A computação reconfigurável está se fortalecendo cada vez mais devido ao grande avanço dos dispositivos reprogramáveis e ferramentas de projeto de hardware utilizadas atualmente. Isso possibilita que o desenvolvimento de hardware torne-se bem menos trabalhoso e complicado, facilitando assim a vida do desenvolvedor. A tecnologia utilizada atualmente em projetos de computação reconfigurável é denominada FPGA (Field Programmable Gate Array), que une algumas características tanto de software (flexibilidade), como de hardware (desempenho). Isso fornece um ambiente bastante propício para desenvolvimento de aplicações que precisam de um bom desempenho, sem que estas devam possuir uma configuração definitiva. O objetivo deste trabalho foi implementar um barramento eficiente para possibilitar a comunicação entre diferentes CORES de um robô reconfigurável, que podem estar dispersos em diferentes dispositivos FPGAs. Tal barramento seguirá o padrão AMBA (Advanced Microcontroller Bus Architecture), pertencente à ARM. Todo o desenvolvimento do core completo do AMBA foi realizado utilizando-se a linguagem VHDL (Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language) e ferramentas EDAs (Electronic Design Automation) apropriadas. É importante notar que, embora o barramento tenha sido projetado para ser utilizado em um robô, o mesmo pode ser usado em qualquer sistema on-chip. / The reconfigurable computing is each time more fortified, what leads to a great advance of reprogrammable devices and hardware design tools. This has become hardware development less laborious and complicated, thus, facilitating the life of the designer. The technology currently used in projects of reconfigurable computing is called FPGA (Field Programmable Gate Array), which combines some characteristics of software (flexibility) and hardware (performance). This technology provides a propitious environment to the development of applications that need a good performance. Those that don’t need a definitive configuration. The purpose of this work was to implement an efficient bus to make possible the communication among different modules of a reconfigurable robot. This bus is based on a bus standard called AMBA (Advanced Microcontroller Bus Architecture), which belongs to ARM. All the development of full AMBA core was carried through using VHDL (Very High Speed Integrated Circuit the Hardware Description Language) language and appropriated EDA (Electronic Design Automation) tools. It is important to notice that, even so the bus have been projected to be used in a robot, it could be used in any system on-chip.

A maioria dos sistemas embarcados hoje desenvolvidos utilizam complexos sistemas eletrônicos integrados em um único chip, os Systems-on-a-Chip (SoC). A análise do comportamento de uma aplicação em execução, ou seja, o profiling nesses sistemas não é uma tarefa trivial em virtude da complexidade dos SoCs e pela restrição de ferramentas de profiling adequadas. Neste contexto, este trabalho apresenta o P2L, uma ferramenta de profiling que se baseia em métricas de nível de instrução e função para o processador LEON3. O P2L fornece estatísticas detalhadas de uso do processador, memórias e barramento de programas em execução sem uso de instrumentação. A ferramenta é composta por um componente em hardware e drivers e aplicativos em software. Os resultados mostram que o P2L fornece medidas com erro inferior a 1% e overhead desprezível quando comparado ao tempo de execução nativa do programa e ao do profiler GNU gprof. / Most embedded systems developed today use complex electronic systems integrated into a single chip, the Systems-on-a-Chip (SoC). The analysis of the behavior of a running application or profiling in these systems is not a trivial task due to the complexity of the SoC and the restriction of appropriate profiling tools. In this context, this work presents P2L - a profiling tool that is based on instruction and function level metrics for the LEON3 processor. P2L provides detailed usage statistics of the processor, memories, and bus of running programs without the use of instrumentation. The tool consists of a component in hardware, drivers and applications software. The results show that P2L provides measures with an error less than 1% and negligible overhead compared to native runtime program and the GNU profiler gprof.

