Este trabalho propõe a geração de uma arquitetura dedicada a aplicações específicas, baseadas no microcontrolador MCS8051. Por ser utilizado na solução de problemas em indústrias locais, este processador foi escolhido para servir como base em um sistema dedicado. O 8051 dedicado gerado deverá permitir a integração completa do sistema, proporcionando um aumento do valor agregado e, conseqüentemente, a diminuição do custo. Busca-se com a otimização da arquitetura obter um conjunto de instruções reduzido, construído com as instruções mais utilizadas em cada aplicação. O objetivo principal da otimização do conjunto de instruções está relacionado ao fato de que os circuitos decodificadores e geradores de microcódigo da parte de controle ocupam uma área significativa do processador. Uma otimização no sentido de reduzir-se o conjunto de instruções, portanto, resulta numa economia de área, o que vem de encontro com a idéia da integração completa do sistema com o processador. Um processador dedicado a aplicações específicas (ASIP) irá possuir um custo maior do que a sua versão original, devido as otimizações realizadas. Para compensar este custo, uma alternativa a seguir é a integração completa do sistema. Um Sistema Integrado para Aplicações Específicas (SIAE) torna-se desejável, pois aumentando o valor agregado do circuito possibilita-se a redução do custo pela eliminação de conexões da placa, do encapsulamento de outros circuitos, entre outros motivos. Todavia, para que um SIAE possa ser construído com um custo aceitável, é necessário que seja construído em uma área que não exceda muito a área original do processador. Tenta-se fazer isto neste trabalho, através da implementação de aplicações com poucas instruções diferentes. Por ser uma arquitetura comercial, o 8051 possui um grande parque de software desenvolvido e resolvendo problemas. Isto pode ser considerado uma vantagem pois, software básicos como por exemplo, compiladores, já estão desenvolvidos. Outra vantagem é o grande número de engenheiros treinados na sua utilização. Desse modo, torna-se necessária a criação de uma compatibilidade de software, para preservar o que já está desenvolvido. Uma vez que a programação em nível de linguagem montadora tende a constituir-se em uma tarefa cansativa e sujeita a erros, é desejável que se tenha uma compatibilidade em alto nível, ou seja, através de um compilador. Para criar a compatibilidade de SW necessária é realizada a otimização de um compilador C desenvolvido para o 8051. A escolha pela linguagem C deve-se ao fato de sua grande utilização. O compilador C otimizado procura utilizar um conjunto de instruções reduzido para obter a economia de área. Quando uma instrução necessita ser utilizada e não está presente no conjunto de instruções desejado, o compilador tenta substituí-la por outra(s). Um conjunto de instruções é utilizado para cada aplicação, sendo constituído pelas instruções mais utilizadas por esta. Para determinar as instruções mais utilizadas de cada aplicação é realizada uma análise estática sobre um código em linguagem montadora previamente compilado. As instruções implementadas serão sempre parte do conjunto de instruções original do 8051, de modo que novas instruções não serão criadas.Um programa em linguagem montadora gerado com um conjunto de instruções reduzido (RISC) normalmente terá um número maior de instruções do que o seu 10 equivalente com o conjunto de instruções completo (CISC). Isto ocorre porque possivelmente algumas substituições de uma instrução por outras, terão que ser realizadas. Como as instruções que serão utilizadas nas substituições pertencem ao conjunto de instruções original, o programa gerado com o compilador otimizado poderá executar em um tempo maior do que se fosse compilado com o código CISC. Para compensar esse atraso foi implementado um pipeline de instruções para o 8051. Este trabalho apresenta resultados da Síntese Lógica em Standard Cell e FPGA da arquitetura otimizada. Além disso, resultados de programas em linguagem montadora gerados com o compilador otimizado, são também apresentados. / This work discusses a processor for specific applications architecture, based on the MCS8051 microcontroller. This processor is used as a solution for many local industry applications, being the base of dedicated systems. The dedicated 8051 generated should allow complete integration of the system, and with the added value to the chip, reduced costs. The architecture optimization will produce as result a reduced instruction set, made by the often used instructions for each application. The main instruction set optimization goal refers to the instrucions decoders and microcode generators in the control part, because a large area in the processor is needed to implement them. Thus, a reduced instruction set will allow area savings, making possible the complete system integration in a chip. An ASIP architecture will have a higher cost than the original one. An alternative to solve this problem is add value to the chip, creating an Application Specific Integrated System (ASIS). An ASIS can be made with a acceptable cost, if it’s possible to integrate other circuits to the chip without area increase. This can be done in the area saved by using fewer implemented instructions. Because the 8051 is a commercial architecture, there is a large amount of software developed for it. This can be considered an advantage because basic softwares like compilers are available, being not necessary to create them. Another advantage refers to the large number of engineers trained to use the 8051. To preserve the already developed applications it’s necessary to mantain software compatibility. Assembler level programming is very boring an error prone task, being desirable to have software compatibility at higher levels through the use of high level languages. To create the necessary SW compatibility, a C compiler developed for 8051 was optimized. The chose for C language refers to its large utilization. The optimized C compiler tries to use a reduced instruction set, formed with the most important instructions for each application, in order ro save area. When an instruction needs to be used in an application, and it’s not present in the instruction set, the compiler tries to replace it with other instructions. The compiler will not use instructions not present in the original 8051 instruction set. So, new instrucions will be not created. To create an instruction set formed with the most important instructions for each application, a static analysis is made on a precompiled assembler source. An assembler source generated with a reduced instruction set (RISC) will probably have more instructions than the same assembler generated with a full instruction set (CISC). This can be explained because of the replacements instruction. If one instruction is replaced by other two, and these are from the original instruction set, probably the time needed to execute them would be higher. In order to deal with this problem, an instruction pipeline was implemented to the 8051. This work presents Standard Cells and FPGA results of Logic Synthesis of the optimized architecture. Also, assembly programs generated by the optimized compiler are presented.

