O Sistema Brasileiro de Televisão Digital estabeleceu como padrão de codificação de áudio o algoritmo MPEG-4 Advanced Audio Coding, mais precisamente nos perfis Low Complexity, High Efficiency versão 1 e High Efficiency versão 2. O trabalho apresenta um estudo detalhado sobre o padrão, contendo desde alguns conceitos da psicoacústica como o mascaramento até a metodologia de decodificação do stream codificado, sempre voltado para o mercado do SBTVD. É proposta uma arquitetura em hardware para um decodificador compatível com o padrão MPEG-4 AAC LC. O decodificador é separado em dois grandes blocos mantendo em um deles o banco de filtros, considerado a parte mais custosa em termos de processamento. No bloco restante é realizada a decodificação do espectro, onde ocorre a decodificação dos códigos de Huffman, o segundo ponto crítico do algoritmo em termos de demandas computacionais. Por fim é descrita a implementação da arquitetura proposta em VHDL para prototipação em um FPGA da família Cyclone II da Altera. / MPEG-4 Advanced Audio Coding is the chosen algorithm for the Brazilian Digital Television System (SBTVD), supporting the Low Complexity, High Efficiency version 1 and High Efficiency version 2 profiles. A detailed study of the algorithm is presented, ranging from psychoacoustics concepts like masking to a review of the AAC bitstream decoding process, always keeping in mind the SBTVD. A digital hardware architecture is proposed, in which the algorithm is split in two separate blocks, one of them containing the Filter Bank, considered the most demanding task. The other block is responsible for decoding the coded spectrum, which contains the second most demanding task of the system: the Huffman decoding. In the final part of this work the conversion of the proposed architecture into VHDL modules meant to be prototyped with an Altera Cyclone II FPGA is described.

As b-splines são utilizadas em sistemas CAD/CAM/CAE para representar e definir curvas e superfícies complexas, sendo adotada pelos principais padrões da computação gráfica devido a características como representação matemática de forma compacta, flexibilidade e transformações afins. Em sistemas de aquisição de dados 3D e sistemas CAM-CNC integrados, a utilização da b-spline na transferência de informações geométricas e na reconstrução da superfície de objetos resulta em um significativo incremento na eficiência do processo, geralmente implementado em sistemas embarcados. Nestes sistemas embarcados, integrados no auxílio a máquinas de manufatura, a utilização de FPGAs é incipiente, sem circuitos para b-splines disponibilizados em lógica reconfigurável de circuito aberto (open core), razão pela qual este projeto propõe o desenvolvimento de um circuito de geração b-spline aberto, em um sistema embarcado FPGA, utilizando algoritmos adaptados para os circuitos, elaborados em linguagem Verilog HDL, padronizada para a síntese de circuitos em lógica reconfigurável. Os circuitos foram desenvolvidos, utilizando-se um barramento de dados padronizado em circuito aberto, nas seguintes implementações para processamento paralelo das b-splines: o BFEA, o método baseado em funções base fixas, ambos projetados para circuitos integrados, e o fast Cox-de Boor, desenvolvido para FPGAs. Foram comparados o tempo de execução e o consumo de recursos disponíveis no FPGA utilizado, entre cada implementação. Os resultados evidenciaram que os circuitos de funções base fixas apresentaram o processamento mais rápido para a geração de b-splines em um FPGA, com um tempo de execução em média 20% menor em relação às outras implementações. Os circuitos BFEA apresentaram a menor utilização de elementos lógicos, em média 50% menor em relação aos outros circuitos implementados. O circuito fast Cox-de Boor apresentou a melhor escalabilidade, devido à modularidade da implementação, com tempos de execução similares aos circuitos de funções base fixas. / The b-splines are used in CAD/CAM/CAE systems to represent and define complex curves and surfaces, being adopted by the main computer graphics standards due to features like compact mathematic representation, flexibility and affine transformations. In 3D acquisition systems and integrated CAM-CNC systems, the use of the b-spline in the geometric information data transfer and in the object surface reconstruction results in a increase in the process efficiency, generally implemented in embedded systems. In these embedded systems, integrated in the aid to manufacturing machines, the use of FPGAs is incipient, without available b-splines open core circuits in reconfigurable logic, the reason why this project propose the development of a b-spline generation open core circuit, in a FPGA embedded system, using adaptated algorithms for the circuits, made in Verilog HDL language, standardized for the circuit synthesis in reconfigurable logic. The circuits were developed, using an open core standardized data bus, in the following implementations of b-spline parallel processing: the BFEA, fixed basis functions based method, both designed for integrated circuits, and the fast Cox-de Boor, developed for FPGAs. The execution time and available resource consumption in the FPGA were compared, between each implementation. The results show that the fixed basis functions circuits presented the fastest processing for the b-splines generation in a FPGA, with a 20% mean execution time reduction in relation to the other implementations. The BFEA circuits presented the lowest logic elements use, in mean 50% fewer in relation to the other implemented circuits. The fast Cox-De Boor circuit presented the best scalability, due to the implementation modularity, with execution times similar to the fixed basis functions circuits.

