O avanço da microeletrônica nas últimas décadas trouxe maior densidade aos circuitos integrados, possibilitando a implementação de funções de alta complexidade em uma menor área de silício. Como efeito desta integração em larga escala, as latências dos fios passaram a representar uma maior fração do atraso de propagação de dados em um design, tornando a tarefa de “timing closure” mais desafiadora e demandando mais iterações entre etapas do design. Por meio de uma revisão na teoria dos circuitos insensíveis a latência (Latency-Insensitive theory), este trabalho explora a metodologia de designs elásticos (Elastic Design methodology) em circuitos síncronos, com o objetivo de solucionar o impacto que a latência adicional dos fios insere no fluxo de design de circuitos integrados, sem demandar uma grande mudança de paradigma por parte dos designers. A fim de exemplificar o processo de “elasticização”, foi implementada uma versão síncrona da arquitetura do microprocessador Neander que posteriormente foi convertida a um Circuito Elástico utilizando um protocolo insensível a latência nas transferências de dados entre os processos computacionais do design. Ambas as versões do Neander foram validadas em uma plataforma FPGA utilizando ferramentas e fluxo de design síncrono bem estabelecidos. A comparação das características de timing e área entre os designs demonstra que a versão Elástica pode apresentar ganhos de performance para sistemas complexos ao custo de um aumento da área necessária. Estes resultados mostram que a metodologia de designs elásticos é uma boa candidata para projetar circuitos integrados complexos sem demandar custosas iterações entre fases de design e reutilizando as já estabelecidas ferramentas de design síncrono, resultando em uma alternativa economicamente vantajosa para os designers. / The advance of microelectronics brought increased density to integrated circuits, allowing high complexity functions to be implemented in smaller silicon areas. As a side effect of this large-scale integration, the wire latencies became a higher fraction of a design’s data propagation latency, turning timing closure into a challenging task that often demand several iterations among design phases. By reviewing the Latency-Insensitive theory, this work presents the exploration of the Elastic Design methodology in synchronous circuits, with the objective of solving the increased wire latency impact on integrated circuits design flow without requiring a big paradigm change for designers. To exemplify the elasticization process, the educational Neander microprocessor architecture is synchronously implemented and turned into an Elastic Circuit by using a latency-insensitive protocol in the design’s computational processes data transfers. Both designs are validated in an FPGA platform, using well known synchronous design tools and flow. The timing and area comparison between the designs demonstrates that the Elastic version can present performance advantages for more complex systems at the price of increased area. These results show that the Elastic Design methodology is a good candidate for designing complex integrated circuits without costly iterations between design phases. This methodology also leverages the reuse of the mostly adopted synchronous design tools, resulting in a cost-effective alternative for designers.