Este trabalho trata de arquiteturas e algoritmos para o desenvolvimento de sistemas computacionais. Tais sistemas são constituídos de um microprocessador (específico ou comercialmente disponível), de seu conjunto de programas e de um HW dedicado que será utilizado para otimização do sistema. O objetivo principal desta tese é demonstrar que, presentemente, a linha divisória entre HW e SW e cada vez mais tênue, e a transição entre um e outro pode ser feita de maneira suave pelo projetista de sistemas, na busca de um ponto ótimo no balanço entre custo e desempenho. Apresenta-se em seqüência o ambiente de CAD, a classificação de rotinas e os métodos de otimização tendo em vista esta classificação para o aumento de desempenho de sistemas computacionais. A seguir são apresentadas técnicas para processadores dedicados de arquitetura Risc, visando a otimização de certos tipos de programas. Os resultados de aceleração são apresentados para um conjunto de exemplos. Tendo em vista o mercado nacional de eletrônica, fortemente baseado em microcontroladores, estudam-se e mostram-se possibilidades de otimização e integração de sistemas baseados em tais processadores, assim como a aplicabilidade das mesmas técnicas para processadores dedicados. A viabilidade técnica desta realização é discutida através de exemplos baseados em aplicações reais. Finalmente, a validação de sistemas computacionais, em especial aqueles trabalhados nesta tese, é discutida. / This work discusses architectures and algorithms for the development of computational systems, which are based on a microprocessor (custom or off-the-shelf), the set of application programs and a dedicated HW, used to increase the performance of the whole system. The goal of this work is to show that, nowadays, the division line between SW and HW is smooth, and the transition from one to the other can be achieved by the system designer using a specific CAD in order to obtain a trade-off between cost and performance. The CAD environment is presented, followed by routine classification and optimization methods based on the former classification to increase the performance of the system. Techniques devoted to systems based on dedicated Risc processors are showed next, to optimize certain type of programs. Positive results are shown for a set of examples. Since the Brazilian electronics market is strongly based on microcontrollers, the study and results of optimization techniques regarding this type of systems are also presented. The same techniques can be applied to dedicated processors as well. Results of this proposal are obtained for a set of real world examples. The last topic of this work regards the validation of computational systems, mainly those presented throughout this work.

