais desenvolvidas. Então, as arquiteturas desenvolvidas para os módulos das transformadas diretas e inversas, da quantização direta e inversa, da estimação de movimento e da compensação de movimento são apresentadas. Todas as arquiteturas desenvolvidas foram descritas em VHDL e foram mapeadas para FPGAs Virtex-II Pro da Xilinx. Alguns dos módulos foram, também, sintetizados para standard-cells. Os resultados obtidos através da síntese destas arquiteturas são apresentados e discutidos. Para todos os casos, os resultados de síntese indicaram que as arquiteturas desenvolvidas estão aptas para atender as demandas de codecs H.264/AVC direcionados para vídeos de alta resolução. / Video coding is essential for applications based in digital videos, given the enormous amount of bits which are required to represent a video sequence without compression. This thesis presents the design of dedicated and high performance architectures for video compression, focusing in the H.264/AVC standard. The H.264/AVC standard is the latest ITU-T and ISO standard for video compression and it reaches the highest compression rates amongst all the current video coding standards. This standard has also the highest computational complexity among all of them. This thesis presents architectural solutions for the modules of motion estimation, motion compensation, forward and inverse transforms and forward and inverse quantization. Some concepts of video compression and an introduction to the H.264/AVC standard are presented and they serve as basis for the architectural developments. Then, the designed architectures for forward and inverse transforms, forward and inverse quantization, motion estimation and motion compensation are presented. All designed architectures were described in VHDL and they were mapped to Xilinx Virtex-II Pro FPGAs. Some modules were also synthesized into standard-cells. The synthesis results are presented and discussed. For all cases, the synthesis results indicated that the architectures developed in this work are able to meet the demands of H.264/AVC codecs targeting high resolution videos.

Desde a década de 60, o aprimoramento das técnicas de fabricação de circuitos integrados que usam lógica binária tem levado ao aumento exponencial na densidade de dispositivos, melhoria do desempenho, redução da energia consumida e redução dos custos de fabricação dos circuitos integrados no estado da arte. Esse avanço tem sido alcançado historicamente pela miniaturização dos dispositivos que, já em escala nanométrica, começam a encontrar limites físicos para a sua redução. Com o intuito de dar continuidade ao avanço tecnológico, muitos trabalhos têm proposto a compactação da informação através do uso de lógica não binária como solução alternativa para a melhoria de desempenho de circuitos no estado da arte. Nesse sentido, diversos trabalhos foram desenvolvidos em diferentes tecnologias que vão de circuitos bipolares a dispositivos quânticos, entretanto, até o presente momento, nenhuma tecnologia demonstrou ao mesmo tempo os requisitos de desempenho, consumo, área e confiabilidade, necessários à aplicação em circuitos de alta escala de integração. Este trabalho apresenta uma nova família de circuitos de lógica quaternária com alto desempenho, baixos consumo e área e que usa tecnologia CMOS. Os circuitos desenvolvidos neste trabalho fazem uso de três fontes de alimentação e até oito diferentes transistores com diferentes tensões de limiar para realizar a lógica quaternária. São apresentados circuitos elementares como inversores e circuitos literais e com eles construídos circuitos aritméticos e multiplexadores. Os circuitos são simulados com a ferramenta SPICE usando a tecnologia TSMC 0,18 μm e os resultados são comparados com circuitos equivalentes em lógica binária. Na comparação de um somador completo quaternário de quatro bits, por exemplo, com o circuito equivalente em lógica binária, a implementação quaternária apresenta melhoria 55% na velocidade, 63% no consumo de potência e utiliza pouco mais de duas vezes o número de transistores. Este trabalho também propõe o uso de lógica quaternária em FPGA e são desenvolvidos blocos lógicos programáveis quaternários. Resultados de mapeamento lógico de circuitos aritméticos em blocos lógicos programáveis apresentam grande redução em área e consumo de potência na implementação quaternária quando comparado aos equivalentes binários. Em alguns circuitos quaternários, o consumo de potência e o número de transistores usados são reduzidos a 3% do consumo e do número de transistores usados nos circuitos equivalentes binários, enquanto o atraso crítico é duas vezes maior do que o atraso crítico binário. / Since the decade of 60, the improvement of techniques for manufacturing integrated circuits that use binary logic has led to the exponential increase in the density of devices, improving performance, reducing energy consumption and reducing costs of manufacture of integrated circuits in the state of the art. This breakthrough has been achieved historically by the miniaturization of devices, already in nano, starting to reach physical limits to their reduction. In order to give continuity to technological advancement, many studies have proposed the