This thesis presents a linear phase finite impulse response filter implementation developed on a custom computing platform called WILDFORCE. The work has been motivated by ways to off-load intensive computing tasks to hardware for indoor communications channel modeling. The design entails complex convolution filters with customized lengths that can support channel impulse response profiles generated by SIRCIM. The paper details the partitioning for a fully pipelined convolution algorithm onto field programmable gate arrays through VHDL synthesis. Using WILDFORCE, the filter can achieve calculations at 160 MFLOPs/s. / Master of Science

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Reconfigurable computing has the potential for providing significant performance increases to a number of computing applications. However, realizing these benefits requires digital design experience and knowledge of hardware description languages (HDLs). While a number of tools have focused on translation of high-level languages (HLLs) to HDLs, the tools do not always create optimized digital designs that are competitive with hand-coded solutions. This work describes an automatic optimization in the C-to-HDL transformation that reorganizes operations between pipeline stages in order to reduce critical path lengths. The effects of this optimization are examined on the MD5, SHA-1, and Smith-Waterman algorithms. Results show that the optimization results in performance gains of 13%-37% and that the automatically-generated implementations perform comparably to hand-coded implementations.

The simulation of physical-layer communication systems often requires long execution times. This is due to the nature of the Monte Carlo simulation. To obtain a valid result by producing enough errors, the number of bits or symbols being simulated must significantly exceed the inverse of the bit error rate of interest. This often results in hours or even days of execution using a personal computer or a workstation. Reconfigurable devices can perform certain functions faster than general-purpose processors. In addition, they are more flexible than Application Specific Integrated Circuit (ASIC) devices. This fast yet flexible property of reconfigurable devices can be used for the simulation of communication systems. However, although reconfigurable devices are more flexible than ASIC devices, they are often not compatible with each other. Programs are usually written in hardware description languages such as Very High Speed Integrated Circuit (VHSIC) Hardware Description Language (VHDL). A program written for one device often cannot be used for another device because these devices all have different architectures, and programs are architecture-specific. Distributed computing, which is not a new concept, refers to interconnecting a number of computing elements, often heterogeneous, to perform a given task. By applying distributed computing, reconfigurable devices and digital signal processors can be connected to form a distributed reconfigurable simulator. In this paper, it is shown that using reconfigurable devices can greatly increase the speed of simulation. A simple physical-layer communication system model has been created using a WildForce board, a reconfigurable device, and the performance is compared to a traditional software simulation of the same system. Using the reconfigurable device, the performance was increased by approximately one hundred times. This demonstrates the possibility of using reconfigurable devices for simulation of physical-layer communication systems. Also, an middleware architecture for distributed reconfigurable simulation is proposed and implemented. Using the middleware, reconfigurable devices and various computing elements can be integrated. The proposed middleware has several components. The master works as the server for the system. An object is any device that has computing capability. A resource is an algorithm or function implemented for a certain object. An object and its resources are connected to the system through an agent. This middleware system is tested with three different objects and six resources, and the performance is analyzed. The results shows that it is possible to interconnect various objects to perform a distributed simulation using reconfigurable devices. Possible future research to enhance the architecture is also discussed. / Ph. D.