Este trabalho propõe a geração de uma arquitetura dedicada a aplicações específicas, baseadas no microcontrolador MCS8051. Por ser utilizado na solução de problemas em indústrias locais, este processador foi escolhido para servir como base em um sistema dedicado. O 8051 dedicado gerado deverá permitir a integração completa do sistema, proporcionando um aumento do valor agregado e, conseqüentemente, a diminuição do custo. Busca-se com a otimização da arquitetura obter um conjunto de instruções reduzido, construído com as instruções mais utilizadas em cada aplicação. O objetivo principal da otimização do conjunto de instruções está relacionado ao fato de que os circuitos decodificadores e geradores de microcódigo da parte de controle ocupam uma área significativa do processador. Uma otimização no sentido de reduzir-se o conjunto de instruções, portanto, resulta numa economia de área, o que vem de encontro com a idéia da integração completa do sistema com o processador. Um processador dedicado a aplicações específicas (ASIP) irá possuir um custo maior do que a sua versão original, devido as otimizações realizadas. Para compensar este custo, uma alternativa a seguir é a integração completa do sistema. Um Sistema Integrado para Aplicações Específicas (SIAE) torna-se desejável, pois aumentando o valor agregado do circuito possibilita-se a redução do custo pela eliminação de conexões da placa, do encapsulamento de outros circuitos, entre outros motivos. Todavia, para que um SIAE possa ser construído com um custo aceitável, é necessário que seja construído em uma área que não exceda muito a área original do processador. Tenta-se fazer isto neste trabalho, através da implementação de aplicações com poucas instruções diferentes. Por ser uma arquitetura comercial, o 8051 possui um grande parque de software desenvolvido e resolvendo problemas. Isto pode ser considerado uma vantagem pois, software básicos como por exemplo, compiladores, já estão desenvolvidos. Outra vantagem é o grande número de engenheiros treinados na sua utilização. Desse modo, torna-se necessária a criação de uma compatibilidade de software, para preservar o que já está desenvolvido. Uma vez que a programação em nível de linguagem montadora tende a constituir-se em uma tarefa cansativa e sujeita a erros, é desejável que se tenha uma compatibilidade em alto nível, ou seja, através de um compilador. Para criar a compatibilidade de SW necessária é realizada a otimização de um compilador C desenvolvido para o 8051. A escolha pela linguagem C deve-se ao fato de sua grande utilização. O compilador C otimizado procura utilizar um conjunto de instruções reduzido para obter a economia de área. Quando uma instrução necessita ser utilizada e não está presente no conjunto de instruções desejado, o compilador tenta substituí-la por outra(s). Um conjunto de instruções é utilizado para cada aplicação, sendo constituído pelas instruções mais utilizadas por esta. Para determinar as instruções mais utilizadas de cada aplicação é realizada uma análise estática sobre um código em linguagem montadora previamente compilado. As instruções implementadas serão sempre parte do conjunto de instruções original do 8051, de modo que novas instruções não serão criadas.Um programa em linguagem montadora gerado com um conjunto de instruções reduzido (RISC) normalmente terá um número maior de instruções do que o seu 10 equivalente com o conjunto de instruções completo (CISC). Isto ocorre porque possivelmente algumas substituições de uma instrução por outras, terão que ser realizadas. Como as instruções que serão utilizadas nas substituições pertencem ao conjunto de instruções original, o programa gerado com o compilador otimizado poderá executar em um tempo maior do que se fosse compilado com o código CISC. Para compensar esse atraso foi implementado um pipeline de instruções para o 8051. Este trabalho apresenta resultados da Síntese Lógica em Standard Cell e FPGA da arquitetura otimizada. Além disso, resultados de programas em linguagem montadora gerados com o compilador otimizado, são também apresentados. / This work discusses a processor for specific applications architecture, based on the MCS8051 microcontroller. This processor is used as a solution for many local industry applications, being the base of dedicated systems. The dedicated 8051 generated should allow complete integration of the system, and with the added value to the chip, reduced costs. The architecture optimization will produce as result a reduced instruction set, made by the often used instructions for each application. The main instruction set optimization goal refers to the instrucions decoders and microcode generators in the control part, because a large area in the processor is needed to implement them. Thus, a reduced instruction set will allow area savings, making possible the complete system integration in a chip. An ASIP architecture will have a higher cost than the original one. An alternative to solve this problem is add value to the chip, creating an Application Specific Integrated System (ASIS). An ASIS can be made with a acceptable cost, if it’s possible to integrate other circuits to the chip without area increase. This can be done in the area saved by using fewer implemented instructions. Because the 8051 is a commercial architecture, there is a large amount of software developed for it. This can be considered an advantage because basic softwares like compilers are available, being not necessary to create them. Another advantage refers to the large number of engineers trained to use the 8051. To preserve the already developed applications it’s necessary to mantain software compatibility. Assembler level programming is very boring an error prone task, being desirable to have software compatibility at higher levels through the use of high level languages. To create the necessary SW compatibility, a C compiler developed for 8051 was optimized. The chose for C language refers to its large utilization. The optimized C compiler tries to use a reduced instruction set, formed with the most important instructions for each application, in order ro save area. When an instruction needs to be used in an application, and it’s not present in the instruction set, the compiler tries to replace it with other instructions. The compiler will not use instructions not present in the original 8051 instruction set. So, new instrucions will be not created. To create an instruction set formed with the most important instructions for each application, a static analysis is made on a precompiled assembler source. An assembler source generated with a reduced instruction set (RISC) will probably have more instructions than the same assembler generated with a full instruction set (CISC). This can be explained because of the replacements instruction. If one instruction is replaced by other two, and these are from the original instruction set, probably the time needed to execute them would be higher. In order to deal with this problem, an instruction pipeline was implemented to the 8051. This work presents Standard Cells and FPGA results of Logic Synthesis of the optimized architecture. Also, assembly programs generated by the optimized compiler are presented.