compaction of information through the use of non-binary logic as an alternative for the performance improvement of the state of the art circuits. Accordingly, several studies have been developed in different technologies ranging from bipolar circuits to quantum devices, however, at the moment, no technology demonstrated at the same time the performance requirements, consumption, area and reliability necessary for the application in very large scale of integration. This paper presents a new family of quaternary logic circuits with high performance, low consumption and area, which uses CMOS technology. The circuits developed in this work make use of three power supplies and up to eight different transistors with different threshold voltages, to perform the quaternary logic. Elementary circuits such as inverters and literal circuits are presented and used to implement multiplexers and arithmetic circuits. The circuits are simulated with the SPICE tool using TSMC 0.18 μm technology and the results are compared with equivalent circuits in binary logic. Comparison of a quaternary full adder of four bits, for example, with the equivalent circuit in binary logic shows 55% improvement in speed and 63% in the power consumption for the quaternary implementation and it uses little more than twice the number of transistors. This paper also proposes the use of quaternary logic in FPGA and quaternary configurable logic blocks are developed. Logical mapping results of arithmetic circuits in configurable logic blocks show great reduction in area and power consumption of the quaternary implementation compared to the equivalent binary. In some quaternary circuits, the consumption of power and the number of transistors used are reduced to 3% of consumption and the number of transistors used in the binary equivalent circuits, while the critical delay is two times higher than the binary critical delay.

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.

Novas arquiteturas de hardware desenvolvidas para blocos chave do padrão de codificação de vídeo ISO/IEC 14496-10 são discutidas, propostas, implementadas e validades nesta tese. Também chamado de H.264, AVC (Advanced Video Coder) ou MPEG-4 parte 10, o padrão é o estado da arte em codificação de vídeo, apresentando as mais altas taxas de compressão possíveis por um compressor de vídeo padronizado por organismos internacionais (ISO/IEC e ITU-T). O H.264 já passou por três revisões importantes: na primeira foram incluídos novos perfis, voltados para a extensão da fidelidade e aplicações profissionais, na segunda veio o suporte a escalabilidade (SVC – Scalable Video Coder). Uma terceira revisão suporta fontes de vídeo com múltiplas vistas (MVC – Multi-view Video Coder). Nesta tese são apresentadas arquiteturas para dois módulos do codificador H.264: o CABAC e o Filtro de Deblocagem (Deblocking Filter). O CABAC (Context-Adaptive Binary Arithmetic Coder) possui desafios importantes devido às dependências de dados de natureza bit-a-bit. Uma revisão das alternativas arquiteturais e uma solução específica para a codificação CABAC é apresentada nesta tese. O filtro de deblocagem também apresenta diversos desafios importantes para seu desenvolvimento e foi alvo de uma proposta arquitetural apresentada neste trabalho. Finalmente a arquitetura de uma plataforma de validação genérica para validar módulos desenvolvidos para o codificador e decodificador H.264 também é apresentada. Os módulos escolhidos estão de acordo com os demais trabalhos realizados pelo grupo de pesquisa da UFRGS, que têm por objetivo desenvolver um decodificador e um codificador completos capazes de processar vídeo digital de alta definição no formato 1080p em tempo real. / New hardware architectures developed for key blocks of the ISO/IEC 14496-10 video coding standard are discussed, proposed, implemented, and validated in this thesis. The standard is also called H.264, AVC (Advanced Video Coder) or MPEG-4 part 10, and is the state-of-the-art in video coding, presenting the highest compression ratios achievable by an internationally standardized video coder (ISO/IEC and ITU-T). The H.264 has already been revised three times: the first included new profiles for fidelity extension and professional applications. The second brought the scalability support (SVC – Scalable Video Coder). The third revision supports video sources with multiple views (MVC – Multi-view Video Coder). The present work developed high performance architectures for CABAC (Context-Adaptive Binary Arithmetic Coder), which were challenging because of the bitwise data dependencies. A through revision of the alternative architectures and a specific architectural solution for CABAC encoding are presented in this thesis. A dedicated hardware architecture for a HIGH profile Deblocking Filter is also presented, developed, validated and synthesized for two different targets: FPGA and ASIC. The validation methodology is presented and applied to three different modules of the H.264 encoder. The H.264 blocks dealt with in this thesis work complement those developed by other works in the UFRGS research group and contribute to the development of complete encoders for real-time processing of high definition digital video at 1080p.

