Time synchronization between systems having no external reference can be an issue in small wireless node-based systems. In this thesis a transceiver is designed and implemented in two separate systems. Then the timing algorithm of "TwoWay Time Transfer" is then chosen to correct any timing error between the two free running clocks of the systems. In conclusion the results are compared towards having both systems get their timing based on GPS timing. / Tidssynkronisering mellan två system som saknar externa referenser kan bli ett problem i små nodbaserade system. I det här arbetet har en sändtagare designats och implementerats i två system. Sedan valdes algoritmen "TwoWay Time Transfer"för att rätta till de timing fel som uppstår mellan systemens separata klockor.I sammanfattningen så jämnförs uppkommna resultat med att ha systemens tid från GPS.

Le défi primaire dans le développement matériel de la cryptographie moderne est de faire des implémentations optimales en ressources, et rapide, en garantissant une résistance contre les attaques. Cette recherche porte sur les implémentations pratiques des opérations de cryptographie basées sur la cryptographie à clé publique dans les corps finis. Durant cette thèse nous avons proposé des composants matériels de base. L'arithmétique des corps finis constitue le noyau de la cryptographie à clé publique comme RSA, ECC ou une cryptographie basée sur le couplage. Nous avons proposé dans cette thèse des architectures du calcul arithmétique haute performance pour implémenter les primitives de cryptographie asymétrique. Les composants décrits dans notre travail ont été implémentés dans des Field Programmable Gate Array platforms (FPGA) de Xilinx. Nous avons utilisé le VHDL pour développer nos composants et nos architectures. Nos résultats présentent des performances en ressources et en vitesse jamais égalées auparavant dans la littérature publique sur ce type de technologie. La particularité de ces architectures est l'utilisation de l'architecture systolique pour développer une multiplication modulaire. Cette thèse traite la mise en œuvre matérielle efficace de la méthode CIOS (Coarsely Integrated Operand Scanning) de la multiplication modulaire de Montgomery combinée avec une architecture systolique efficace. D'après nos connaissances, c'est la première implémentation d'une telle conception. Nos architectures visaient à réduire le nombre de cycles d'horloge de la multiplication modulaire. Les résultats d'implémentation des algorithmes CIOS se concentrent sur différents niveaux de sécurité utiles en cryptographie. Cette architecture a été conçue pour utiliser le DSP48 flexible sur les FPGA de Xilinx. Nos architectures sont évolutives et dépendent uniquement du nombre et de la taille des mots. Par exemple, nous fournissons des résultats d'implémentation pour des longs mots de 8, 16, 32 et 64 bits en 33, 66, 132 et 264 cycles d'horloge. Nous décrivons également un design pour calculer une inversion et/ou une division dans Fp. L'inversion peut être utilisée dans les systèmes de la cryptographie de courbe elliptique et de la cryptographie basée sur le couplage. / The primary challenge in the hardware development of the modern cryptography is to make an optimal implementations in resources and speed, with guaranteeing a resistance against attacks. This research focuses on practical implementations of cryptographic operations based on public key cryptography in finite fields. During this thesis we proposed basic hardware components. Finite field arithmetic is the core of public key cryptography such as RSA, ECC, or pairing-based cryptography. We proposed in this thesis a high-performance architectures of arithmetic calculation to implement asymmetric cryptographic primitives. The components described in this thesis have been implemented in Xlinx Field Programmable Gate Array Platforms (FPGAs). We used the VHDL to devolve our components and architectures. Our results show a performance and speed never presented before in the literature on this type of technology. The particularity of these architectures is the use of systolic architecture to develop a modular multiplication. This thesis deals with the effective physical implementation of the Coarsely Integrated Operand Scanning (CIOS) method of Montgomery's modular multiplication combined with an effective systolic architecture. According to our knowledge, this is the first implementation of such a design. Our architectures were aimed at reducing the number of clock cycles of modular multiplication. The implementation results of the CIOS algorithms focus on different levels of security useful in cryptography. This architecture was designed to use the flexible DSP48 on Xilinx FPGAs. Our architectures are scalable and depend only on the number and size of the words. For instance, we provide implementation results for 8, 16, 32, and 64 bit long words in 33, 66, 132, and 264 clock cycles. We describe also a design to compute an inversion in Fp as well as division. Inversion can be used in Elliptic Curve Cryptography systems and pairing-based cryptography.