Este trabalho trata de arquiteturas e algoritmos para o desenvolvimento de sistemas computacionais. Tais sistemas são constituídos de um microprocessador (específico ou comercialmente disponível), de seu conjunto de programas e de um HW dedicado que será utilizado para otimização do sistema. O objetivo principal desta tese é demonstrar que, presentemente, a linha divisória entre HW e SW e cada vez mais tênue, e a transição entre um e outro pode ser feita de maneira suave pelo projetista de sistemas, na busca de um ponto ótimo no balanço entre custo e desempenho. Apresenta-se em seqüência o ambiente de CAD, a classificação de rotinas e os métodos de otimização tendo em vista esta classificação para o aumento de desempenho de sistemas computacionais. A seguir são apresentadas técnicas para processadores dedicados de arquitetura Risc, visando a otimização de certos tipos de programas. Os resultados de aceleração são apresentados para um conjunto de exemplos. Tendo em vista o mercado nacional de eletrônica, fortemente baseado em microcontroladores, estudam-se e mostram-se possibilidades de otimização e integração de sistemas baseados em tais processadores, assim como a aplicabilidade das mesmas técnicas para processadores dedicados. A viabilidade técnica desta realização é discutida através de exemplos baseados em aplicações reais. Finalmente, a validação de sistemas computacionais, em especial aqueles trabalhados nesta tese, é discutida. / This work discusses architectures and algorithms for the development of computational systems, which are based on a microprocessor (custom or off-the-shelf), the set of application programs and a dedicated HW, used to increase the performance of the whole system. The goal of this work is to show that, nowadays, the division line between SW and HW is smooth, and the transition from one to the other can be achieved by the system designer using a specific CAD in order to obtain a trade-off between cost and performance. The CAD environment is presented, followed by routine classification and optimization methods based on the former classification to increase the performance of the system. Techniques devoted to systems based on dedicated Risc processors are showed next, to optimize certain type of programs. Positive results are shown for a set of examples. Since the Brazilian electronics market is strongly based on microcontrollers, the study and results of optimization techniques regarding this type of systems are also presented. The same techniques can be applied to dedicated processors as well. Results of this proposal are obtained for a set of real world examples. The last topic of this work regards the validation of computational systems, mainly those presented throughout this work.

This thesis investigates the feasiblity of using a new microcontroller architecture, the XMOS XS1, in the research and development of control standards for audio distribution networks. This investigation is conducted in the context of an emerging audio distribution network standard, Ethernet Audio/Video Bridging (`Ethernet AVB'), and an emerging audio control standard, AES-64. The thesis describes these emerging standards, the XMOS XS1 architecture (including its associated programming language, XC), and the open-source implementation of an Ethernet AVB streaming audio device based on the XMOS XS1 architecture. It is shown how the XMOS XS1 architecture and its associated features, focusing on the XC language's mechanisms for concurrency, event-driven programming, and integration of C software modules, enable a powerful implementation of the AES-64 control standard. Feasibility is demonstrated by the implementation of an AES-64 protocol stack and its integration into an XMOS XS1-based Ethernet AVB streaming audio device, providing control of Ethernet AVB features and audio hardware, as well as implementations of advanced AES-64 control mechanisms. It is demonstrated that the XMOS XS1 architecture is a compelling platform for the development of audio control standards, and has enabled the implementation of AES-64 connection management and control over standards-compliant Ethernet AVB streaming audio devices where no such implementation previously existed. The research additionally describes a linear design method for applications based on the XMOS XS1 architecture, and provides a baseline implementation reference for the AES-64 control standard where none previously existed.

CubeSats are becoming a game changer in the space industry. Appearing first for univer-sity mission, its popularity is increasing for commercial use and for deep space missionssuch as the on HERA mission that will orbit in 2026 around an asteroid as part of aplanetary defence mission. Standardisation and industrial collaboration is key to a fastdevelopment, assuring the product quality and lower development expenditures.In this study the focus is set elaborating a low cost demonstrator platform to be usedfor developing and testing onboard software on physical hardware: a Hardware-Softwaretesting facility. The purpose of such a platform is to create an interactive and accessibleenvironment for developing on board software. The application chosen to be elaboratedon this platform is a module the subsystem of attitude and orbit control of the satelliteorbiting around asteroid.In order to create this platform the simulation of the asteroid environment of theCubeSat has been made using open source software libraries. During this task the per-formance of open source libraries has been compared to commercial alternatives. In thedevelopment of simulation different orbit perturbations have been studied by modellingthe asteroid as a cube or spheroid and additionally the effect of a third perturbing bodyand radiation pressure.As part of this project two microcontroller have been set up communicating using acommunication bus and communication protocols used for space applications to simulatehow the attitude and orbit control is commanded inside the CubeSat.

