Tese de mestrado integrado. Engenharia Electrotécnica e de Computadores (Telecomunicações). Universidade do Porto. Faculdade de Engenharia. 2010

Tese de mestrado integrado. Engenharia Electrotécnica e de Computadores (Major Telecomunicações). Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2009

Made available in DSpace on 2014-06-12T15:58:55Z (GMT). No. of bitstreams: 2 arquivo4749_1.pdf: 860768 bytes, checksum: f47e41219790526c6f185f6c76e4135d (MD5) license.txt: 1748 bytes, checksum: 8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33 (MD5) Previous issue date: 2004 / No competitivo mercado de sistemas digitais dedicados, a crescente demanda por produtos com funcionalidades cada vez mais complexas tem tornado o projeto de tais sistemas um grande desafio. Neste cenário, torna-se necessária a construção de modelos virtuais do sistema, em diferentes níveis de abstração, a fim de permitir a exploração do espaço de projeto e a validação funcional do mesmo, antes de sua implementação final. SystemC é uma biblioteca de classes C++ que permite a construção de tais modelos. Embora ferramentas comuns de C++ possam ser usadas para desenvolver modelos em SystemC, elas não atendem às necessidades específicas da modelagem de sistemas. Ferramentas específicas precisam reconhecer os elementos de SystemC nos arquivos-fonte, para poderem prestar qualquer tipo de auxílio ao projetista, nas atividades de modelagem, análise, validação, etc. Neste trabalho, apresentamos uma técnica, e uma ferramenta-protótipo, para a identificação e extração de informação estrutural de modelos em SystemC, usando algoritmos de casamento de padrões sobre o grafo semântico extraído dos códigos-fonte por uma ferramenta de extração para C++. A ferramenta-protótipo foi usada com sucesso em vários exemplos de modelos em SystemC, dentre eles o modelo de uma CPU RISC.

A ferramenta ChipCflow vem sendo desenvolvida nos últimos quatro anos, inicialmente a partir de um projeto de arquitetura a fluxo de dados dinâmico em hardware reconfigurável, mas agora como uma ferramenta de compilação. Ela tem como objetivo a execução de algoritmos por meio do modelo de arquitetura a fluxo de dados associado ao conceito de dispositivos parcialmente reconfiguráveis. Sua característica principal é acelerar o tempo de execução de programas escritos em Linguagem de Programação de Alto Nível (LPAN), do inglês, High Level Languages, em particular nas partes mais intensas de processamento. Isso é feito por meio da implementação dessas partes de código diretamente em hardware reconfigurável - utilizando a tecnologia Field-programmable Gate Array (FPGA) - aproveitando ao máximo o paralelismo considerado natural do modelo a fluxo de dados e as características do hardware parcialmente reconfigurável. Neste trabalho, o objetivo é a prova de conceito do processo de partição e do protocolo de comunicação entre as partições definidas a partir de um Grafo de Fluxo de Dados (GFD), para a execução direta em hardware reconfigurável utilizando Reconfiguração Parcial Dinâmica (RPD). Foi necessário elaborar um mecanismo de partição e protocolo de comunicação entre essas partições, uma vez que a RPD insere características tecnológicas limitantes não encontradas em hardwares reconfiguráveis mais tradicionais. O mecanismo criado se mostrou parcialmente adequado à prova de conceito, significando a possibilidade de se executar GFDs na plataforma parcialmente reconfigurável. Todavia, os tempos de reconfiguração inviabilizaram a proposta inicial de se utilizar RPD para diminuir o tempo de tag matching dos GFDs dinâmicos / The ChipCflow tool has been developed over the last four years, initially from an architectural design the flow of Dynamic Data in reconfigurable hardware, but now as a compilation tool. It aims to run algorithms using the model of the data flow architecture associated with the concept of partially reconfigurable devices. Its main feature is to accelerate the execution time of programs written in High Level Languages, particularly in the most intense processing. This is done by implementing those parts of code directly in reconfigurable hardware - using FPGA technology - leveraging the natural parallelism of the data flow model and characteristics of the partially reconfigurable hardware. In this work, the main goal is the proof of concept of the partition process and protocol communication between the partitions defined from Data Flow Graph for direct execution in reconfigurable hardware using Active Partial Reconfiguration. This required a mechanism to partition and a protocol for communication between these partitions, since the Active Partial Reconfiguration inserts technological features limiting not found in traditional reconfigurable hardware. The mechanism developed is show to be partially adequate to the proof of concept, meaning the ability to run Data Flow Graphs in a platform that is partially reconfigurable. However, the reconfiguration time inserts a great overhead into the execution time, which made the proposal of the use of Active Partial Reconfiguration to decrease the time matching Data Flow Graph unfeasible