Localização e Mapeamento são problemas fundamentais da robótica que vêm sendo estudados exaustivamente pela comunidade científica para a navegação de robôs móveis. A maior parte das pesquisas estão concentradas em implementações para computadores pessoais, mas pouco se tem feito na área de computação embarcada. Este trabalho mostra a análise e implementação em FPGA de um algoritmo de localização para ambientes dinâmicos composto por um filtro de partículas, e também de um algoritmo de mapeamento baseado na técnica de scan matching. Os algoritmos originais desenvolvidos em linguagem de programação C foram analisados e modificados para uma abordagem embarcada (embedded) em robôs reconfiguráveis utilizando-se o processador Nios II da Altera. Os algoritmos são comparados quanto ao desempenho, no intuito de servir como referência no futuro desenvolvimento da ferramenta de codesign autom´atico ARCHITECT+ / Localization and Mapping are fundamental robot navigation problems wich currently has been exaustily studied by scientific comunity. Most of research is concentrated on implementation for personal computers, and the robot navigation is done on static environment. But, these algorithms can not be directly applied for embedded solutions on dynamic environments. This work shows an analysis and implementation on FPGA of a localization algorithm for dynamic environments composed of a particle filter, and by an mapping algorthm known as scan matching. The original algorithm devoloped on C programming language for PCs are analised and modified for an embedded approach to mobile robots using Altera Nios II processor. Both C and embedded algorithms are compared within performance, to serve as reference on a future developement of automatic codesign tool ARCHITECT+

A tendência de integração de diversos componentes em um único chip tem proporcionado um aumento da complexidade dos sistemas computacionais. Tanto as indústrias quanto o meio acadêmico estão em busca de técnicas que possibilitem diminuir o tempo e o esforço gastos com a verificação no processo de desenvolvimento de hardware, a fim de garantir qualidade, robustez e confiabilidade a esses dispositivos. De forma a contribuir para várias aplicações envolvendo a verificação de sistemas, tais como busca por erros de projeto, avaliação de desempenho, otimização de algoritmos e extração de dados do sistema, o presente trabalho propõe um sistema de monitoramento baseado em computação reconfigurável, capaz de observar de forma não intrusiva o comportamento de um SoC (System-on-Chip) em tempo de execução. Tal sistema é composto por um módulo de monitoramento responsável por captar informações de execução de software em um processador embarcado e uma ferramenta de análise, chamada ACAD, que interpreta esses dados. Por meio da realização de experimentos, verificou-se que o sistema desenvolvido foi capaz de fornecer dados fiéis sobre a quantidade de acessos a memória ou a outros periféricos, tempos de execução de porções (ou a totalidade) do código e número de vezes que cada instrução foi executada. Esses resultados permitem traçar, de maneira precisa, o comportamento de um software executado no processador softcore Nios II, contribuindo assim para facilitar o processo de verificação em sistemas baseados em computação reconfigurável / The trend of integrating several components on a single chip has motivated an increase in the complexity of computing systems. Both industry and academy are in search of new techniques that allow time and effort spent with verification on hardware development process to be reduced to guarantee quality, robustness, reability to these devices. In order to contribute to applications in the system verification area, such as search for design errors, performance evaluation, algorithm optimization and data extraction from the system, this work proposes a monitoring system based on reconfigurable computing. This system must be able to have a run-time non-intrusive probing of a System-on-Chip behaviour. It is formed by a monitoring core responsible for capturing software execution information of a embedded processor and an analysis tool, called ACAD, that decodes the data. Empirically, the implemented system was able to provide precise data about the amount of memory and other peripherals accesses, time measurement for sections (or the entire) of the source code, and number of times each instruction was executed. These results allow to draw, in accurate way, the behaviour of a software executed on the softcore Nios II processor, collaborating to make the verification process of systems based on reconfigurable computing easier