The Thesis provides the project and realization of non-linear system, consisting of direct electric motor and dynamo that are linked together with flexible connector. Firstly, there are decscribed the principles of turns control in direct motor. Secondly, the thesis shows the construction of operating panel with microcontroller PIC16F877. Finally, the last part brings the evaluation of mesurements and suggests various improvements of the operational panel.

This report is about implementing a real-time monitoring water qualitysystem to measure water quality autonomously in any water environment.The purpose of collecting data is to analyze the results and build a clearpicture to move quickly to find solutions in the event of pollution or any otherdangerous circumstances. The report explains the submarine system thatconnects to the winch system, part of the primary system.Two Raspberry Pi microcontrollers and sensors are used to collect the data.Serial connection is used to build communication between themicrocontrollers in order to transfer data between them. The focus area of thewhole project is the communication part since the prototype’s design is not apart of this thesis. Storing the collected data happens in the centralmicrocomputer in a CSV file. However, it should be stored in a databaseserver to take advantage of this data in the fastest way possible. / Den här rapporten handlar om att implementera ett vattenkvalitetssystem förövervakning i realtid för att mäta vattenkvaliteten självständigt i vilkenvattenmiljö som helst. Syftet med att samla in data är att analysera resultatoch bygga upp en tydlig bild för att snabbt kunna hitta lösningar i händelseav föroreningar eller andra farliga omständigheter. Rapporten förklararubåtssystemet som ansluter till vinschsystemet, en del av det primärasystemet.Två Raspberry Pi-mikrokontroller och sensorer används för att samla in data.Seriell anslutning används för att bygga kommunikation mellanmikrokontrollerna för att överföra data mellan dem. Fokusområdet för helaprojektet är kommunikationsdelen eftersom design av prototypen inte är endel av detta arbete. Lagring av insamlade data sker i den centrala mikrodatorni en CSV-fil. Det bör dock sparas i en databasserver för att dra resultat ochslutsatser av denna data på snabbast möjliga sätt.

Sensors have been an integral part of our life since a long time. Traditionally, the transmit information to a data collection center through a physical wire. However, with the introduction of Bluetooth Low Energy (BLE) communication protocol, more research is being done into the field of wireless sensor networks (WSN). BLE was introduced to target low power applications. The CC2650 Launchpad designed by Texas Instruments (TI) can lead to a bulky final product. The aim was to design hardware for the CC2650 micro-controller with the aim of making it more compact for use in WSNs. A top-down approach was used wherein the available product is studied to identify the redundant and reverse engineer it to design a new product. A 2 layer printed circuit board (PCB) was designed which resulted in a 64 percent decrease in size compared to the Launchpad. Also, experiments were performed to test the proof of concept.

In the industrial world, ensuring safety and operational efficiency, along with constant performance improvement, is of great importance. To achieve these goals, constant measurement of the parameters, such as vibration and sound, and monitoring of the system’s behavior are necessary. This master thesis will focus on the performance of the rotary parts of the machinery. Traditionally, human inspection and manual assessment are used to outline conclusions about the behavior and condition of the machine. Testing of the rotary parts involves analyzing audio signals by manual assessment. This thesis will focus on the vibrations produced by these parts and investigate ways to optimize the assessment of rotating systems. Utilizing the numerous advantages of embedded systems, in this case, STM32 microcontrollers, this master’s thesis explores signal processing methods such as the fast Fourier transform and Morlet wavelet transform. The detailed approach to applying both methods to analyze the data from the rotating system is described. It shows that both methods are good for detecting defects in rotating machinery, and the decision on which method to choose depends on the nature of the vibration signal as well as the nature of the faults that may occur. If machinery faults manifest in the form of periodic signals, the fast Fourier transform is a better option because it is more efficient and better for real-time systems, but for non-periodic faults, the Morlet wavelet transform is preferred. Additionally, through experimental analysis, this thesis gives new ideas on where to put sensors on rotating machines to get the best results. It shows that the sensors should be mounted close to the vibration source, on a flat surface and in the direction of the vibrations. This thesis lays a solid foundation for automating fault detection in rotating machinery, showing how to collect and analyze data that can be used for future implementation of machine learning models for predictive maintenance.