Submitted by Divisão de Documentação/BC Biblioteca Central (ddbc@ufam.edu.br) on 2016-12-13T15:34:18Z No. of bitstreams: 1 Dissertação - Mitsuyoshi N. Carvalho.pdf: 2218487 bytes, checksum: dee728ee846d66a58515c2e64c63ff4f (MD5) / Approved for entry into archive by Divisão de Documentação/BC Biblioteca Central (ddbc@ufam.edu.br) on 2016-12-13T15:35:18Z (GMT) No. of bitstreams: 1 Dissertação - Mitsuyoshi N. Carvalho.pdf: 2218487 bytes, checksum: dee728ee846d66a58515c2e64c63ff4f (MD5) / Approved for entry into archive by Divisão de Documentação/BC Biblioteca Central (ddbc@ufam.edu.br) on 2016-12-13T15:35:51Z (GMT) No. of bitstreams: 1 Dissertação - Mitsuyoshi N. Carvalho.pdf: 2218487 bytes, checksum: dee728ee846d66a58515c2e64c63ff4f (MD5) / Made available in DSpace on 2016-12-13T15:35:51Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dissertação - Mitsuyoshi N. Carvalho.pdf: 2218487 bytes, checksum: dee728ee846d66a58515c2e64c63ff4f (MD5) Previous issue date: 2013-02-28 / FINEP - Financiadora de Estudos e Projetos / The Common Channel Signaling System No. 7 (SS7) is one of the most important signaling systems used in today’s telecommunication networks and continues to be used on new architectures of fixed and mobile telephony. This dissertation presents an implementation for the control functions of the Signaling System Number 7 level 2 (referred in this work as MTP2-H) using the VHDL as the hardware description language. The specification of the control functions for the SS7 level 2 is made by using SDL diagrams described in Recommendation Q.703 of ITU-T. To accomplish the implementation, a methodology was developed for conversion of systems described in SDL to VHDL, consisting of a set of rules and a standard VHDL model that were applied on those SDL diagrams. The implementation was performed in order to provide the modularity and portability characteristics to the generated code. This way, the developed module can be replicated as many times as necessary in a programmable logic component (respecting the limitations of the component) and can also be synthesized in components from different manufacturers. The validation of implementation was done by means of functional tests using the Modelsim simulation tool. The developed code was compiled in development tools from different manufacturers to validate the portability feature and to estimate the amount of resources required in programmable logic components. / O Sistema de Sinalização por Canal Comum número 7 (SS7) é um dos mais importantes sistemas de sinalização utilizado em redes atuais de telecomunicações e continua a ser usado em novas arquiteturas tanto de telefonia fixa como móvel. O presente trabalho de dissertação apresenta a implementação das funções de controle do nível 2 do Sistema de Sinalização número 7 (denominado nesse trabalho como MTP2-H) utilizando a linguagem de descrição de hardware VHDL. A especificação das funções de controle do nível 2 do SS7 é feita através de diagramas em linguagem SDL na recomendação Q.703 do ITU-T. Para realizar a implementação, foi desenvolvida uma metodologia para conversão de sistemas descritos em SDL para VHDL, composta por um conjunto de regras e um modelo padrão em VHDL que foram aplicados nos referidos diagramas SDL. A implementação foi realizada de forma a proporcionar características de modularidade e portabilidade ao código gerado. Com isso, o módulo desenvolvido poderá ser replicado o número de vezes em que for necessário em um componente de lógica programável (respeitando as limitações do componente) e também poderá ser sintetizado em componentes de diferentes fabricantes. A validação da implementação foi feita por meio de testes funcionais utilizando a ferramenta de simulação Modelsim. O código desenvolvido foi compilado em ferramentas de desenvolvimento de diferentes fabricantes para validar a característica de portabilidade e para estimar a quantidade de recursos necessários nos componentes de lógica programáveis.