Os efeitos de radiação têm sido um dos problemas mais sérios em aplicações militares e espaciais. Mas eles também são uma preocupação crescente em tecnologias modernas, mesmo para aplicações comerciais no nível do solo. A proteção dos circuitos integrados contra os efeitos da radiação podem ser obtidos através do uso de processos de fabricação aprimorados e de estratégias em diferentes estágios do projeto do circuito. A técnica de TMR é bem conhecida e amplamente empregada para mascarar falhas únicas sem detectálas. No entanto, o projeto de circuitos TMR não é automatizado por ferramentas EDA comerciais e até mesmo eles podem remover parcial ou totalmente a lógica redundante. Por outro lado, existem várias ferramentas que podem ser usadas para implementar a técnica de TMR em circuitos integrados, embora a maioria delas sejam ferramentas comerciais licenciadas, convenientes apenas para dispositivos específicos, ou com uso restrito por causa do regime ITAR. O presente trabalho pretende superar esses incovenientes, para isso uma metodologia é proposta para automatizar o projeto de circuitos TMR utilizando um fluxo de projeto comercial. A abordagem proposta utiliza um netlist estruturado para implementar automaticamente os circuitos TMR em diferentes níveis de granularidade de redundância para projetos baseados em células e FPGA. A otimização do circuito TMR resultante também é aplicada com base na abordagem do dimensionamento de portas lógicas. Além disso, a verificação do circuito TMR implementado é baseada na verificação de equivalência e garante sua funcionalidade correta e sua capacidade de tolerancia a falhas simples. Experimentos com um circuito derivado de HLS e uma descrição ofuscada do soft-core ARM Cortex-M0 foram realizados para mostrar o uso e as vantagens do fluxo de projeto proposto. Diversas questões relacionadas à remoção da lógica redundante implementada foram encontradas, bem como o impacto no incremento de área causado pelos votadores de maioria. Além disso, a confiabilidade de diferentes implementações de TMR do soft core ARM sintetizado em FPGA foi avaliada usando campanhas de injeção de falhas emuladas. Como resultado, foi reforçado o nível de alta confiabilidade da implemntação com mais fina granularidade, mesmo na presença de até 10 falhas acumuladas, e a menor capacidade de mitigação correspondente à replicação de flip-flops apenas. / Radiation effects have been one of the most serious issues in military and space applications. But they are also an increasing concern in modern technologies, even for commercial applications at the ground level. Protection or hardening of integrated circuits against radiation effects can be obtained through the use of enhanced fabrication processes and strategies at different stages of the circuit design. The triple modular redundancy (TMR) technique is a widely and well-known technique employed to mask single faults without detecting them. However, the design of TMR circuits is not automated by commercial electronic design automation (EDA) tools and even they can remove partially or totally the redundant logic. On the other hand, there are several tools that can be used to implement the TMR technique in integrated circuits, although most of them are licensed commercial tools, convenient only for specific devices, or with restricted use because of the International Traffic in Arms Regulations (ITAR) regimen. The present work intends to overcome these issues so a methodology is proposed to automate the design of TMR circuits using a commercial design flow. The proposed approach uses a structured netlist to implement automatically TMR circuits at different granularity levels of redundancy for cell-based and field-programmable gate array (FPGA) designs. Optimization of the resulting TMR circuit is also applied based on the gate sizing approach. Moreover, verification of the implemented TMR circuit is based on equivalence checking, and guarantee its correct functionality and its fault-tolerant capability against soft errors. Experiments with an high-level synthesis (HLS)-derived circuit and an obfuscated description of the ARM Cortex-M0 soft-core are performed to show the use and the advantages of the proposed design flow. Several issues related to the removal of the implemented redundant logic were found as well as the impact in the increment of area caused by the majority voters. Furthermore, the reliability of different TMR implementations of the ARM soft-core synthesized in FPGA was evaluated using emulated-simulation fault injection campaigns. As a result, it was reinforced the high-reliability level of the finest granularity implementation even in the presence of up to 10 accumulated faults and the poorest mitigation capacity corresponding to the replication of flip-flops solely.

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.

Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs) são largamente utilizadas em sistemas digitais por características como flexibilidade, baixo custo e alta densidade. Estas características advém do uso de células de SRAM na memória de configuração, o que torna estes dispositivos suscetíveis a erros induzidos por radiação, tais como SEUs. TMR é o método de mitigação mais utilizado, no entanto, possui um elevado custo tanto em área como em energia, restringindo seu uso em aplicações de baixo custo e/ou baixo consumo. Como alternativa a TMR, propõe-se utilizar DMR associado a um mecanismo de reparo da memória de configuração da FPGA chamado scrubbing. O reparo de FPGAs em sistemas em tempo real apresenta desafios específicos. Além da garantia da computação correta dos dados, esta computação deve se dar completamente dentro do tempo disponível (time-slot), devendo ser finalizada antes do tempo limite (deadline). A diferença entre o tempo de computação dos dados e a deadline é chamado de slack e é o tempo disponível para reparo do sistema. Este trabalho faz uso de scrubbing deslocado dinâmico, que busca maximizar a probabilidade de reparo da memória de configuração de FPGAs dentro do slack disponível, baseado em um diagnóstico do erro. O scrubbing deslocado já foi utilizado com técnicas de diagnóstico de grão fino (NAZAR, 2015). Este trabalho propõe o uso de técnicas de diagnóstico de grão grosso para o scrubbing deslocado, evitando as penalidades de desempenho e custos em área associados a técnicas de grão fino. Circuitos do conjunto MCNC foram protegidos com as técnicas propostas e submetidos a seções de injeção de erros (NAZAR; CARRO, 2012a). Os dados obtidos foram analisados e foram calculadas as melhores posição iniciais do scrubbing para cada um dos circuitos. Calculou-se a taxa de Failure-in-Time (FIT) para comparação entre as diferentes técnicas de diagnóstico propostas. Os resultados obtidos confirmaram a hipótese inicial deste trabalho que a redução do número de bits sensíveis e uma baixa degradação do período do ciclo de relógio permitiram reduzir a taxa de FIT quando comparadas com técnicas de grão fino. Por fim, uma comparação entre as três técnicas propostas é feita, analisando o desempenho e custos em área associados a cada uma. / Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs) are widely used in digital systems due to characteristics such as flexibility, low cost and high density. These characteristics are due to the use of SRAM memory cells in the configuration memory, which make these devices susceptible to radiation-induced errors, such as SEUs. TMR is the most used mitigation technique, but it has an elevated cost both in area as well as in energy, restricting its use in low cost/low energy applications. As an alternative to TMR, we propose the use of DMR associated with a repair mechanism of the FPGA configuration memory called scrubbing. The repair of FPGA in real-time systems present a specific set of challenges. Besides guaranteeing the correct computation of data, this computation must be completely carried out within the available time (time-slot), being finalized before a time limit (deadline). The difference between the computation time and the deadline is called the slack and is the time available to repair the system. This work uses a dynamic shifted scrubbing that aims to maximize the repair probability of the configuration memory of the FPGA within the available slack based on error diagnostic. The shifted scrubbing was already proposed with fine-grained diagnostic techniques (NAZAR, 2015). This work proposes the use of coarse-grained diagnostic technique as a way to avoid the performance penalties and area costs associated to fine-grained techniques. Circuits of the MCNC suite were protected by the proposed techniques and subject to error-injection campaigns (NAZAR; CARRO, 2012a). The obtained data was analyzed and the best scrubbing starting positions for each circuit were calculated. The Failure-in-Time (FIT) rates were calculated to compare the different proposed diagnostic techniques. The obtained results validated the initial hypothesis of this work that the reduction of the number of sensitive bits and a low degradation of the clock cycle allowed a reduced FIT rate when compared with fine-grained diagnostic techniques. Finally, a comparison is made between the proposed techniques, considering performance and area costs associated to each one.