Este trabalho desenvolve a simulação do controle de velocidade de motor de indução com a técnica de controle direto de torque (Direct Torque Control - DTC), sendo executada em um dispositivo lógico programável tipo FPGA (Field Programable Gate Array). A simulação é realizada usando-se dois programas: O MATLAB/Simulink e o ModelSim, sendo que estes dois programas trabalham em modo de co-simulação provida pelo toolbox Link-for-ModelSim do Simulink. Enquanto a dinâmica do motor e do inversor é executada no MATLAB, o algoritmo de controle da estratégia DTC é executada no ModelSim. O algoritmo de acionamento DTC é escrito em linguagem de descrição de hardware VHDL (Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language - VHSIC HDL) e utiliza a aritmética de ponto flutuante. Os resultados das simulações são apresentados e analisados no final deste trabalho. / This work presents a simulation of induction motor speed control using the technique of direct torque control (DTC), performed in a reprogrammable device type FPGA. The simulation is performed using two programs: MATLAB/Simulink and ModelSim, where these two programs work in a co-simulation mode, provide by Link for ModelSim toolbox from Simulink. While the motor and inverter dynamics is performed in MATLAB, the control algorithm of DTC technique runs in the ModelSim program. The algorithm of DTC drive is written in hardware description language (VHDL) and use the float point arithmetic. The simulation results are presented and analyzed in the end of this work.

Este trabalho propõe um controlador PID (Proporcional, Integrador, Derivativo), implementado em hardware reconfigurável, para controle de ganho de uma câmera com sensor CMOS. O conceito utilizado é o de sistemas SoC (System-on-a-Chip). As principais funções realizadas pelo sistema são: Aquisição da imagem, montagem do histograma, análise do histograma, controle de ganho baseado na análise do histograma. O sistema proposto tem como objetivo conter algumas funções básicas de controle de ganho que possam servir de base para construção de sistemas de visão computacional que possibilitem a otimização do tempo gasto na construção de novos sistemas, deixando o projetista concentrado na parte mais específica do sistema. O algoritmo de controle de ganho através da análise de histograma demonstrou ser além de funcional, altamente flexível, pois pode ser aplicado a qualquer câmera, independente do tipo do sensor. Este algoritmo pode ser aplicado a tipos diferentes de sensores, com diferentes taxas de aquisição e transmissão de imagens. Este ambiente baseado em computação reconfigurável proporciona alta performance e flexibilidade no modo de implementação, possibilitando que o hardware seja configurado para satisfazer situações que exigem alto desempenho, que pode ser obtido através do paralelismo de operações. Esta arquitetura ainda possibilita a configuração de processadores que executam operações em software em conjunto com operações executadas em hardware. O sistema final controla a câmera CMOS de maneira adequada às aplicações robóticas de tempo real / This paper proposes a PID controller (Proportional, Integrator, Derivative), implemented in reconfigurable hardware to control a CMOS sensor camera gain. The concept used is the system SoC (System-on-a-Chip). The main functions performed by the system are: image acquisition, assembly of the histogram, histogram analysis, gain control based analysis of the histogram. The proposed system aims to contain some basic gain control functions. These functions may serve as a basis for future construction of computer vision systems. This work will optimize the time spent in building new systems, leaving the designer free to concentrate on more specific development. The gain control algorithm through the analysis of histogram proved be functional, highly exible, and it can be applied to any camera, regardless of the type of sensor. This algorithm can be applied to different types of image sensors with different acquisition and transmission rates. This environment-based reconfigurable computing provides high performance and exibility in implementation, enabling the hardware to be confiogured to meet situations that require high performance, which can be obtained through parallelism of operations. This architecture also enables the configuration of processors that perform software operations in conjunction with hardware operations. The final system controls the CMOS camera accordingly to real-time robotic applications

