The aim of this thesis is the acquisition of data from the AD converter and it’s transfer via the JESD204B interface to FPGA with the following transformation and transfer to PC through 100G Ethernet or PCI Express interface. The first part of the thesis is focused on the introduction to used technologies and hardware and analysis of the solution of this project. Second part of the thesis describes solution and it’s functionality. I created HDL design which allows to transfer data from AD converter using both of the interfaces mentioned above. I also created software application for OS Linux which allows to receive and store incoming data in PC. In the end, the results of the measurement using the converter board are presented and discussed.

This thesis deals with design and implementation of interconnection bus system for chips with FPGA technology. The system ensures both communication between internal components on a chip and their communication with other computer elements which are mapped to the host system memory. The buses are high-speed, full duplex and packet-oriented and their architecture is based on tree topology. The data width is configurable, individually for every bus part. Due to this feature, it is possible to build uniform hierarchical system of internal buses with different speed that interconnects differently fast components. Proposed interconnection system was implemented in VHDL language and it is utilized in the Liberouter project which is the part of CESNET research intention Programable Hardware.

The aim of this thesis was to design and implement PCI Express Bridge. The main purpose of this unit is to help application engineers who develop various FPGA based accelerators. The implemented unit transforms complex PCI Express based system bus interface to more common and scalable interface of internal bus for on-chip components interconnection. This allows engineers to focus on the development of their target applications, not on a complicated communication protocol. The unit was implemented in the VHDL language, synthesized for Virtex-5 based FPGAs as well as completely tested on ML555 and COMBOv2 cards. The acquired results show that the component reaches the throughput of 7 Gb/s, which is the theoretical limitation of underlying protocols.

L'objectif du projet, dont le travail présenté dans cette thèse est une partie, était de développer une caméra à rayons X ultra-rapide utilisant des pixels hybrides pour l'imagerie biomédicale et la science des matériaux. La technologie à pixels hybrides permet de répondre aux besoins des ces deux champs de recherche, en particulier en apportant la possibilité de sélectionner l'énergie des rayons X détectés et de les imager à faible dose. Dans cette thèse, nous présentons une caméra ultra-rapide basée sur l'utilisation de circuits intégrés XPAD3-S développés pour le comptage de rayons X. En collaboration avec l'ESRF et SOLEIL, le CPPM a construit trois caméras XPAD3. Deux d'entre elles sont utilisée sur les lignes de faisceau des synchrotrons SOLEIL et ESRF, et le troisième est installé dans le dispositif d'irradiation PIXSCAN II du CPPM. La caméra XPAD3 est un détecteur de rayons X de grande surface composé de huit modules de détection comprenant chacun sept circuits XPAD3-S équipés d'un système d'acquisition de données ultrarapide. Le système de lecture de la caméra est basé sur l'interface PCI Express et sur l'utilisation de circuits programmables FPGA. La caméra permet d'obtenir jusqu'à 240 images/s, le nombre maximum d'images étant limité par la taille de la mémoire RAM du PC d'acquisition. Les performances de ce dispositif ont été caractérisées grâce à plusieurs expériences à haut d'ebit de lecture réalisées dans le système d'irradiation PIXSCAN II. Celles-ci sont décrites dans le dernier chapitre de cette thèse.