A crescente demanda por alto desempenho computacional e massivo processamento de dados tem impulsionado o desenvolvimento de sistemas-on-chip. Um dos alvos de implementação para sistemas digitais complexos são os dispositivos FPGA (Field-programmable Gate Array), muito utilizados para prototipação de sistemas e rápido desenvolvimento de produtos eletrônicos complexos. Certos aspectos ineficientes relacionados aos dispositivos FPGA estão relacionadas com degradação no desempenho e na potência consumida em relação ao projeto de hardware customizado. Neste contexto, esta dissertação de mestrado propõe um estudo sobre técnicas de otimização em FPGAs. Este trabalho apresenta uma revisão da literatura sobre os métodos de redução de potência e área aplicados ao projeto de FPGA. Técnicas para aumento de desempenho e aceleração do tempo de desenvolvimento de projetos são apresentadas com base em referencias clássicas e do estado-da-arte. O principal foco deste trabalho é discutir sobre as técnicas de alto nível e apresentar os resultados obtidos nesta área, comparando com os projetos HDL (Hardware Description Language) codificados a mão. Neste trabalho, é apresentado uma metodologia para o desenvolvimento rápido projetos digitais utilizando ambientes HLS (High-Level Synthesis. Estes métodos incluem eficiente particionamento de código de alto nível, para a correta exploração de diretivas de síntese em ferramentas HLS. Porém, o fluxo HLS não guiado apresentou pobres resultados de síntese quando comparado com modelos HDL codificado a mão. Para preencher essa lacuna, foi desenvolvido um método iterativo para exploração de espaço de projeto com o objetivo de melhorar os resultados de área. Nosso método é descrito em uma linguagem de script de alto nível e é compatível com o VivadoTM HLS Compiler. O método proposto é capaz de detectar pontos chave para otimização, inserção automatica de diretivas síntese e verificação dos resultados com objetivo de reduzir o consumo de área. Os resultados experimentais utlizando o método de DSE (Design Space Exploration) provaram ser mais eficazes que o fluxo HLS não guiado, em ao menos 50% para um processador VLIW e em 43% para um filtro FIR (Finite Impulse Response de 12a ordem. Os resultados em área, em termos de flip-flops, foram até 4X menores em comparação com o fluxo HLS não guiado, enquanto redução no desempenho ficou em cerca de 38%, no caso do processador VLIW. No exemplo do filtro FIR, a redução no número flip-flops chegou a 3X, sem relevante aumento no número de LUTs e redução no desempenho. / The increasing demand for high computational performance and massive data processing has driven the development of systems-on-chip. One implementation target for complex digital systems are FPGA (Field-programmable Gate Array) devices, heavily used for prototyping systems or complex and fast time-to-market electronic products development. Certain inefficient aspects of FPGA devices relate to performance and power degradation with respect to custom hardware design. In this context, this master thesis proposes a survey on FPGA optimization techniques. This work presents a literature review on methods of power and area reduction applied to FPGA designs. Techniques for performance increasing and design speedup enhancing will be presented based on classic and state-of-the-art academic works. The main focus of this work is to discuss high-level design techniques and to present the results obtained in synthesis examples we developed, comparing with hand-coded HDL (Hardware Description Language) designs. In this work we present our methodology for fast digital design development using High-Level Synthesis (HLS) environments. Our methods include efficient high-level code partitioning for proper synthesis directives exploration in HLS tools. However, a non-guided HLS flow showed poor synthesis results when compared to hand-coded HDL designs. To fill this gap, we developed an iterative design space exploration method aiming at improving the area results. Our method is described in a high-level script language and it is compatible with the Xilinx VivadoTM HLS compiler. Our method is capable of detecting optimization checkpoints, automatic synthesis directives insertion, and check the results aiming at reducing area consumption. Our Design Space Exploration (DSE) experimental results proved to be more efficient than non-guided HLS design flow by at least 50% for a VLIW (Very Long Instruction Word) processor and 62% for a 12th-order FIR (Finite Impulse Response) filter implementation. Our area results in terms of flip-flops were up to 4X lower compared to a non-guided HLS flow, while the performance overhead was around 38%, for the VLIW processor compilation. In the FIR filter example, the flip-flops reduction were up to 3X, with no relevant LUTs and performance overhead.