O foco central desse trabalho é a utilização e aprimoramento de um framework Peripheral Component Interconnect Express (PCI Express®) para a comunicação de dados em um Espectrômetro Digital de Ressonância Magnética (Digital Magnetic Resonance Spectrometer – DMRS) utilizando o conceito de Field-Programmable Gate Array (FPGA). Esse trabalho foi desenvolvido para servir como base de comunicação para o Espectrômetro Digital de Ressonância Magnética do Centro de Imagens e Espectroscopia in vivo por Ressonância Magnética (CIERMag) devido ao requerimento de altas taxas de transferência dos dados adquiridos. A integração dessa nova comunicação, entre o software e o hardware do espectrômetro, mantém compatibilidade com as interfaces já existentes possibilitando a execução de todas as sequências desenvolvidas sem nenhuma alteração. A incorporação da comunicação PCI Express provê uma solução com um número menor de etapas por transferência em comparação com a comunicação Ethernet. Com isso é possível aumentar o desempenho do sistema e obter taxas de transferência mais elevadas. Para isso, foram feitas mudanças no hardware de forma a torná-lo mais eficiente, reduzindo o número de ciclos de clock por operação e também a quantidade de lógica sintetizada. Além disso, a latência do software durante as transferências também foi reduzida através da utilização de interrupções Message Signaled Interrupt (MSI) e do método Scatter and Gather usado para reduzir a quantidade de cópias de dados na memória principal do computador. Dessa forma, obteve-se, como resultados reais, uma taxa de transferência efetiva (throughput) de 97% do valor máximo da banda possível do barramento PCI Express. / The central focus of this work is the implementation and use of a Peripheral Component Interconnect Express (PCI Express®) framework for data communication on a Digital Magnetic Resonance Spectrometer (DMRS) using the concept of Field-Programmable Gate Array (FPGA). This work is being developed to serve as a communication basis for the magnetic resonance Digital Spectrometer of the Centro de Imagens e Espectroscopia in vivo por Ressonância Magnética (CIERMag) due to demand of high transfer rates of acquired data. The integration of this new communication, between spectrometer software and hardware, keeps compatibility with existing interfaces, making it possible to execute all developed magnetic resonance sequences without any change. The incorporation of PCI Express communication provides solution with a lower number of steps per transfer when compared to Ethernet communication. By this means it\'s possible to increase system performance and, as result, have higher transfer rates. To accomplish that, the number of clock cycles per operation was reduced, so was the synthesized logic. Furthermore, software latency for data transfer was also reduced consequence of MSI interruption implementation and the use of Scatter and Gather method to remove data movement across the computer main memory. Therefore, it was obtained, as measured real result, a throughput value of 97% the theoretical maximum value for the hardware.

Devido às tendências de crescimento da quantidade de dados processados e a crescente necessidade por computação de alto desempenho, mudanças significativas estão acontecendo no projeto de arquiteturas de computadores. Com isso, tem-se migrado do paradigma sequencial para o paralelo, com centenas ou milhares de núcleos de processamento em um mesmo chip. Dentro desse contexto, o gerenciamento de energia torna-se cada vez mais importante, principalmente em sistemas embarcados, que geralmente são alimentados por baterias. De acordo com a Lei de Moore, o desempenho de um processador dobra a cada 18 meses, porém a capacidade das baterias dobra somente a cada 10 anos. Esta situação provoca uma enorme lacuna, que pode ser amenizada com a utilização de arquiteturas multi-cores heterogêneas. Um desafio fundamental que permanece em aberto para estas arquiteturas é realizar a integração entre desenvolvimento de código embarcado, escalonamento e hardware para gerenciamento de energia. O objetivo geral deste trabalho de doutorado é investigar técnicas para otimização da relação desempenho/consumo de energia em arquiteturas multi-cores heterogêneas single-ISA implementadas em FPGA. Nesse sentido, buscou-se por soluções que obtivessem o melhor desempenho possível a um consumo de energia ótimo. Isto foi feito por meio da combinação de mineração de dados para a análise de softwares baseados em threads aliadas às técnicas tradicionais para gerenciamento de energia, como way-shutdown dinâmico, e uma nova política de escalonamento heterogeneity-aware. Como principais contribuições pode-se citar a combinação de técnicas de gerenciamento de energia em diversos níveis como o nível do hardware, do escalonamento e da compilação; e uma política de escalonamento integrada com uma arquitetura multi-core heterogênea em relação ao tamanho da memória cache L1. / Due to the growing need for high-performance computing along with higher volume of data to process, important changes are happening in computer architecture design. Parallel computing processors having hundreds or thousands of processing cores in a single chip are becoming a common solution, even for embedded systems. Power management becomes increasingly important, especially for mobile systems. A key challenge remaining open for these architectures is to perform the integration of application code, runtime scheduling and hardware control for power management. This thesis aims to present a method able to integrate these three aspects, by investigating techniques for optimizing performance versus power consumption in single-ISA heterogeneous multi-cores architectures implemented on FPGA. Our approach applies a data mining technique to analyze the application source-code, traditional techniques for power management, and an heterogeneity-aware scheduling policy. The main contributions are the combination of power management techniques at hardware, scheduling and compilation levels; a new scheduling policy along with a heterogeneous multi-core architecture relative to its L1 cache memory size determined offline and online.