Den snabbt växande utvecklingen av AI-baserade applikationer och den stora mängden data dessa applikationer behandlar ställer ökade krav på prestanda och optimering av datorsystemen. För att tillfredsställa de växande datorbehoven används hårdvaruacceleratorer som förbättrar databehandlingshastigheten genom att avlasta den befintliga utrustningen genom att hjälpa till med uppgifter och komplexa beräkningar. De befintliga lösningarna som används i dagsläget är kostsamma och MT-FoU på Umeå Universitetssjukhus efterfrågar därför en alternativ lösning i form av att kombinera mindre integrerande acceleratorer på ett större PCIe-kort. I detta examensarbete designas och implementeras en AI-accelerator bestående av fyra Google Coral Dual Edge TPU M.2 på ett 16x PCIe-kort. Arbetet genomfördes på MT-FoU och målet med examensarbetet var att undersöka om den tilltänkta konstruktionen kan förbättra prestandan hos AI-baserade system och fungera som ett billigare alternativ i verksamheten. Schemaritning och PCB-design utfördes i KiCad och information om gränssnitt och komponenter hämtades främst från tillverkares hemsidor och datablad. Kretsen består i huvudsak av fyra stycken M.2 E key kontaktdon, en 16port/16lane packetswitch och en 16x PCIe-anslutning. Switchen delar upp banorna från PCIe porten så att Edge TPU’erna kan anslutas parallellt i M.2 kontakterna. Edge TPU’erna använder pipelineparallellism för att fördela arbetsuppgifter på varje TPU så att större, mer komplexa program kan exekveras. Vid monteringen av kretskortet uppstod problem med fastlödningen av vissa komponenter. För att undvika att dessa problem uppstår och möjliggöra avlägsnandet av dessa felkällor bör montering istället beställas av fabrik där lödrobot finns tillgängligt. På grund av att tiden för kursen tog slut hann en sådan beställning inte göras och evaluering av den framtagna designen var därför inte möjlig att genomföra. Den design som togs fram var dock betydligt billigare än de existerande lösningarna och med pipelineparallellism förväntas designen kunna utföra komplexa beräkningar och därmed förbättra prestandan i befintliga system. / The rapidly growing development of AI-based applications and the large amount of data these applications process place increased demands on the performance and optimization of conventional computer systems. To satisfy these growing computing requirements, hardware accelerators are used to improve the data processing speed by offloading the existing equipment by executing models and complex calculations. The existing solutions currently used are costly and MT-R&D at Umeå University Hospital is therefore requesting an alternative solution by combining smaller integrating accelerators on a larger PCIe card. In this thesis, an AI accelerator using four Google Coral Dual Edge TPU M.2 on a 16x PCIe card is designed and implemented. The work was carried out at MT-R&D and the goal of the thesis was to investigate whether the intended design can improve the performance of AI-based systems and serve as a cheaper alternative in the institution. Schematic and PCB were designed in KiCad and information on interfaces and components was obtained from manufacturers' websites and data sheets. The circuit’s main components are four M.2 E key connectors, a 16port/16lane packet switch and a 16x PCIe connection. The switch divides the lanes from the PCIe port so that the Edge TPUs can be connected in parallel in the M.2 connectors. The Edge TPUs use pipeline parallelism to distribute models across each TPU so that larger, more complex programs can be executed. When assembling the circuit board, problems arose with the soldering of certain components. In order to avoid these sources of error, assembly should instead be ordered from a factory where a soldering robot is available. Due to the fact that the time for the course ran out, such an order could not be placed and evaluation of the design was therefore not possible to carry out. However, the design that was produced was significantly cheaper than the existing solutions and by using pipeline parallelism, the design is expected to be able to perform complex calculations and thus improve the performance of existing systems.

This master thesis will cover the prestudy, hardware selection, design and implementation of a PCI Express bridge in the M.2 form factor. The thesis subject was proposed by WISI Norden who wished to extend the functionality of their hardware using an M.2 module. The bridge fits an M-Key M.2 slot and has the dimensions 80x22 mm. It is able to communicate at speeds up to 8 Gb/s over PCI Express and 200 Mbit/s on any of the 20 LVDS/CMOS pins. The prestudy determined that an FPGA should be used and a Xilinx Artix-7 device was chosen. A PCB was designed that hosts the FPGA as well as any power, debugging and other required systems. Associated proof-of-concept software was designed to verify that the bridge operated as expected. The software proves that the bridge works but requires improvement before the bridge can be used to translate sophisticated protocols. The bridge works, with minor hardware modifications, as expected. It fulfills all design requirements set in the master thesis and the FPGA firmware uses a well-established protocol, making further development easier.

This work deals with the design and implementation of high-speed communication interfaces into FPGA chip and their utilizing for image transmission and processing. In the implementation part has been created PCI Express endpoint device, which provides data transfers between the FPGA chip and computer RAM memory. As a source of image data for further processing was connected the Unicam M621 camera throught the Ethernet interface to FPGA chip. The project was implemented on the Xilinx SP605 development board. Using both of the the interfaces were demonstrated on the application of edge detection using Sobel operator. The PCI Express endpoint device driver for the Linux operating system and a simple application interface in C language was also created within this project.