El presente trabajo de memoria tuvo el objetivo de realizar el desarrollo de una interfaz capaz de realizar el control de un bus I2C mediante el acceso a este desde una red Ethernet. El estudio de las posibles soluciones se centró en los principales requerimientos del sistema, los cuales fueron, el costo de la solución y la escalabilidad de este sistema, siendo capaz de llegar con la misma arquitectura a una velocidad de enlace de 1Gbps. Dicho estudio se realizó para una empresa de radiodifusión llamada Continental Lensa, la cual busca desarrollar una plataforma de conexión que logre ser incluida en sus equipos de radiodifusión como producto de valor agregado, con la finalidad de que la empresa obtenga una plataforma estándar para realizar el manejo de equipos remotamente a través de esta interfaz. Para la realización de este desarrollo, se escogió entre toda una gama de soluciones posibles, el uso de dispositivos semiconductores FPGA, en los cuales es posible producir la escalabilidad necesaria ya que existen núcleos capaces de operar a 1Gbps. El resultado de tal estudio, demostró que la mejor solución es aquella que consta de la utilización de un procesador embebido implementado en la lógica del dispositivo FPGA, el cual no produce costos extras por cada dispositivo nuevo realizado. En este dispositivo, además se integró un sistema operativo Open Source basado en Linux llamado uClinux sobre el cual se realizará cada uno de los programas. El controlador del bus I2C necesario se realiza mediante un núcleo de libre distribución, obtenido desde Internet, el cual es controlado desde el sistema operativo, con lo cual se muestra que es posible añadir nuevos periféricos a este sistema sin aumentar los costos de la solución y además se logra el control deseado. En cuanto a la interfaz WEB, fué desarrollada mediante Applets, de modo de poder tener un elemento, el cual pueda ser configurado gráficamente en la empresa y que pueda ser visto desde cualquier computador, previa instalación de la maquina virtual de Java, en el PC que permita la visualización de la aplicación. Posteriormente se analizó las tasas de transferencias que se pueden alcanzar con el sistema implementado y además se presenta una explicación acerca de todas las herramientas necesarias para la realización de este sistema. Como conclusión del desarrollo realizado, se obtuvo un sistema, capaz de producir una reducción de costos, teniendo una gama de posibilidades para su extensión, modificando la lógica implementada de acuerdo a las necesidades y requerimientos de la empresa, en la cual se trabajó.

As tarefas de visão computacional incentivam uma significativa parte da pesquisa em todas as áreas científicas e industriais, entre as quais, cita-se a área voltada para o desenvolvimento de arquiteturas de computadores. A visão computacional é considerada um dos problemas mais desafiadores para a computação de alto desempenho, pois esta requer um grande desempenho, bem como um alto grau de flexibilidade. A flexibilidade é necessária pois a visão computacional abrange aplicações em que há diferentes tarefas a serem realizadas com diferentes necessidades de desempenho. Esta flexibilidade é particularmente importante em sistemas destinados a atuar como ambientes experimentais para novas técnicas de processamento visual ou para a prototipação de novas aplicações. Computação configurável tem demonstrado, por meio de exemplos implementados pela comunidade científica, fornecer uma boa relação entre alto desempenho e flexibilidade necessária para a implementação de diferentes técnicas utilizadas na área de visão computacional. Contudo, poucos esforços de pesquisa têm sido realizados na concepção de sistemas completos visando a solução de um problema de visão computacional, incluindo ambos os requisitos de software e de hardware. O principal objetivo deste trabalho é mostrar que as técnicas e tecnologias disponíveis na área de computação configurável podem ser empregadas para a concepção de um sistema capaz de implementar um grande número de aplicações da área de visão computacional na pesquisa e no ambiente industrial. Entretanto, não é escopo deste trabalho implementar um sistema de computação que seja suficiente para abordar os requerimentos necessários para todas as aplicações em visão computacional, mas os métodos aqui introduzidos podem ser utilizados como uma base geral de implementação de várias tarefas de visão computacional. Este trabalho utiliza ambientes que permitem implementações conjuntas de hardware e software, pois os mesmos facilitam a validação das técnicas aqui apresentadas, por meio da implementação de um estudo de caso, sendo parte deste estudo de caso implementado em software e outra parte em hardware.