Esse trabalho consiste no estudo e desenvolvimento de técnicas de proteção a falhas transientes, também chamadas single event upset (SEU), em circuitos programáveis customizáveis por células SRAM. Os projetistas de circuitos eletrônicos estão cada vez mais predispostos a utilizar circuitos programáveis, conhecidos como Field Programmable Gate Array (FPGA), para aplicações espaciais devido a sua alta flexibilidade lógica, alto desempenho, baixo custo no desenvolvimento, rapidez na prototipação e principalmente pela reconfigurabilidade. Em particular, FPGAs customizados por SRAM são muito importantes para missões espaciais pois podem ser rapidamente reprogramados à distância quantas vezes for necessário. A técnica de proteção baseada em redundância tripla, conhecida como TMR, é comumente utilizada em circuitos integrados de aplicações específicas e pode também ser aplicada em circuitos programáveis como FPGAs. A técnica TMR foi testada no FPGA Virtex® da Xilinx em aplicações como contadores e micro-controladores. Falhas foram injetadas em todos as partes sensíveis da arquitetura e seus efeitos foram detalhadamente analisados. Os resultados de injeção de falhas e dos experimentos sob radiação em laboratório comprovaram a eficácia do TMR em proteger circuitos sintetizados em FPGAs customizados por SRAM. Todavia, essa técnica possui algumas limitações como aumento em área, uso de três vezes mais pinos de entrada e saída (E/S) e conseqüentemente, aumento na dissipação de potência. Com o objetivo de reduzir custos no TMR e melhorar a confiabilidade, uma técnica inovadora de tolerância a falhas para FPGAs customizados por SRAM foi desenvolvida para ser implementada em alto nível, sem modificações na arquitetura do componente. Essa técnica combina redundância espacial e temporal para reduzir custos e assegurar confiabilidade. Ela é baseada em duplicação com um circuito comparador e um bloco de detecção concorrente de falhas. Esta nova técnica proposta neste trabalho foi especificamente projetada para tratar o efeito de falhas transientes em blocos combinacionais e seqüenciais na arquitetura reconfigurável, reduzir o uso de pinos de E/S, área e dissipação de potência. A metodologia foi validada por injeção de falhas emuladas em uma placa de prototipação. O trabalho mostra uma comparação nos resultados de cobertura de falhas, área e desempenho entre as técnicas apresentadas. / This thesis presents the study and development of fault-tolerant techniques for programmable architectures, the well-known Field Programmable Gate Arrays (FPGAs), customizable by SRAM. FPGAs are becoming more valuable for space applications because of the high density, high performance, reduced development cost and re-programmability. In particular, SRAM-based FPGAs are very valuable for remote missions because of the possibility of being reprogrammed by the user as many times as necessary in a very short period. SRAM-based FPGA and micro-controllers represent a wide range of components in space applications, and as a result will be the focus of this work, more specifically the Virtex® family from Xilinx and the architecture of the 8051 micro-controller from Intel. The Triple Modular Redundancy (TMR) with voters is a common high-level technique to protect ASICs against single event upset (SEU) and it can also be applied to FPGAs. The TMR technique was first tested in the Virtex® FPGA architecture by using a small design based on counters. Faults were injected in all sensitive parts of the FPGA and a detailed analysis of the effect of a fault in a TMR design synthesized in the Virtex® platform was performed. Results from fault injection and from a radiation ground test facility showed the efficiency of the TMR for the related case study circuit. Although TMR has showed a high reliability, this technique presents some limitations, such as area overhead, three times more input and output pins and, consequently, a