[pt] O objetivo deste trabalho é estudar, propor e implementar uma ferramenta que permita a experimentação com arquiteturas que sigam o paradigma de Processadores de Rede - Network Processors (NP). Com esse intuito, foi implementada uma biblioteca de objetos genéricos que permite emular os diversos componentes de hardware (tais como memórias, registradores, unidades de controle, unidades lógico-aritméticas, etc.) presentes em arquiteturas especificas para o processamento de protocolos. A conjunção desses componentes permite gerar máquinas virtuais que podem ser exercitadas para testar ou verificar o funcionamento das mais diversas operações nesses ambientes. Além da biblioteca, são apresentados três estudos de casos distintos: o primeiro mostrando um processador criado para teste e os outros dois implementam arquiteturas baseadas no processador MCS85 e no núcleo ARM do Processador IXP, todos com o intuito de validar e mostrar a utilidade prática da ferramenta. / [en] The aim of this work is to study, propose and implement a tool that allows the experimentation with architectures that follow the Network Processors (NP) paradigm. A generic object library was implemented, allowing the emulation of the various hardware components, such as memories, registers, arithmetic-and-logical units, control units etc., that are commonly used within specific architectures for protocol processing. The integrated usage of these components will provide an environment where virtual machines can be created and tested to verify the behavior of many different operations. Besides the library itself, three use cases are presented to validate and show the utility of the tool: the first is an implementation of a processor created just for the sake of testing and the other two are implementations of architectures based on the MCS85 processor and on the ARM kernel of the Intel IXP Network Processor.

O grande aumento da capacidade de integração de transistores em um único circuito integrado tem exigido grande e constante evolução na metodologia de projeto e práticas de implementação de sistemas eletrônicos embarcados. Tal capacidade de integração resultou no surgimento de sistemas sobre silício (SoCs). O projeto de tais sistemas, mais complexos que seus predecessores, alteram significativamente os fluxos tradicionais de concepção de sistemas, fazendo surgir estratégias tais quais reuso, projetos orientados a plataformas, assim como modelagens e simulações em diferentes níveis de abstração. Um dos diferentes níveis de abstração estudados é o analítico, onde os sistemas são modelados através de representações abstratas. A adoção de modelos analíticos apresenta vantagens, como alta velocidade de execução (permitindo um grande número de análises de modelos diferentes) e facilidade de alteração. No entanto, por se tratarem de modelagens distantes, em termos de abstração, de implementações reais, podem oferecer prognósticos não exatos. Faz-se então necessária a investigação de metodologias que tenham como propósito o aperfeiçoamento de tais modelos em termos de acurácia e fidelidade. O presente trabalho apresenta uma metodologia de modelagem analítica para avaliação de desempenho de sistemas-sobre-silício orientada a aplicação de processadores de redes de pacotes. A metodologia de Network Calculus, a ser implementada nos estágios iniciais de projeto de sistemas-sobre-silício baseados em plataforma, contribui para reduzir o espaço de avaliação de projeto. Trata do equacionamento analítico de representações abstratas das cargas de entrada e também da capacidade de processamento de recursos, visando obter prognósticos mais pessimistas e mais otimistas de parâmetros como latência, requisição de buffer e utilização do sistema, descrito de modo abstrato através de grafos. / The great increase in terms of integration capacity of transistors on integrated circuits has demanded great and constant evolution in the design methodology and practical implementation of embedded electronic systems. Such capacity of integration resulted in the sprouting of systems-on-chips (SoCs). The design of such systems, more complex than their predecessors, significantly changes the traditional flow in the conception of systems, bringing up strategies such like reuse, platform based design, as well as modeling and simulation in different abstraction levels. One of the different abstraction levels under study is the analytical one, where the systems are shaped through abstract representations. The adoption of analytical models presents advantages, such as high speed of execution (allowing a great number of analyses of different models) and easiness for alteration. However, due to their distant representation models, in terms of abstraction, from real implementations, they cannot offer accurate prognostics on several design metrics. Therefore, it is necessary the investigation on methodologies aiming to the enhancement of such models in terms of accuracy and fidelity. The present work shows a methodology of analytical modeling for evaluation of system-on-chip performance guided to the application of network processors of packages. The methodology of Network Calculus, to be implemented in the initial steps of of system-on-chip´s design cycle, contributes to reduce the design space exploration. It deals with the building of analytical equations for abstract representations of workloads and also the processing capacity of resources, aiming at to get most pessimistic and most optimistic prognostics of parameters such like latency, buffer requirements and the system utilization, described in abstract way through graphs.