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um processador open source baseado no processador Nios II da Altera. O processador desenvolvido permite a customização de instruções, a inclusão de componentes que possibilitem um estudo detalhado da memória cache, tal como um monitor de cache, definir o tamanho da cache, dentre outras características. Além disso, o processador é baseado na arquitetura do Nios II e implementa 90% do ISA do Nios II, o mesmo está integrado aos ambientes Qsys e SOPC Builder da ferramenta Quartus II da Altera, sendo possível utilizar todo o conjunto de IP (Propriedade Intelectual) e ferramentas disponíveis pela Altera. Assim, este trabalho tem como propósito colaborar com o desenvolvimento de arquiteturas de hardware com uma unidade de processamento configurável e customizável facilmente pelo usuário, uma vez que o seu código fonte em Bluespec SystemVerilog está aberto a todos os usuários, diferente do Nios II da Altera, que tem o código encriptado, inviabilizando fornecer qualquer mudança no processador a nível RTL (Register Transfer Level ). Para o desenvolvimento do processador foi utilizada a Linguagem de Descrição de Hardware Bluespec SystemVerilog, pelo fato de ser uma ESL (Electronic System Level ) que acelera o processo de desenvolvimento de hardware / This work presents the development of an open source based Nios II processor from Altera. The developed processor allows custom instructions, use of components that allows a detailed study of the cache memory, among other features. In addition, the processor is based on the Nios II architecture, which can be integrated into the Qsys and SOPC Builder of the Altera Quartus II environment tool as well as use the entire set of IP (Intellectual Property) and tools available from Altera. This work contributes to the development of hardware architectures with a processing unit configurable and easily customizable by the user, since its source code in Bluespec SystemVerilog is open to all users, other than the Nios II from Altera which has encrypted code, making it impossible to do any changes in the processor at RTL (Register Transfer level) level. For the development of the processor hardware the description language Bluespec SystemVerilog was used, which is an ESL (Electronic System Level) that speeds up the development of the hardware

Sistemas Dinamicamente Reconfiguráveis (SDRs) tem sido aceitos como alternativa importante para diminuir os custos de circuitos digitais. Porém, eles adicionam novas dimensões no projeto de Sistemas sobre Silício (System-On-Chip, SoC). Apesar de novas metodologias terem sido propostas por fabricantes de FPGA para lidar com a complexidade deste tipo de circuitos, as soluções ainda são muito específicas. Considerando-se que o uso de recursos de comunicação robustos em SoCs complexos atuais é generalizado, os meios de comunicação estruturados, como rede Intrachips (Network-On-Chip, NoCs), foram incluídas em sistemas dinamicamente reconfiguráveis, gerando-se arquiteturas de SDRs baseadas em NoCs, ou de SDR-NoCs. Arquiteturas de SDR-NoCs podem ser simples ou complexas. As arquiteturas de SDR-NoCs simples são aquelas com topogias regulares e diretas e Módulos Processantes (MPs) homogêneos. As arquiteturas de SDR-NoCs complexas são aquelas com topologias irregulares e indiretas com MPs heterogêneos. O mapeamento é a fase no fluxo de projeto do SoC que visa encontrar a melhor localização das unidades de processamento da aplicação junto à topologia da NoC, de tal forma que as métricas de interesse podem ser otimizadas. O problema do posicionamento lida com a alocação otimizada de recursos (cores) dentro do dispositivo reconfigurável. No mapeamento de SDR-NoCs, a capacidade de reconfiguração no tempo acrescenta uma nova dimensão ao problema de mapeamento, uma vez que diferentes cores são atribuídos ao mesmo roteador, mas estão presentes no dispositivo em momentos distintos. Para arquiteturas de SDR-NoCs complexas, o problema de mapeamento está fortemente associado ao problema do posicionamento e convém tratá-los em conjunto. Até o presente momento, o problema de mapeamento e posicionamento para SDR-NoCs não tem sido tratados adequadamente. Neste trabalho são apresentadas soluções para o mapeamento e/ou posicionamento de MPs para arquiteturas SDR-NoCs tanto simples quanto complexas. Primeiramente, uma estratégia de mapeamento é proposta para arquiteturas simples, de uma forma que torna possível a utilização de estratégias de mapeamento clássicas anteriores (sem reconfiguração) para SDRs. Os resultados mostram a redução de até 38%, no atraso médio da NoC e de até 41% de economia de energia comparando a melhor solução com a média de soluções aleatórias. Em uma segunda fase, o problema de mapeamento e posicionamento são tratados em conjunto para arquiteturas SDR-NoCs complexas: uma formalização do problema é proposta e um algoritmo exato, semi-exaustivo, é implementado e utilizado para a a sua análise. Devido à alta complexidade do problema, um segundo algoritmo genético (Genetic Algorithm, GA) foi implementado para que casos maiores possam ser resolvidos. Vários tipos de crossover e metodologias de GAs são comparadas para se obter a melhor solução. Os resultados mostram que a melhor solução GA obteve, em média, custos de comunicação com 4% de penalidade quando comparada com a melhor solução, sendo que o algoritmo apresenta bons tempos de execução. / Dynamic Reconfigurable Systems (DRSs) have been accepted as an important alternative for lowering costs of digital circuits. However, they add new dimensions to the system-on-chip (SoC) design space. Although new methodologies have been proposed by Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) manufacturers to