Referências de tensão são blocos fundamentais em uma série de aplicações de sinais mistos e de rádio frequência, como por exemplo, conversores de dados, PLL's e conversores de potência. A implementação CMOS mais usada para referências de tensão é o circuito Bandgap devido sua alta previbilidade, e baixa dependência em relação à temperatura e tensão de alimentação. Este trabalho estuda aplicação de Referência de Tensão Bandgap. O princípio, as topologias tradicionalmente usadas para implementar este método e as limitações que essas arquiteturas sofrem são investigadas. Será também apresentada uma pesquisa das questões recentes envolvendo alta precisão, operação com baixa tensão de alimentação e baixa potência, e ruído de saída para as referências Bandgap fabricadas em tecnologias submicrométricas. Além disso, uma investigação abrangente do impacto causado pelo o processo da fabricação e do ruído no desempenho da referência é apresentada. Será mostrado que o ruído de saída pode limitar a precisão dos circuitos Bandgap e seus circuitos de ajuste. Para desenvolver nosso trabalho, três Referências Bandgap foram projetadas utilizando o processo IBM 7RF 0.18 micra com uma tensão de alimentação de 1.8V. Também foram projetados os leiautes desses circuitos para prover informações pósleiaute extraídos e resultados de simulação elétrica. Este trabalho provê uma discussão de algumas topologias e das práticas de projeto para referências Bandgap. / A Voltage Reference is a pivotal block in several mixed-signal and radio-frequency applications, for instance, data converters, PLL's and power converters. The most used CMOS implementation for voltage references is the Bandgap circuit due to its highpredictability, and low dependence of the supply voltage and temperature of operation. This work studies the Bandgap Voltage References (BGR). The most relevant and the traditional topologies usually employed to implement Bandgap Voltage References are investigated, and the limitations of these architectures are discussed. A survey is also presented, discussing the most relevant issues and performance metrics for BGR, including, high-accuracy, low-voltage and low-power operation, as well as the output noise of Bandgap References fabricated in submicrometer technologies. Moreover, a comprehensive investigation on the impact of fabrication process effects and noise on the reference voltage is presented. It is shown that output noise can limit the accuracy of the BGR and trim circuits. To support and develop our work, three BGR´s were designed using the IBM 0.18 Micron 7RF process with a supply voltage of 1.8 V. The layouts of these circuits were also designed to provide post-extracted layout information and electrical simulation results. This work provides a comprehensive discussion on the structure and design practices for Bandgap References.

AN ABSTRACT OF THE THESIS OF Zeeshan Ahmed Bashir, for the Masters of Science degree in Electrical and Computer Engineering, presented on 29th June 2015, at Southern Illinois University Carbondale TITLE: MSB FIRST ARITHMETIC CIRCUIT FOR MOTION ESTIMATION MAJOR PROFESSOR: Dr. Haibo Wang This thesis presents a novel design of arithmetic circuits that perform computation from MSB to LSB in a serial manner. In the MSB first serial computation, the result is gradually refined along the computation cycles. If the result is used to do a comparison with a threshold, such as in motion estimation applications, it is possible to draw the comparison conclusion in the middle of the computation and subsequently skip the rest of the computation. Thus the MSB-first serial computation potentially results in significant power reduction, making them attractive to low power applications. Unlike the existing MSB-first design that uses redundant number system, the proposed design is based on the widely used 2’ complementary number system, making the proposed circuits more compact and consuming less power as compared to the existing circuits that use signed digital bit numbers. The proposed arithmetic circuits have been used to implement variable block size motion estimation (VBSME) circuits, including block sizes of 4x4, 8x4, 8x8, 8x16 and 16x16 on a Xilinx Spartan 6 FPGA device. The performance of the proposed design is compared with the design based on existing MSB-first arithmetic circuit. The comparison shows the proposed design consumes significantly less power compared to the reference design.

As tarefas de visão computacional incentivam uma significativa parte da pesquisa em todas as áreas científicas e industriais, entre as quais, cita-se a área voltada para o desenvolvimento de arquiteturas de computadores. A visão computacional é considerada um dos problemas mais desafiadores para a computação de alto desempenho, pois esta requer um grande desempenho, bem como um alto grau de flexibilidade. A flexibilidade é necessária pois a visão computacional abrange aplicações em que há diferentes tarefas a serem realizadas com diferentes necessidades de desempenho. Esta flexibilidade é particularmente importante em sistemas destinados a atuar como ambientes experimentais para novas técnicas de processamento visual ou para a prototipação de novas aplicações. Computação configurável tem demonstrado, por meio de exemplos implementados pela comunidade científica, fornecer uma boa relação entre alto desempenho e flexibilidade necessária para a implementação de diferentes técnicas utilizadas na área de visão computacional. Contudo, poucos esforços de pesquisa têm sido realizados na concepção de sistemas completos visando a solução de um problema de visão computacional, incluindo ambos os requisitos de software e de hardware. O principal objetivo deste trabalho é mostrar que as técnicas e tecnologias disponíveis na área de computação configurável podem ser empregadas para a concepção de um sistema capaz de implementar um grande número de aplicações da área de visão computacional na pesquisa e no ambiente industrial. Entretanto, não é escopo deste trabalho implementar um sistema de computação que seja suficiente para abordar os requerimentos necessários para todas as aplicações em visão computacional, mas os métodos aqui introduzidos podem ser utilizados como uma base geral de implementação de várias tarefas de visão computacional. Este trabalho utiliza ambientes que permitem implementações conjuntas de hardware e software, pois os mesmos facilitam a validação das técnicas aqui apresentadas, por meio da implementação de um estudo de caso, sendo parte deste estudo de caso implementado em software e outra parte em hardware.

Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) são componentes reconfiguráveis de hardware que encontraram grande sucesso comercial ao longo dos últimos anos em uma grande variedade de nichos de aplicação. Alta vazão de processamento, flexibilidade e tempo de projeto reduzido estão entre os principais atrativos desses dispositivos, e são essenciais para o seu sucesso comercial. Essas propriedades também são valiosas para sistemas críticos, que frequentemente enfrentam restrições severas de desempenho. Além disso, a possibilidade de reprogramação após implantação é relevante, uma vez que permite a adição de novas funcionalidades ou a correção de erros de projeto, estendendo a vida útil do sistema. Tais dispositivos, entretanto, dependem de grandes memórias para armazenar o bitstream de configuração, responsável por definir a função presente do FPGA. Assim, falhas afetando esta configuração são capazes de causar defeitos funcionais, sendo uma grande ameaça à confiabilidade. A forma mais tradicional de remover tais erros, isto é, scrubbing de configuração, consiste em periodicamente sobrescrever a memória com o seu conteúdo desejado. Entretanto, devido ao seu tamanho significativo e à banda de acesso limitada, scrubbing sofre de um longo tempo médio de reparo, e que está aumentando à medida que FPGAs ficam maiores e mais complexos a cada geração. Partições reconfiguráveis são úteis para reduzir este tempo, já que permitem a execução de um procedimento local de reparo na partição afetada. Para este propósito, mecanismos rápidos de detecção de erros são necessários para rapidamente disparar este scrubbing localizado e reduzir a latência de erro. Além disso, diagnóstico preciso é necessário para identificar a localização do erro dentro do espaço de endereçamento da configuração. Técnicas de redundância de grão fino têm o potencial de prover ambos, mas normalmente introduzem custos significativos devido à necessidade de numerosos verificadores de redundância. Neste trabalho, propomos uma técnica de detecção de erros de grão fino que utiliza recursos abundantes e subutilizados encontrados em FPGAs do estado da arte, especificamente as cadeias de propagação de vai-um. Assim, a técnica provê os principais benefícios da redundância de grão fino enquanto minimiza sua principal desvantagem. Reduções bastante significativas na latência de erro são atingíveis com a técnica proposta. Também é proposto um mecanismo heurístico para explorar o diagnóstico provido por técnicas desta natureza. Este mecanismo tem por objetivo identificar as localizações mais prováveis do erro na memória de configuração, baseado no diagnóstico de grão fino, e fazer uso dessa informação de forma a minimizar o tempo de reparo. / Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) are reconfigurable hardware components that have found great commercial success over the past years in a wide variety of application niches. High processing throughput, flexibility and reduced design time are among the main assets of such devices, and are essential to their commercial success. These features are also valuable for critical systems that often face stringent performance constraints. Furthermore, the possibility to perform post-deployment reprogramming is relevant, as it allows adding new functionalities or correcting design mistakes, extending the system lifetime. Such devices, however, rely on large memories to store the configuration bitstream, responsible for defining the current FPGA function. Thus, faults affecting this configuration are able to cause functional failures, posing a major dependability threat. The most traditional means to remove such errors, i.e., configuration scrubbing, consists in periodically overwriting the memory with its desired contents. However, due to its significant size and limited access bandwidth, scrubbing suffers from a long mean time to repair, and which is increasing as FPGAs get larger and more complex after each generation. Reconfigurable partitions are useful to reduce this time, as they allow performing a local repair procedure on the affected partition. For that purpose, fast error detection mechanisms are required, in order to quickly trigger this localized scrubbing and reduce error latency. Moreover, precise diagnosis is necessary to identify the error location within the configuration addressing space. Fine-grained redundancy techniques have the potential to provide both, but usually introduce significant costs due to the need of numerous redundancy checkers. In this work we propose a fine-grained error detection technique that makes use of abundant and underused resources found in state-of-the-art FPGAs, namely the carry propagation chains. Thereby, the technique provides the main benefits of fine-grained redundancy while minimizing its main drawback. Very significant reductions in error latency are attainable with the proposed approach. A heuristic mechanism to explore the diagnosis provided by techniques of this nature is also proposed. This mechanism aims at identifying the most likely error locations in the configuration memory, based on the fine-grained diagnosis, and to make use of this information in order to minimize the repair time of scrubbing.