Several critical human activities depend on the weather forecasting. Some of them are transportation, health, work, safety, and agriculture. Such activities require computational solutions for weather forecasting through numerical models. These numerical models must be accurate and allow the computers to process them quickly. In this project, we aim at migrating a small part of the software of the weather forecasting model of Brazil, BRAMS Brazilian developments on the Regional Atmospheric Modelling System to a heterogeneous system composed of Xeon (Intel) processors coupled to a reprogrammable circuit (FPGA) via PCIe bus. According to the studies in the literature, the chemical equation from the mass continuity equation is the most computationally demanding part. This term calculates several linear systems Ax = b. Thus, we implemented such equations in hardware and provided a portable and highly parallel design in OpenCL language. The OpenCL framework also allowed us to couple our circuit to BRAMS legacy code in Fortran90. Although the development tools present several problems, the designed solution has shown to be viable with the exploration of parallel techniques. However, the performance was below of what we expected. / Várias atividades humanas dependem da previsão do tempo. Algumas delas são transporte, saúde, trabalho, segurança e agricultura. Tais atividades exigem solucões computacionais para previsão do tempo através de modelos numéricos. Estes modelos numéricos devem ser precisos e ágeis para serem processados no computador.Este projeto visa portar uma pequena parte do software do modelo de previsão de tempo do Brasil, o BRAMSBrazilian developments on the Regional Atmospheric Modelling Systempara uma arquitetura heterogênea composta por processadores Xeon (Intel) acoplados a um circuito reprogramável em FPGA via barramento PCIe. De acordo com os estudos, o termo da química da equação de continuidade da massa é o termo mais caro computacionalmente. Este termo calcula várias equações lineares do tipo Ax = b. Deste modo, este trabalho implementou estas equações em hardware, provendo um ´codigo portável e paralelo na linguagem OpenCL. O framework OpenCL também nos permitiu acoplar o código legado do BRAMS em Fortran90 junto com o hardware desenvolvido. Embora as ferramentas de desenvolvimento tenham apresentado vários problemas, a solução implementada mostrou-se viável com a exploração de técnicas de paralelismo. Entretando sua perfomance ficou muito aquém do desejado.

A growing search for alternative architectures and softwares have been noted in the last years. This search happens due to the advance of hardware technology and such advances must be complemented by innovations on design methodologies, test and verification techniques in order to use technology effectively. Alternative architectures and softwares, in general, explores the parallelism of applications, differently to Von Neumann model. Among high performance alternative architectures, there is the Dataflow Architecture. In this kind of architecture, the process of program execution is determined by data availability, thus the parallelism is intrinsic in these systems. The dataflow architectures become again a highlighted search area due to hardware advances, in particular, the advances of Reconfigurable Computing and Field Programmable Gate Arrays (FPGAs). ChipCflow projet is a tool for execution of algorithms using dynamic dataflow graph in FPGA. In this thesis, the development of a code conversion tool to generate aplications in a static dataflow architecture, is described. Also the ChipCflow project where the code conversion tool is part, is presented. The specification of algorithm to be converted is made in C language and converted to a hadware description language, respecting the proposed by ChipCflow project. The results are the proof of concept of converting a high-level language code for dataflow architecture to be used into a FPGA. / Existe uma crescente busca por softwares e arquiteturas alternativas. Essa busca acontece pois houveram avanços na tecnologia do hardware, e estes avanços devem ser complementados por inovações nas metodologias de projetos, testes e verificação para que haja um uso eficaz da tecnologia. Os software e arquiteturas alternativas, geralmente são modelos que exploram o paralelismo das aplicações, ao contrário do modelo de Von Neumann. Dentre as arquiteturas alternativas de alto desempenho, tem-se a arquitetura a fluxo de dados. Nesse tipo de arquitetura, o processo de execução de programas é determinado pela disponibilidade dos dados, logo o paralelismo está embutido na própria natureza do sistema. O modelo a fluxo de dados possui a vantagem de expressar o paralelismo de maneira intrínseca, eliminando a necessidade do programador explicitar em seu código os trechos onde deve haver paralelismo. As arquiteturas a fluxo de dados voltaram a ser uma área de pesquisa devido aos avanços do hardware, em particular, os avanços da Computação Reconfigurável e dos Field Programmable Gate Arrays (FPGAs).Nesta tese é descrita uma ferramenta de conversão de código que visa a geração de aplicações utilizando uma arquitetura a fluxo de dados estática. Também é descrito o projeto ChipCflow, cuja ferramenta de conversão de código, descrita nesta tese, é parte integrante. A especificação do algoritmo a ser convertido é feita em linguagem C e convertida para uma linguagem de descrição de hardware, respeitando o modelo proposto pelo ChipCflow. Os resultados alcançados visam a prova de conceito da conversão de código de uma linguagem de alto nível para uma arquitetura a fluxo de dados a ser configurada em FPGA.