deal with the increased design complexity in this class of circuits, solutions to the algorithmic and block level design are still very ad-hoc. Considering the generalized use of robust communication resources in current complex SoCs, structured communication means, as network-on-chips (NoCs), have been included in dynamic reconfigurable systems generating DRSs based on NoCs, or DRS-NoCs, under different architectures. DRS-NoC architectures can be simple or complex. Simple DRS-NoCs architectures refer to regular and direct NoC topologies, with homogeneous Processing Modules (PMs). Complex DRS-NoCs architectures refer to irregular and undirected NoC topologies, with heterogeneous MPs. Mapping is the step in the SoC design flow which aims to find the best topological location for the application processing units onto the NoC topology, such that the metrics of interest can be greatly optimized. The placement problem deals with the optimized allocation of resources (cores) inside the reconfigurable device. In DRS-NoCs mapping, the on-going reconfiguration capability adds a new dimension to the mapping problem, since different cores are assigned to the same router, but being present in the in the logic fabric in separate moments. Furthermore, in complex DRS-NoC architectures the mapping problem is strongly associated with the placement one, and they should be dealt concurrently. To the date, the mapping and placement problems have not been properly addressed for those kind of architectures. In this work solutions are presented for hardware core placement and/or mapping for both simple and complex DRS-NoC architectures. Firstly, a mapping strategy is proposed for simple architectures, in a way that makes it possible to use previous classic mapping strategies (without reconfiguration) for DRSs. Results show reductions up to 38% on the average NoC delay and up to 41% of energy saving when comparing the best solution with average random solutions. In the second phase, the mapping and placement problems are dealt concurrently for DRS-NoC complex architectures: the problem formalization is proposed and for its analysis, an exact, and semi-exaustive, algorithm is implemented and applied. Due to the high complexity associated to the problem, an Genetic Algorithm (GA) was implemented to deal with larger cases. Several GAs crossovers and methodologies are compared for obtaining the best solution. Results show that best GA solution obtained, in average, communication costs with 4% of penalty when compared with best solution. In addition, the algorithm presents low execution times.

Nos últimos anos, houve um grande avanço na computação reconfigurável, em particular em hardware que emprega Field-Programmable Gate Arrays. Porém, esse aumento de capacidade e desempenho aumentou a distância entre a capacidade de projeto e a disponibilidade de tecnologia para o desenvolvimento do projeto. As linguagens de programação imperativas de alto nível, como C, são mais apropriadas para o desenvolvimento de aplicativos complexos que as linguagens de descrição de hardware. Por isso, surgiram diversas ferramentas para o desenvolvimento de hardware a partir de código em C. A ferramenta ChipCflow, da qual faz parte este projeto, é uma delas. A execução dos programas por meio dessa ferramenta será completamente baseada em seu fluxo de dados, seguindo o modelo dinâmico encontrado nas arquiteturas de computadores a fluxo de dados, aproveitando ao máximo o paralelismo considerado natural desse modelo e as características do hardware parcialmente reconfigurável. Neste projeto em particular, o objetivo é a prova de conceito (proof of concept) para a criação de instâncias, em forma de operadores, de um algoritmo ChipCflow em hardware parcialmente reconfigurável, tendo como base a plataforma Virtex da Xilinx / In recent years, reconfigurable computing has become increasingly more advanced, especially in hardware that uses Field-Programmable Gate Arrays. However, the increase of performance in FPGAs accumulated the gap between design capacity and technology for the development of the design. Imperative high-level programming languages such as C are more appropriate for the development of complex algorithms than hardware description languages (HDL). For this reason, many ANSI C-like programming tools for the development of hardware came to existence. The ChipCflow project, of which this project is part, is one of these tools. The execution of algorithms through this tool will be completely directed by data flow, according to the dynamic model found on Dataflow Architectures, taking advantage of its natural high levels of parallelism and the characteristics of the partially reconfigurable hardware. In this project, the objective is a proof of concept for the creation of instances, in the form of operators, of a ChipCflow algorithm on a partially reconfigurable hardware, taking as reference the Xilinx Virtex boards