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Instituto de Ciências Exatas, Departamento de Ciência da Computação, 2007. / Submitted by Rosane Cossich Furtado (rosanecossich@gmail.com) on 2010-01-04T21:40:52Z No. of bitstreams: 1 2007_FabioViniciusPintoSilva.pdf: 1375531 bytes, checksum: 2272e318dce7e1284d2d2eb04367db52 (MD5) / Approved for entry into archive by Carolina Campos(carolinacamposmaia@gmail.com) on 2010-01-05T17:08:01Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2007_FabioViniciusPintoSilva.pdf: 1375531 bytes, checksum: 2272e318dce7e1284d2d2eb04367db52 (MD5) / Made available in DSpace on 2010-01-05T17:08:01Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2007_FabioViniciusPintoSilva.pdf: 1375531 bytes, checksum: 2272e318dce7e1284d2d2eb04367db52 (MD5) Previous issue date: 2007-09-17 / Encontrar e visualizar semelhanças entre seqüências de DNA permite aprofundar o conhecimento sobre genomas de organismos em Biologia Molecular. Com o número de seqüências disponíveis para consulta em alguns bancos de dados crescendo exponencialmente, surge um desafio para a ciência da computação. É o de construir sistemas de informática com desempenho suficiente para permitir comparar seqüências genômicas em tempo hábil para a pesquisa e com um custo viável. Freqüentemente são usadas soluções heurísticas, devido ao grande tempo computacional necessário para o uso de soluções exatas. Soluções exatas atualmente apresentam complexidade de tempo quadrática em computadores convencionais, dificultando seu uso prático para seqüências de comprimento como as de aplicações reais. O principal objetivo deste trabalho é viabilizar o uso de algoritmos exatos para comparação de seqüências genômicas, acelerando a obtenção de seus resultados. É proposto um arranjo sistólico de elementos de processamento em hardware reconfigurável. Assim, é explorado o paralelismo potencial do algoritmo de programação dinâmica de Smith-Waterman, reduzindo sua complexidade de tempo de quadrática para linear. É proposta uma solução para minimizar o problema de gargalo de comunicação, esperado por uma implementação "ingênua" da solução. Além do sistema proposto, a prototipação realizada em FPGA é descrita, incluindo uma análise do desempenho obtido. _______________________________________________________________________________ ABSTRACT / To find and to visualize similarities between DNA sequences allow to deepen the knowledgement on genomas of organisms in Molecular Biology. With the number of available sequences for consultation in some data bases growing exponentially , a challenge for the computer science appears. It is to construct computing systems with enough performance to allow to compare genomics sequences in skillful time for the research and at a viable cost. Frequently heuristical solutions are used, due to the great computational time necessary to the use of exact solutions. Exact solutions currently presents quadratic time complexity in conventionals computers, making difficult its practical use for sequences of length as of real applications. The main objective of this work is to make possible the use of exact algorithms for comparison of genomics sequences, by speeding up the attainment of its results. A systolic arrangement of elements of processing in reconfigurable hardware is proposed. This way, the potential parallelism of the algorithm of dynamic programming of Smith-Waterman is explored, reducing its time complexity from quadratic to linear. Is also proposed a solution to minimize the problem of communication bottleneck, waited in a “naive” implementation. Besides the proposed system, the prototipation made in FPGA is described, including an analysis of the performance gotten.

abstract: This thesis report aims at introducing the background of QR decomposition and its application. QR decomposition using Givens rotations is a efficient method to prevent directly matrix inverse in solving least square minimization problem, which is a typical approach for weight calculation in adaptive beamforming. Furthermore, this thesis introduces Givens rotations algorithm and two general VLSI (very large scale integrated circuit) architectures namely triangular systolic array and linear systolic array for numerically QR decomposition. To fulfill the goal, a 4 input channels triangular systolic array with 16 bits fixed-point format and a 5 input channels linear systolic array are implemented on FPGA (Field programmable gate array). The final result shows that the estimated clock frequencies of 65 MHz and 135 MHz on post-place and route static timing report could be achieved using Xilinx Virtex 6 xc6vlx240t chip. Meanwhile, this report proposes a new method to test the dynamic range of QR-D. The dynamic range of the both architectures can be achieved around 110dB. / Dissertation/Thesis / M.S. Electrical Engineering 2014

This thesis presents Monza, a system for accelerating the simulation of modelsof physical systems described by ordinary differential equations, using a generalpurpose computer with a PCIe FPGA expansion card. The system allows bothautomatic generation of an FPGA implementation from a model described in theModelica programming language, and simulation of said system.Monza accomplishes this by using a customizable hardware architecture forthe FPGA, consisting of a variable number of simple processing elements. A cus-tom compiler, also developed in this thesis, tailors and programs the architectureto run a specific model of a physical system.Testing was done on two test models, a water tank system and a Weibel-lung,with up to several thousand state variables. The resulting system is several timesfaster for smaller models and somewhat slower for larger models compared to aCPU. The conclusion is that the developed hardware architecture and softwaretoolchain is a feasible way of accelerating model execution, but more work isneeded to ensure faster execution at all times.

In order to keep up with the increasing demand on speed and reliability in modern wireless systems, new standards have to be introduced. By using Multiple Input Multiple Output technology (MIMO) and Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) technologies the performance can be increased dramatically. Forthcoming standards such as WLAN 802.11n, WiMax and 3GPP LTE are all taking advantage of MIMO technology. To perform realistic tests with these standards it is often not enough to run software simulations in for example Matlab. Instead, as many real world parameters as possible need to be included. This can be done using a testbed, like the LiUMIMO, that actually transmits and receives data through the air. The LiUMIMO is designed as a Software Defined Radio (SDR), only the RF front end and the data log are implemented in hardware, while all signal processing will be performed in Matlab.

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.