significant increase in power dissipation. Aiming to reduce TMR costs and improve reliability, an innovative high-level technique for designing fault-tolerant systems in SRAM-based FPGAs was developed, without modification in the FPGA architecture. This technique combines time and hardware redundancy to reduce overhead and to ensure reliability. It is based on duplication with comparison and concurrent error detection. The new technique proposed in this work was specifically developed for FPGAs to cope with transient faults in the user combinational and sequential logic, while also reducing pin count, area and power dissipation. The methodology was validated by fault injection experiments in an emulation board. The thesis presents comparison results in fault coverage, area and performance between the discussed techniques.

O crescente avanço nas mais diversas áreas da eletrônica, desde instrumentação em baixa freqüência até telecomunicações operando em freqüências muito elevadas, e a necessidade de soluções baratas em curto espaço de tempo que acompanhem a demanda de mercado, torna a procura por circuitos programáveis, tanto digitais como analógicos, um ponto comum em diversas pesquisas. Os dispositivos digitais programáveis, que têm como grande representante os Field Programmable Gate Arrays (FPGAs), vêm apresentando um elevado e contínuo crescimento em termos de complexidade, desempenho e número de transistores integrados, já há várias décadas. O desenvolvimento de dispositivos analógicos programáveis (Field Programmable Analog Arrays – FPAAs), entretanto, esbarra em dois pontos fundamentais que tornam sua evolução um tanto latente: a estreita largura de banda alcançada, conseqüência da necessidade de um grande número de chaves de programação e reconfiguração, e a elevada área consumida por componentes analógicos como resistores e capacitores, quando integrados em processos VLSI Este trabalho apresenta uma proposta para aumentar a faixa de freqüências das aplicações passíveis de serem utilizadas tanto em FPAAs comerciais quanto em outros FPAAs, através da utilização de uma interface de translação e seleção de sinais, mantendo características de programabilidade do FPAA em questão, sem aumentar em muito sua potência consumida. A proposta, a simulação e a implementação da interface são apresentadas ao longo desta dissertação. Resultados de simulação e resultados práticos obtidos comprovam a eficácia da proposta. / The increasing advance in several areas of electronics, from low frequency instrumentation to telecommunications operating in very high frequencies, and the necessity of low cost solutions in a short space of time, following the demand of the market, makes the search for digital and analog programmable circuits a common point in many researches. Digital programmable devices, which have as a great representant Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) devices, have shown a high and continuous increase in terms of complexity, performance and number of integrated transistors for many decades. The development of analog programmable devices (Field Programmable Analog Arrays – FPAAs), however, stops in two fundamental points that make their evolution slow: the narrow bandwidth reached, consequence of the necessity of a great number of programming and configuration switches, and the huge area occupied for analog components as resistors and capacitors, when integrated in a VLSI process. This work presents a proposal to increase the frequency range of the applications that can be used also with commercials FPAAs and others FPAAs, through the use of an interface to translate and select signals, keeping the programmability characteristics of the FPAA, without increasing so much the dissipated power. The proposal, simulation and implementation of the interface are presented in this dissertation. The simulations and practical results obtained show the proposal efficiency.