Este projeto apresenta uma metodologia aplicada à análise da viabilidade de se otimizar código fonte C para o processador embarcado Nios II. Esta metodologia utiliza ferramentas de análise de código que traçam o perfil da aplicação, identificando suas partes críticas em relação ao tempo de execução, as quais são o gprof e o performance counter. Para otimizar o código para o processador Nios II, são utilizadas tanto instruções customizadas quanto uma ferramenta automática de aceleração de código, o compilador C2H. Como casos de estudo, foram escolhidos três algoritmos devido à sua importância no campo da robótica móvel, sendo eles o gaxpy, o EKF e o SIFT. A partir da aplicação da metodologia para se otimizar cada um dos casos, foi comparada a eficiência tanto das ferramentas de análise de código, quanto das ferramentas de otimização, bem como a validade da metodologia proposta / This project presents a methodology applied to analyze the viability of C source code optimization for the Nios II embedded processor. This methodology utilizes the gprof and performance counter source code analysis tools to profile the source code of an application, and identify its critical time consuming parts. The optimization of C source code for the Nios II processor was performed using custom instructions and an automatic source code acceleration tool, the C2H compiler. Three algorithms were chosen as study cases, based on their importance to mobile robotics. Those were the gaxpy, EKF and SIFT algorithms. After applying the presented methodology to optimize each study case, efficiency comparisons were made between the source code analysis tools, as well between the optimization tools, in order to validate the presented methodology

Fontes radioativas possuem radionuclídeos. Um radionuclídeo é um átomo com um núcleo instável, ou seja, um núcleo caracterizado pelo excesso de energia que está disponível para ser emitida. Neste processo, o radionuclídeo sofre o decaimento radioativo e emite raios gama e partículas subatômicas, constituindo-se na radiação ionizante. Então, a radioatividade é a emissão espontânea de energia a partir de átomos instáveis. A identificação correta de radionuclídeos pode ser crucial para o planejamento de medidas de proteção, especialmente em situações de emergência, definindo o tipo de fonte de radiação e seu perigo radiológico. Esta dissertação apresenta a aplicação do método de agrupamento subtrativo, implementada em hardware, para um sistema de identificação de elementos radioativos com uma resposta rápida e eficiente. Quando implementados em software, os algoritmos de agrupamento consumem muito tempo de processamento. Assim, uma implementação dedicada para hardware reconfigurável é uma boa opção em sistemas embarcados, que requerem execução em tempo real, bem como baixo consumo de energia. A arquitetura proposta para o hardware de cálculo do agrupamento subtrativo é escalável, permitindo a inclusão de mais unidades de agrupamento subtrativo para operarem em paralelo. Isso proporciona maior flexibilidade para acelerar o processo de acordo com as restrições de tempo e de área. Os resultados mostram que o centro do agrupamento pode ser identificado com uma boa eficiência. A identificação desses pontos pode classificar os elementos radioativos presentes em uma amostra. Utilizando este hardware foi possível identificar mais do que um centro de agrupamento, o que permite reconhecer mais de um radionuclídeo em fontes radioativas. Estes resultados revelam que o hardware proposto pode ser usado para desenvolver um sistema portátil para identificação radionuclídeos. / Radioactive sources include radionuclides. A radionuclide is an atom with an unstable nucleus, i.e. a nucleus characterized by excess of energy, which is available to be imparted. In this process, the radionuclide undergoes radioactive decay and emits gamma rays and subatomic particles, constituting the ionizing radiation. So, radioactivity is the spontaneous emission of energy from unstable atoms. Correct radionuclide identification can be crucial to planning protective measures, especially in emergency situations, by defining the type of radiation source and its radiological hazard. This project introduces the application of subtractive clustering method, in a hardware implemnetation, for an identification system of radioactive elements that allows a rapid and efficient identification. In software implementations, clustering algorithms, usually, are demanding in terms of processing time. Thus, a custom implementation on reconfigurable hardware is a viable choice in embedded systems, so as to achieve real-time execution as well as low power consumption. The proposed architecture for the hardware of subtractive clustering is scalable, allowing for the inclusion of more of subtractive clustering unit that operate in parallel. This provides greater flexibility to accelerate the hardware with respect to the time and area requirements. The results show that the expected cluster center can be identified with efficiently. The identification of these points can classify the radioactive elements present in a sample. Using the designed hardware, it is possible to identify more than one cluster center, which would lead to the recognition of more than one radionuclide in radioactive sources. These results reveal that the proposed hardware to subtractive cluster can be used to design a portable system for radionuclides identification.