A computação reconfigurável tem se tornado cada vez mais importante em sistemas computacionais embarcados e de alto desempenho. Ela permite níveis de desempenho próximos aos obtidos com circuitos integrados de aplicação específica (ASIC), enquanto ainda mantém flexibilidade de projeto e implementação. No entanto, para programar eficientemente os dispositivos, é necessária experiência em desenvolvimento e domínio de linguagem de descrição de hardware (HDL), tais como VHDL ou Verilog. As técnicas empregadas na compilação em alto nível (por exemplo, a partir de programas em C) ainda possuem muitos pontos em aberto a serem resolvidos antes que se possa obter resultados eficientes. Muitos esforços em se obter um mapeamento direto de algoritmos em hardware se concentram em loops, uma vez que eles representam as regiões computacionalmente mais intensivas de muitos programas. Uma técnica particularmente útil para isto é a de loop pipelining, a qual geralmente é adaptada de técnicas de software pipelining. A aplicação dessas técnicas está fortemente relacionada ao escalonamento das instruções, o que frequentemente impede o uso otimizado dos recursos presentes nos FPGAs modernos. Esta tese descreve uma abordagem alternativa para o mapeamento direto de loops descritos em uma linguagem de alto nível para FPGAs. Diferentemente de outras abordagens, esta técnica não é proveniente das técnicas de software pipelining. Nas arquiteturas obtidas o controle das operações é distribuído, tornando desnecessária uma máquina de estados finitos para controlar a ordem das operações, o que permitiu a obtenção de implementações eficientes. A especificação de um bloco de hardware é feita por meio de uma linguagem de domínio específico (LALP), especialmente concebida para suportar a aplicação das técnicas. Embora a sintaxe da linguagem lembre C, ela contém certas construções que permitem intervenções do programador para garantir ou relaxar dependências de dados, conforme necessário, e assim otimizar o desempenho do hardware gerado / Reconfigurable computing is becoming increasingly important in embedded and high-performance computing systems. It allows performance levels close to the ones obtained with Application-Specific Integrated circuits (ASIC), while still keeping design and implementation flexibility. However, to efficiently program devices, one needs the expertise of hardware developers in order master hardware description languages (HDL) such as VHDL or Verilog. Attempts to furnish a high-level compilation flow (e.g., from C programs) still have to address open issues before broader efficient results can be obtained. Many efforts trying to achieve a direct of algorithms into hardware concentrate on loops since they represent the most computationally intensive regions of many application codes. A particularly useful technique for this purpose is loop pipelining, which is usually adapted from software pipelining techniques. The application of this technique is strongly related to instruction scheduling, whic often prevents an optimized use of the resources present in modern FPGAs. This thesis decribes an alternative approach to direct mapping loops described in high-level labguages onto FPGAs. Different from oyher approaches, this technique does not inherit from software pipelining techniques. The control is distributed over operations, thus a finite state machine is not necessary to control the order of operations, allowing efficient harware implementations. The specification of a hardware block is done by means of LALP, a domain specific language specially designed to help the application of the techniques. While the language syntax resembles C, it contains certain constructs that allow programmer interventions to enforce or relax data dependences as needed, and so optimize the performance of the generated hardware

Como avanço dos paradigmas de desenvolvimento de sistemas eletrônicos, novos conceitos, modelos e técnicas resultaram dessa evolução, gerando ferramentas mais eficientes e objetivas. Entre estas, as de automação de projetos eletrônicos (EDA - Electronic Design Automation) em nível de sistema (ESL - Electronic System Level) trouxeram um incremento considerável de produtividade à confecção de sistemas eletrônicos, inclusive de sistemas embarcados. Já no que se refere ao desempenho do sistema elaborado, monitorar sua execução e determinar seu perfil de funcionamento são tarefas essenciais para avaliar, a partir do seu comportamento, quais os pontos que representam gargalos ou pontos críticos, afetando sua eficiência geral. Dessa forma, faz-se necessário pesquisar princípios de verificação e otimização dos sistemas elaborados que estejam mais bem adaptados aos novos paradigmas de desenvolvimento de projetos. O presente trabalho tem por objetivo implementar um módulo de coleta e processamento de dados para análise de perfil de programas escritos na linguagem C e que sejam executados em processadores soft core, como o NiosII, da Altera. Entretanto, diferentemente das estatísticas oferecidas pela ferramenta GProf (GNU Profiling) com relação à análise de desempenho, em que cada amostra obtida implica no incremento de um contador para a função flagrada, o presente trabalho volta seu interesse à análise do perfil de uso de memória heap, que encontra-se mormente no volume alocado constatado em cada amostragem. Dessa forma, para diferentes amostragens de uma mesma função interessa saber qual a maior quantidade de memória utilizada pela função entre todas as amostras coletadas. Isso significa que, ao invés de incremento por amostragem, adotar-se-á o princípio do registro do maior valor, em número de bytes, de uso de memória constatado em cada função. Os principais recursos do módulo proposto são: a) o armazenamento das informações de uso de memória heap obtidas no processo de Profiling em formato apropriado para uso posterior por aplicações de co-projeto de hardware e software; e b) a geração de relatórios de Profiling que apresentem o volume de memória dinâmica alocada durante o processamento dos programas analisados para que se possa identificar os locais onde esse uso é mais crítico, permitindo ao projetista tomar decisões quanto à reformulação do código fonte, ou quanto ao incremento no tamanho da memória a ser instalada no sistema, ou quanto à reformulação da arquitetura de um modo geral / Due to the advancement of the paradigms of development of electronic systems, new concepts, models and techniques resulted from this evolution, generating more eficient and objective tools. Among them, the system-level (ESL) electronic design automation (EDA) ones has brought a considerable increase to the productivity of electronic systems manufacturing, especially including the embedded systems. In what refers to elaborated systems, monitoring its execution and determining its operating profile are the essential tasks to assess, from its behavior, which points in this system represent bottlenecks or hot spots, affecting its overall efficiency. Thus, it is necessary to study the principles of verification and optimization of the elaborated systems that are better adapted to the new paradigms of projects development. The present work has as its aim implementing a processing module for data collection and analysis of C language writen programs profile, wich will run in soft core processors, like Alteras NiosII. However, unlike the statistics offered by the tool GProf (GNU Profiling) tool with respect to performance analysis, in which each sample obtained implies the increment of a counter to the function caught, this paper turns his interest to the analysis of memory usage profiling, which is especially found in volume allocated in each sample. Thus, for different samples of the same function, the matter is to know the most amount of memory used by the function among all samples collected. This means that instead of increasing sample we will adopt the principle of registration of the highest number of bytes of memory usage observed in each function. So, this tools main features are: a) storing the information of memory use in the heap memory obtained in the process of Profiling in an appropriate format for later use by hardware and software codesign applications; and b) the reporting of Profiling that shows the dynamic memory volume allocated during analyzed programs processing so one can identify where such use is more critical, allowing the designer to make decisions regarding the reformulation of source code, or as to the increase in memory size to be installed int the system, or as to the architecture redesign