As tarefas de visão computacional incentivam uma significativa parte da pesquisa em todas as áreas científicas e industriais, entre as quais, cita-se a área voltada para o desenvolvimento de arquiteturas de computadores. A visão computacional é considerada um dos problemas mais desafiadores para a computação de alto desempenho, pois esta requer um grande desempenho, bem como um alto grau de flexibilidade. A flexibilidade é necessária pois a visão computacional abrange aplicações em que há diferentes tarefas a serem realizadas com diferentes necessidades de desempenho. Esta flexibilidade é particularmente importante em sistemas destinados a atuar como ambientes experimentais para novas técnicas de processamento visual ou para a prototipação de novas aplicações. Computação configurável tem demonstrado, por meio de exemplos implementados pela comunidade científica, fornecer uma boa relação entre alto desempenho e flexibilidade necessária para a implementação de diferentes técnicas utilizadas na área de visão computacional. Contudo, poucos esforços de pesquisa têm sido realizados na concepção de sistemas completos visando a solução de um problema de visão computacional, incluindo ambos os requisitos de software e de hardware. O principal objetivo deste trabalho é mostrar que as técnicas e tecnologias disponíveis na área de computação configurável podem ser empregadas para a concepção de um sistema capaz de implementar um grande número de aplicações da área de visão computacional na pesquisa e no ambiente industrial. Entretanto, não é escopo deste trabalho implementar um sistema de computação que seja suficiente para abordar os requerimentos necessários para todas as aplicações em visão computacional, mas os métodos aqui introduzidos podem ser utilizados como uma base geral de implementação de várias tarefas de visão computacional. Este trabalho utiliza ambientes que permitem implementações conjuntas de hardware e software, pois os mesmos facilitam a validação das técnicas aqui apresentadas, por meio da implementação de um estudo de caso, sendo parte deste estudo de caso implementado em software e outra parte em hardware.

Referências de tensão são blocos fundamentais em uma série de aplicações de sinais mistos e de rádio frequência, como por exemplo, conversores de dados, PLL's e conversores de potência. A implementação CMOS mais usada para referências de tensão é o circuito Bandgap devido sua alta previbilidade, e baixa dependência em relação à temperatura e tensão de alimentação. Este trabalho estuda aplicação de Referência de Tensão Bandgap. O princípio, as topologias tradicionalmente usadas para implementar este método e as limitações que essas arquiteturas sofrem são investigadas. Será também apresentada uma pesquisa das questões recentes envolvendo alta precisão, operação com baixa tensão de alimentação e baixa potência, e ruído de saída para as referências Bandgap fabricadas em tecnologias submicrométricas. Além disso, uma investigação abrangente do impacto causado pelo o processo da fabricação e do ruído no desempenho da referência é apresentada. Será mostrado que o ruído de saída pode limitar a precisão dos circuitos Bandgap e seus circuitos de ajuste. Para desenvolver nosso trabalho, três Referências Bandgap foram projetadas utilizando o processo IBM 7RF 0.18 micra com uma tensão de alimentação de 1.8V. Também foram projetados os leiautes desses circuitos para prover informações pósleiaute extraídos e resultados de simulação elétrica. Este trabalho provê uma discussão de algumas topologias e das práticas de projeto para referências Bandgap. / A Voltage Reference is a pivotal block in several mixed-signal and radio-frequency applications, for instance, data converters, PLL's and power converters. The most used CMOS implementation for voltage references is the Bandgap circuit due to its highpredictability, and low dependence of the supply voltage and temperature of operation. This work studies the Bandgap Voltage References (BGR). The most relevant and the traditional topologies usually employed to implement Bandgap Voltage References are investigated, and the limitations of these architectures are discussed. A survey is also presented, discussing the most relevant issues and performance metrics for BGR, including, high-accuracy, low-voltage and low-power operation, as well as the output noise of Bandgap References fabricated in submicrometer technologies. Moreover, a comprehensive investigation on the impact of fabrication process effects and noise on the reference voltage is presented. It is shown that output noise can limit the accuracy of the BGR and trim circuits. To support and develop our work, three BGR´s were designed using the IBM 0.18 Micron 7RF process with a supply voltage of 1.8 V. The layouts of these circuits were also designed to provide post-extracted layout information and electrical simulation results. This work provides a comprehensive discussion on the structure and design practices for Bandgap References.