Fontes radioativas possuem radionuclídeos. Um radionuclídeo é um átomo com um núcleo instável, ou seja, um núcleo caracterizado pelo excesso de energia que está disponível para ser emitida. Neste processo, o radionuclídeo sofre o decaimento radioativo e emite raios gama e partículas subatômicas, constituindo-se na radiação ionizante. Então, a radioatividade é a emissão espontânea de energia a partir de átomos instáveis. A identificação correta de radionuclídeos pode ser crucial para o planejamento de medidas de proteção, especialmente em situações de emergência, definindo o tipo de fonte de radiação e seu perigo radiológico. Esta dissertação apresenta a aplicação do método de agrupamento subtrativo, implementada em hardware, para um sistema de identificação de elementos radioativos com uma resposta rápida e eficiente. Quando implementados em software, os algoritmos de agrupamento consumem muito tempo de processamento. Assim, uma implementação dedicada para hardware reconfigurável é uma boa opção em sistemas embarcados, que requerem execução em tempo real, bem como baixo consumo de energia. A arquitetura proposta para o hardware de cálculo do agrupamento subtrativo é escalável, permitindo a inclusão de mais unidades de agrupamento subtrativo para operarem em paralelo. Isso proporciona maior flexibilidade para acelerar o processo de acordo com as restrições de tempo e de área. Os resultados mostram que o centro do agrupamento pode ser identificado com uma boa eficiência. A identificação desses pontos pode classificar os elementos radioativos presentes em uma amostra. Utilizando este hardware foi possível identificar mais do que um centro de agrupamento, o que permite reconhecer mais de um radionuclídeo em fontes radioativas. Estes resultados revelam que o hardware proposto pode ser usado para desenvolver um sistema portátil para identificação radionuclídeos. / Radioactive sources include radionuclides. A radionuclide is an atom with an unstable nucleus, i.e. a nucleus characterized by excess of energy, which is available to be imparted. In this process, the radionuclide undergoes radioactive decay and emits gamma rays and subatomic particles, constituting the ionizing radiation. So, radioactivity is the spontaneous emission of energy from unstable atoms. Correct radionuclide identification can be crucial to planning protective measures, especially in emergency situations, by defining the type of radiation source and its radiological hazard. This project introduces the application of subtractive clustering method, in a hardware implemnetation, for an identification system of radioactive elements that allows a rapid and efficient identification. In software implementations, clustering algorithms, usually, are demanding in terms of processing time. Thus, a custom implementation on reconfigurable hardware is a viable choice in embedded systems, so as to achieve real-time execution as well as low power consumption. The proposed architecture for the hardware of subtractive clustering is scalable, allowing for the inclusion of more of subtractive clustering unit that operate in parallel. This provides greater flexibility to accelerate the hardware with respect to the time and area requirements. The results show that the expected cluster center can be identified with efficiently. The identification of these points can classify the radioactive elements present in a sample. Using the designed hardware, it is possible to identify more than one cluster center, which would lead to the recognition of more than one radionuclide in radioactive sources. These results reveal that the proposed hardware to subtractive cluster can be used to design a portable system for radionuclides identification.