The NetCOPE framework has proven itself as a viable framework for rapid development of hardware accelerated wire-speed network applications using Network Functions Virtualization (NFV). To meet the current and future requirements of such applications the NetCOPE platform has to catch up with upcoming 400 Gigabit Ethernet. Otherwise, it may become deprecated in following years. Catching up with 400 Gigabit Ethernet brings many challenges bringing necessity of completely different way of thinking. Multiple network packets have to be processed each clock cycle requiring a new concept of processing. Advanced memory management is used to ensure constant memory complexity with respect to the number of DMA channels without any impact on performance. Thanks to that, even more than 256 completely independent DMA channels are feasible with current technology. A lot of effort was made to create the framework as generic as possible allowing deployment of 400 Gigabit Ethernet and beyond. Emphasis is put on communication between the framework and host computer via PCI Express technology. Multiple Ethernet ports are also considered. The proposed system is prepared to be deployed on the family of COMBO cards, used as a reference platform.

Existuje veľa rôznych dôvodov pre spoločnosti a organizácie, prečo by mali investovať do virtualizácie. Asi najväčší dôvod je finančná motivácia, pretože nasadenie virtualizácie môže ušetriť nemálo peňazí. Táto práca sa zaoberá práve problémom virtualizácie I/O operácií v sieťovom prostredí. Cieľom práce je tvorba softvérových ovládačov pre I/O virtualizáciu, ktoré by mohli pracovať s hardvérovo akcelerovanými sieťovými kartami. Hlavným prínosom ovládačov by mala byť použiteľnosť a čo najmenšia strata prenosového výkonu vo virtualizovanom prostredí. Pred popisom finálnych detailov ovládačov je však potrebné uviesť potrebné teoretické základy. Teoretická časť sa zaoberá súčasnými trendami vo virtualizácii I/O, technológiami ako sú virtio, vhost, SR-IOV, VFIO a mdev. V praktickej časti sú navrhuté dva spôsoby riešenia problému. Prvým je použitie technológie virtio (emulácia softvéru). Druhé je založené na technológii VFIO-mdev (hybridná paravirtualizácia). Pokiaľ sa jedná o výkon a konfigurovateľnosť zariadení, oba prístupy majú rôzne benefity. Tieto riešenia majú aj svoje nevýhody, ako je zložitosť riešenia a náročnosť integrácie do systému. Požadované ciele boli úspešne dosiahnuté vo forme prototypu ovládača nfb_mdev.