Considerando a crescente demanda por desempenho em sistemas computacionais, a implementação de algoritmos diretamente em hardware com o uso de FPGAs (Field-programmable Gate Arrays) é uma alternativa que tem apresentado bons resultados. Porém, os desafios de programação envolvidos no uso de FPGAs, de tal forma a explorar eficientemente seus recursos, limita o número de desenvolvedores em função da predominância do paradigma de programação tradicionalmente sequencial, imposto pelas linguagens imperativas. Assim, este trabalho busca desenvolver mecanismos que facilitem o desenvolvimento com FPGAs, otimizando o uso de memória e explorando o paralelismo das operações. Este documento apresenta a tese de doutorado de título LALP+ : um framework para o desenvolvimento de aceleradores de hardware em FPGAs. Dado que a latência para leitura e escrita de dados têm sido um gargalo para algumas aplicações de alto desempenho, este trabalho trata do desenvolvimento de técnicas para geração de arquiteturas de hardware, considerando aspectos relativos ao mapeamento, gerenciamento e acesso à memória em arquiteturas reconfiguráveis. Para isto, o projeto desenvolvido utiliza como base a linguagem LALP, cujo foco é o tratamento de loops com a técnica de loop pipelining. As técnicas descritas nesta tese são empregadas no desenvolvimento do framework LALP+, o qual estende LALP com a implementação de novas características e funcionalidades, de forma a contribuir para o aumento do seu nível de abstração. As arquiteturas criadas utilizando LALP+ foram comparadas às geradas por ferramentas comerciais e acadêmicas, tendo apresentado, em média, um melhor desempenho, com redução do tempo de execução de 10;01, no melhor caso. Espera-se, por meio das contribuições aqui apresentadas, facilitar a implementação de produtos e projetos relacionados a aplicações de computação de alto desempenho que envolvam o uso de arquiteturas reconfiguráveis, promovendo uma maior absorção desta tecnologia. / Considering the demand for high-performance in computer systems, the implementation of algorithms directly in hardware by using FPGAs (Field-programmable Gate Arrays) is an alternative that has shown good results. However, the number of developers is limited due to the challenges faced for efficiently programming FPGAs. In addition to that, developers are more used to the traditional sequential programming paradigm imposed by the imperative languages. This work seeks to develop mechanisms to facilitate the development with FPGAs, by optimizing memory usage and exploiting the parallelism of operations inside a loop. This document presents the doctoral thesis entitled LALP+ : a framework for developing FPGA-based hardware accelerators. Since the latency for reading and writing data have been a bottleneck for high performance applications, this work deals with the development of techniques for generation of hardware architectures, considering aspects related to mapping, management and memory access in reconfigurable architectures, using as basis the LALP language, which focuses on the treatment of loops with the technique of loop pipelining. The techniques described in this thesis are employed in the development of the LALP+ framework, which extends LALP by implementing new features and functionalities, in order to contribute to increase its abstraction level. LALP+ architectures were compared to ones generated by using academical and commercial tools, having presented, on average, better performance, with a execution time speedup of 10;01 for the best case. Thus, it is expected that the hereby presented contributions facilitate the implementation of products and projects related to high-performance computing applications with reconfigurable architectures, contributing for the use of such technology.

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