O grande aumento da capacidade de integração de transistores em um único circuito integrado tem exigido grande e constante evolução na metodologia de projeto e práticas de implementação de sistemas eletrônicos embarcados. Tal capacidade de integração resultou no surgimento de sistemas sobre silício (SoCs). O projeto de tais sistemas, mais complexos que seus predecessores, alteram significativamente os fluxos tradicionais de concepção de sistemas, fazendo surgir estratégias tais quais reuso, projetos orientados a plataformas, assim como modelagens e simulações em diferentes níveis de abstração. Um dos diferentes níveis de abstração estudados é o analítico, onde os sistemas são modelados através de representações abstratas. A adoção de modelos analíticos apresenta vantagens, como alta velocidade de execução (permitindo um grande número de análises de modelos diferentes) e facilidade de alteração. No entanto, por se tratarem de modelagens distantes, em termos de abstração, de implementações reais, podem oferecer prognósticos não exatos. Faz-se então necessária a investigação de metodologias que tenham como propósito o aperfeiçoamento de tais modelos em termos de acurácia e fidelidade. O presente trabalho apresenta uma metodologia de modelagem analítica para avaliação de desempenho de sistemas-sobre-silício orientada a aplicação de processadores de redes de pacotes. A metodologia de Network Calculus, a ser implementada nos estágios iniciais de projeto de sistemas-sobre-silício baseados em plataforma, contribui para reduzir o espaço de avaliação de projeto. Trata do equacionamento analítico de representações abstratas das cargas de entrada e também da capacidade de processamento de recursos, visando obter prognósticos mais pessimistas e mais otimistas de parâmetros como latência, requisição de buffer e utilização do sistema, descrito de modo abstrato através de grafos. / The great increase in terms of integration capacity of transistors on integrated circuits has demanded great and constant evolution in the design methodology and practical implementation of embedded electronic systems. Such capacity of integration resulted in the sprouting of systems-on-chips (SoCs). The design of such systems, more complex than their predecessors, significantly changes the traditional flow in the conception of systems, bringing up strategies such like reuse, platform based design, as well as modeling and simulation in different abstraction levels. One of the different abstraction levels under study is the analytical one, where the systems are shaped through abstract representations. The adoption of analytical models presents advantages, such as high speed of execution (allowing a great number of analyses of different models) and easiness for alteration. However, due to their distant representation models, in terms of abstraction, from real implementations, they cannot offer accurate prognostics on several design metrics. Therefore, it is necessary the investigation on methodologies aiming to the enhancement of such models in terms of accuracy and fidelity. The present work shows a methodology of analytical modeling for evaluation of system-on-chip performance guided to the application of network processors of packages. The methodology of Network Calculus, to be implemented in the initial steps of of system-on-chip´s design cycle, contributes to reduce the design space exploration. It deals with the building of analytical equations for abstract representations of workloads and also the processing capacity of resources, aiming at to get most pessimistic and most optimistic prognostics of parameters such like latency, buffer requirements and the system utilization, described in abstract way through graphs.

[pt] O principal objetivo desta dissertação consiste na geração de novas funcionalidades inteligentes em redes ópticas associadas aos protocolos IP e Gigabit Ethernet, através da utilização de circuitos integrados programáveis operando na taxa do Gigabit. A padronização Ethernet é apresentada através das camadas PHY e MAC, destacando suas funções, interfaces e os tipos de chips disponíveis no mercado. A camada PHY do padrão Ethernet para meios ópticos é detalhada. Algumas tecnologias de chips são discutidas, entre elas o crescimento dedicado, os ASICs, as NPUs e as tecnologias programáveis: FPGAs e CPLDs. O conceito de inteligência óptica e o perfil de camadas equivalentes associados a este conceito são introduzidos. Um novo elemento de rede dedicado à inserção de sinalização na camada óptica é apresentado, destacando-se sua estrutura, sua realização, seu detalhamento para utilização em redes. Diversas montagens experimentais com o elemento desenvolvido são utilizadas para demonstrar as características do sistema, entre elas a eficiência da utilização da tecnologia de FPGAs e a transparência da inteligência na camada óptica para o padrão Ethernet. / [en] The main objective of this work is the generation of new functionalities in optical networks, associated to the Ethernet and IP protocols, by the use of programmable integrated circuits operating in Gigabit rates. The Ethernet standard is presented through its PHY and MAC layers, highlighting its functions, interfaces and the types of commercially available ICs. The Ethernet standard PHY layer for optical media is described. Some IC technologies are discussed, such as dedicated growth, ASICs, NPUs and the programmable technologies: FPGAs e CPLDs. The concept of built-in optical intelligence and a new layers model associated to it are presented. A new network element, dedicated to the insertion of signaling in the optical layer is also presented, and special attention is dedicated to its structure, to its implementation and to the aspects of its use in networks. Several experimental setups using the developed element are shown, demonstrating the characteristics of the system, particularly the efficiency obtained by the use of FPGA technology and the transparency of the optical intelligence with respect to the Ethernet standard.