[ES] La electrofisiología extracelular es una técnica ampliamente usada en investigación neurocientífica, la cual estudia el funcionamiento del cerebro mediante la medición de campos eléctricos generados por la actividad neuronal. Esto se realiza a través de electrodos implantados en el cerebro y conectados a dispositivos electrónicos para amplificación y digitalización de las señales. De los muchos modelos animales usados en experimentación, las ratas y los ratones se encuentran entre las especies más comúnmente utilizadas. Actualmente, la experimentación electrofisiológica busca condiciones cada vez más complejas, limitadas por la tecnología de los dispositivos de adquisición. Dos aspectos son de particular interés: Realimentación de lazo cerrado y comportamiento en condiciones naturales. En esta tesis se presentan desarrollos con el objetivo de mejorar diferentes facetas de estos dos problemas. La realimentación en lazo cerrado se refiere a todas las técnicas en las que los estímulos son producidos en respuesta a un evento generado por el animal. La latencia debe ajustarse a las escalas temporales bajo estudio. Los sistemas modernos de adquisición presentan latencias en el orden de los 10ms. Sin embargo, para responder a eventos rápidos, como pueden ser los potenciales de acción, se requieren latencias por debajo de 1ms. Además, los algoritmos para detectar los eventos o generar los estímulos pueden ser complejos, integrando varias entradas de datos en tiempo real. Integrar el desarrollo de dichos algoritmos en las herramientas de adquisición forma parte del diseño experimental. Para estudiar comportamientos naturales, los animales deben ser capaces de moverse libremente en entornos emulando condiciones naturales. Experimentos de este tipo se ven dificultados por la naturaleza cableada de los sistemas de adquisición. Otras restricciones físicas, como el peso de los implantes o limitaciones en el consumo de energía, pueden también afectar a la duración de los experimentos, limitándola. La experimentación puede verse enriquecida cuando los datos electrofisiológicos se ven complementados con múltiples fuentes distintas. Por ejemplo, seguimiento de los animales o miscroscopía. Herramientas capaces de integrar datos independientemente de su origen abren la puerta a nuevas posibilidades. Los avances tecnológicos presentados abordan estas limitaciones. Se han diseñado dispositivos con latencias de lazo cerrado inferiores a 200us que permiten combinar cientos de canales electrofisiológicos con otras fuentes de datos, como vídeo o seguimiento. El software de control para estos dispositivos se ha diseñado manteniendo la flexibilidad como objetivo. Se han desarrollado interfaces y estándares de naturaleza abierta para incentivar el desarrollo de herramientas compatibles entre ellas. Para resolver los problemas de cableado se siguieron dos métodos distintos. Uno fue el desarrollo de headstages ligeros combinados con cables coaxiales ultra finos y conmutadores activos, gracias al seguimiento de animales. Este desarrollo permite reducir el esfuerzo impuesto a los animales, permitiendo espacios amplios y experimentos de larga duración, al tiempo que permite el uso de headstages con características avanzadas. Paralelamente se desarrolló un tipo diferente de headstage, con tecnología inalámbrica. Se creó un algoritmo de compresión digital especializado capaz de reducir el ancho de banda a menos del 65% de su tamaño original, ahorrando energía. Esta reducción permite baterías más ligeras y mayores tiempos de operación. El algoritmo fue diseñado para ser capaz de ser implementado en una gran variedad de dispositivos. Los desarrollos presentados abren la puerta a nuevas posibilidades experimentales para la neurociencia, combinando adquisición elextrofisiológica con estudios conductuales en condiciones naturales y estímulos complejos en tiempo real. / [CA] L'electrofisiologia extracel·lular és una tècnica àmpliament utilitzada en la investigació neurocientífica, la qual permet estudiar el funcionament del cervell mitjançant el mesurament de camps elèctrics generats per l'activitat neuronal. Això es realitza a través d'elèctrodes implantats al cervell, connectats a dispositius electrònics per a l'amplificació i digitalització dels senyals. Dels molts models animals utilitzats en experimentació electrofisiològica, les rates i els ratolins es troben entre les espècies més utilitzades. Actualment, l'experimentació electrofisiològica busca condicions cada vegada més complexes, limitades per la tecnologia dels dispositius d'adquisició. Dos aspectes són d'especial interès: La realimentació de sistemes de llaç tancat i el comportament en condicions naturals. En aquesta tesi es presenten desenvolupaments amb l'objectiu de millorar diferents aspectes d'aquestos dos problemes. La realimentació de sistemes de llaç tancat es refereix a totes aquestes tècniques on els estímuls es produeixen en resposta a un esdeveniment generat per l'animal. La latència ha d'ajustar-se a les escales temporals sota estudi. Els sistemes moderns d'adquisició presenten latències en l'ordre dels 10ms. No obstant això, per a respondre a esdeveniments ràpids, com poden ser els potencials d'acció, es requereixen latències per davall de 1ms. A més a més, els algoritmes per a detectar els esdeveniments o generar els estímuls poden ser complexos, integrant varies entrades de dades a temps real. Integrar el desenvolupament d'aquests algoritmes en les eines d'adquisició forma part del disseny dels experiments. Per a estudiar comportaments naturals, els animals han de ser capaços de moure's lliurement en ambients emulant condicions naturals. Aquestos experiments es veuen limitats per la natura cablejada dels sistemes d'adquisició. Altres restriccions físiques, com el pes dels implants o el consum d'energia, poden també limitar la duració dels experiments. L'experimentació es pot enriquir quan les dades electrofisiològiques es complementen amb dades de múltiples fonts. Per exemple, el seguiment d'animals o microscòpia. Eines capaces d'integrar dades independentment del seu origen obrin la porta a noves possibilitats. Els avanços tecnològics presentats tracten aquestes limitacions. S'han