A ferramenta ChipCflow vem sendo desenvolvida nos últimos quatro anos, inicialmente a partir de um projeto de arquitetura a fluxo de dados dinâmico em hardware reconfigurável, mas agora como uma ferramenta de compilação. Ela tem como objetivo a execução de algoritmos por meio do modelo de arquitetura a fluxo de dados associado ao conceito de dispositivos parcialmente reconfiguráveis. Sua característica principal é acelerar o tempo de execução de programas escritos em Linguagem de Programação de Alto Nível (LPAN), do inglês, High Level Languages, em particular nas partes mais intensas de processamento. Isso é feito por meio da implementação dessas partes de código diretamente em hardware reconfigurável - utilizando a tecnologia Field-programmable Gate Array (FPGA) - aproveitando ao máximo o paralelismo considerado natural do modelo a fluxo de dados e as características do hardware parcialmente reconfigurável. Neste trabalho, o objetivo é a prova de conceito do processo de partição e do protocolo de comunicação entre as partições definidas a partir de um Grafo de Fluxo de Dados (GFD), para a execução direta em hardware reconfigurável utilizando Reconfiguração Parcial Dinâmica (RPD). Foi necessário elaborar um mecanismo de partição e protocolo de comunicação entre essas partições, uma vez que a RPD insere características tecnológicas limitantes não encontradas em hardwares reconfiguráveis mais tradicionais. O mecanismo criado se mostrou parcialmente adequado à prova de conceito, significando a possibilidade de se executar GFDs na plataforma parcialmente reconfigurável. Todavia, os tempos de reconfiguração inviabilizaram a proposta inicial de se utilizar RPD para diminuir o tempo de tag matching dos GFDs dinâmicos / The ChipCflow tool has been developed over the last four years, initially from an architectural design the flow of Dynamic Data in reconfigurable hardware, but now as a compilation tool. It aims to run algorithms using the model of the data flow architecture associated with the concept of partially reconfigurable devices. Its main feature is to accelerate the execution time of programs written in High Level Languages, particularly in the most intense processing. This is done by implementing those parts of code directly in reconfigurable hardware - using FPGA technology - leveraging the natural parallelism of the data flow model and characteristics of the partially reconfigurable hardware. In this work, the main goal is the proof of concept of the partition process and protocol communication between the partitions defined from Data Flow Graph for direct execution in reconfigurable hardware using Active Partial Reconfiguration. This required a mechanism to partition and a protocol for communication between these partitions, since the Active Partial Reconfiguration inserts technological features limiting not found in traditional reconfigurable hardware. The mechanism developed is show to be partially adequate to the proof of concept, meaning the ability to run Data Flow Graphs in a platform that is partially reconfigurable. However, the reconfiguration time inserts a great overhead into the execution time, which made the proposal of the use of Active Partial Reconfiguration to decrease the time matching Data Flow Graph unfeasible

Este trabalho consiste no projeto e implementação em CMOS de um circuito integrado digital para geração de sinais, denominado Oscilador Controlado Numericamente. O circuito será aplicado em um sistema de Espectroscopia por Bioimpedância Elétrica, utilizado como método para detecção precoce de câncer do colo do útero. Durante o trabalho, realizou-se o estudo dos requisitos do sistema de espectroscopia e as especificações dos tipos de sinais a serem gerados. Levantou-se, na bibliografia, algumas técnicas de codificação em linguagem de hardware para otimização do projeto nos quesitos área, potência dissipada e frequência máxima de funcionamento. Para implementar o circuito, também se pesquisou o fluxo de projeto de circuitos digitais, focando as etapas de codificação em linguagem de descrição de hardware Verilog e os resultados de síntese lógica e de layout. Foram avaliadas duas arquiteturas, empregando-se algumas das técnicas de codificação levantadas durante o estudo bibliográfico. Estas arquiteturas foram implementadas, verificadas em plataforma programável, sintetizadas e mapeadas em portas lógicas no processo TSMC 180 nm, onde foram comparados os resultados de área e dissipação de potência. Observou-se, nos resultados de síntese lógica, redução de área de 78% e redução de 83% na dissipação de potência total no circuito em que se aplicou uma das técnicas de otimização em comparação com o circuito implementado sem otimização, utilizando uma arquitetura CORDIC do tipo unrolled. A arquitetura com menor área utilizada - 0,017 mm2 - foi escolhida para fabricação em processo mapeado. Após fabricação e encapsulamento do circuito, o chip foi montado em uma placa de testes desenvolvida para avaliar os resultados qualitativos. Os resultados dos testes foram analisados e comparados aos obtidos em simulação, comprovando-se o funcionamento do circuito. Observou-se uma variação máxima de 0,00623% entre o valor da frequência do sinal de saída obtido nas simulações e o do circuito fabricado. / The aim of this work is the design of a digital integrated circuit for signal generation called Numerically Controlled Oscillator, designed in 180 nm CMOS technology. The application target is for Electrical Bioimpedance Spectroscopy system, and can be used as a method for early detection of cervical cancer. Throughout the work, the spectroscopy system requirements and specifications of the types of signals to be generated were studied. Furthermore, the research of some coding techniques in hardware language for design optimization in terms of area, power consumption and frequency operation was conducted looking into the bibliography. The digital design flow was studied focusing on the Verilog hardware description language and the results of logic synthesis and layout, in order to implement the circuit. Reviews of two architectures have been made, using some of the encoding techniques that have been raised during the bibliographical study. These architectures have been implemented, verified on programmable platform, synthesized and mapped to standard cells in TSMC 180 nm process, which compared the area and total power consumption of results. Based on the results of logic synthesis, a 78% area reduction and 83% power consumption reduction were obtained on the implemented circuit with encoding techniques for optimization in comparison with the another circuit using a CORDIC unrolled architecture. The architecture with smaller area - 0.017 mm2 - was chosen for implementation in the mapped process. After the circuit fabrication and packaging, the chip was mounted on an evaluation board designed to evaluate the functionality. The test results were analyzed and compared with the simulation results, showing that the circuit works as expected. The output signals were compared between theoretical and experimental results, showing a maximum deviation of 0.00623%.