dissenyat dispositius amb latències de llaç tancat inferiors a 200us que permeten combinar centenars de canals electrofisiològics amb altres fonts de dades, com vídeo o seguiment. El software de control per a aquests dispositius s'ha dissenyat mantenint la flexibilitat com a objectiu. S'han desenvolupat interfícies i estàndards de naturalesa oberta per a incentivar el desenvolupament d'eines compatibles entre elles. Per a resoldre els problemes de cablejat es van seguir dos mètodes diferents. Un va ser el desenvolupament de headstages lleugers combinats amb cables coaxials ultra fins i commutadors actius, gràcies al seguiment d'animals. Aquest desenvolupament permet reduir al mínim l'esforç imposat als animals, permetent espais amplis i experiments de llarga durada, al mateix temps que permet l'ús de headstages amb característiques avançades. Paral·lelament es va desenvolupar un tipus diferent de headstage, amb tecnologia sense fil. Es va crear un algorisme de compressió digital especialitzat capaç de reduir l'amplada de banda a menys del 65% de la seua grandària original, estalviant energia. Aquesta reducció permet bateries més lleugeres i majors temps d'operació. L'algorisme va ser dissenyat per a ser capaç de ser implementat a una gran varietat de dispositius. Els desenvolupaments presentats obrin la porta a noves possibilitats experimentals per a la neurociència, combinant l'adquisició electrofisiològica amb estudis conductuals en condicions naturals i estímuls complexos en temps real. / [EN] Extracellular electrophysiology is a technique widely used in neuroscience research. It can offer insights on how the brain works by measuring the electrical fields generated by neural activity. This is done through electrodes implanted in the brain and connected to amplification and digitization electronic circuitry. Of the many animal models used in electrophysiology experimentation, rodents such as rats and mice are among the most popular species. Modern electrophysiology experiments seek increasingly complex conditions that are limited by acquisition hardware technology. Two particular aspects are of special interest: Closed-loop feedback and naturalistic behavior. In this thesis, we present developments aiming to improve on different facets of these two problems. Closed-loop feedback encompasses all techniques in which stimuli is produced in response of an event generated by the animal. Latency, the time between trigger event and stimuli generation, must adjust to the biological timescale being studied. While modern acquisition systems feature latencies in the order of 10ms, response to fast events such as high-frequency electrical transients created by neuronal activity require latencies under $1ms$. In addition, algorithms for triggering or generating closed-loop stimuli can be complex, integrating multiple inputs in real-time. Integration of algorithm development into acquisition tools becomes an important part of experiment design. For electrophysiology experiments featuring naturalistic behavior, animals must be able to move freely in ecologically meaningful environments, mimicking natural conditions. Experiments featuring elements such as large arenaa, environmental objects or the presence of another animals are, however, hindered by the wired nature of acquisition systems. Other physical constraints, such as implant weight or power restrictions can also affect experiment time, limiting their duration. Beyond the technical limits, complex experiments are enriched when electrophysiology data is integrated with multiple sources, for example animal tracking or brain microscopy. Tools allowing mixing data independently of the source open new experimental possibilities. The technological advances presented on this thesis addresses these topics. We have designed devices with closed-loop latencies under 200us while featuring high-bandwidth interfaces. These allow the simultaneous acquisition of hundreds of electrophysiological channels combined with other heterogeneous data sources, such as video or tracking. The control software for these devices was designed with flexibility in mind, allowing easy implementation of closed-loop algorithms. Open interface standards were created to encourage the development of interoperable tools for experimental data integration. To solve wiring issues in behavioral experiments, we followed two different approaches. One was the design of light headstages, coupled with ultra-thin coaxial cables and active commutator technology, making use of animal tracking. This allowed to reduce animal strain to a minimum allowing large arenas and prolonged experiments with advanced headstages. A different, wireless headstage was also developed. We created a digital compression algorithm specialized for neural electrophysiological signals able to reduce data bandwidth to less than 65.5% its original size without introducing distortions. Bandwidth has a large effect on power requirements. Thus, this reduction allows for lighter batteries and extended operational time. The algorithm is designed to be able to be implemented in a wide variety of devices, requiring low hardware resources and adding negligible power requirements to a system. Combined, the developments we present open new possibilities for neuroscience experiments combining electrophysiology acquisition with natural behaviors and complex, real-time, stimuli. / The research described in this thesis was carried out at the Polytechnic University of Valencia (Universitat Politècnica de València), Valencia, Spain in an extremely close collaboration with the Neuroscience Institute - Spanish National Research Council - Miguel Hernández University (Instituto de Neurociencias - Consejo Superior de Investigaciones Cientí cas - Universidad Miguel Hernández), San Juan de Alicante, Spain. The projects described in chapters 3 and 4 were developed in collabo- ration with, and funded by, Open Ephys, Cambridge, MA, USA and OEPS - Eléctronica e produção, unipessoal lda, Algés, Portugal. / Cuevas López, A. (2021). Development of Advanced Closed-Loop Brain Electrophysiology Systems for Freely Behaving Rodents [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/179718 / TESIS