Este trabalho consiste no projeto e implementação em CMOS de um circuito integrado digital para geração de sinais, denominado Oscilador Controlado Numericamente. O circuito será aplicado em um sistema de Espectroscopia por Bioimpedância Elétrica, utilizado como método para detecção precoce de câncer do colo do útero. Durante o trabalho, realizou-se o estudo dos requisitos do sistema de espectroscopia e as especificações dos tipos de sinais a serem gerados. Levantou-se, na bibliografia, algumas técnicas de codificação em linguagem de hardware para otimização do projeto nos quesitos área, potência dissipada e frequência máxima de funcionamento. Para implementar o circuito, também se pesquisou o fluxo de projeto de circuitos digitais, focando as etapas de codificação em linguagem de descrição de hardware Verilog e os resultados de síntese lógica e de layout. Foram avaliadas duas arquiteturas, empregando-se algumas das técnicas de codificação levantadas durante o estudo bibliográfico. Estas arquiteturas foram implementadas, verificadas em plataforma programável, sintetizadas e mapeadas em portas lógicas no processo TSMC 180 nm, onde foram comparados os resultados de área e dissipação de potência. Observou-se, nos resultados de síntese lógica, redução de área de 78% e redução de 83% na dissipação de potência total no circuito em que se aplicou uma das técnicas de otimização em comparação com o circuito implementado sem otimização, utilizando uma arquitetura CORDIC do tipo unrolled. A arquitetura com menor área utilizada - 0,017 mm2 - foi escolhida para fabricação em processo mapeado. Após fabricação e encapsulamento do circuito, o chip foi montado em uma placa de testes desenvolvida para avaliar os resultados qualitativos. Os resultados dos testes foram analisados e comparados aos obtidos em simulação, comprovando-se o funcionamento do circuito. Observou-se uma variação máxima de 0,00623% entre o valor da frequência do sinal de saída obtido nas simulações e o do circuito fabricado. / The aim of this work is the design of a digital integrated circuit for signal generation called Numerically Controlled Oscillator, designed in 180 nm CMOS technology. The application target is for Electrical Bioimpedance Spectroscopy system, and can be used as a method for early detection of cervical cancer. Throughout the work, the spectroscopy system requirements and specifications of the types of signals to be generated were studied. Furthermore, the research of some coding techniques in hardware language for design optimization in terms of area, power consumption and frequency operation was conducted looking into the bibliography. The digital design flow was studied focusing on the Verilog hardware description language and the results of logic synthesis and layout, in order to implement the circuit. Reviews of two architectures have been made, using some of the encoding techniques that have been raised during the bibliographical study. These architectures have been implemented, verified on programmable platform, synthesized and mapped to standard cells in TSMC 180 nm process, which compared the area and total power consumption of results. Based on the results of logic synthesis, a 78% area reduction and 83% power consumption reduction were obtained on the implemented circuit with encoding techniques for optimization in comparison with the another circuit using a CORDIC unrolled architecture. The architecture with smaller area - 0.017 mm2 - was chosen for implementation in the mapped process. After the circuit fabrication and packaging, the chip was mounted on an evaluation board designed to evaluate the functionality. The test results were analyzed and compared with the simulation results, showing that the circuit works as expected. The output signals were compared between theoretical and experimental results, showing a maximum deviation of 0.00623%.