Neste trabalho estudou-se diversas arquiteturas de dispositivos FPGAs presentes no mercado, visando a utilização desta tecnologia em arquiteturas de computação reconfigurável. Especificamente foram investigados recursos e técnicas de reconfigurabilidade dinâmica destes dispositivos. A possibilidade de reconfigurar dinamicamente o hardware cria diversas expectativas de superação das arquiteturas de computação tradicional. Surge o conceito de hardware virtual, assim como inúmeras dificuldades em utilizar efetivamente esta tecnologia. Outra característica promissora que a tecnologia FPGA oferece é a possibilidade de realizar upgrades remotos do hardware, sem a necessidade de substituição física de equipamentos ou parte deles. Em adicional, foi implementado um sistema multi-FPGAs com dispositivos reconfiguráveis individualmente de forma local ou remota. Este sistema poderá ser a base para uma arquitetura de computação reconfigurável, sendo ela dinâmica ou não. / In this work it was studied several architectures of FPGAs devices available in the market, seeking the use of this technology in architectures of reconfigurable computing. It was specifically researched resources and techniques of dynamic reconfiguration of these devices. The possibility of reconfigure the hardware dynamically creates countless expectations to overcome the architectures of traditional computing. The concept of virtual hardware emerges, as well as a lot of difficulties in using actually this technology. Another promising characteristic that the technology FPGA offers it is the possibility to accomplishing remote upgrades of the hardware, without the need of physical substitution of equipments or of parts of them. In addition, a system multi-FPGAs was implemented with individually reconfigurable devices in local or remote way. This system can be the base for an architecture of reconfigurable computing, being it dynamics or not.

Como avanço dos paradigmas de desenvolvimento de sistemas eletrônicos, novos conceitos, modelos e técnicas resultaram dessa evolução, gerando ferramentas mais eficientes e objetivas. Entre estas, as de automação de projetos eletrônicos (EDA - Electronic Design Automation) em nível de sistema (ESL - Electronic System Level) trouxeram um incremento considerável de produtividade à confecção de sistemas eletrônicos, inclusive de sistemas embarcados. Já no que se refere ao desempenho do sistema elaborado, monitorar sua execução e determinar seu perfil de funcionamento são tarefas essenciais para avaliar, a partir do seu comportamento, quais os pontos que representam gargalos ou pontos críticos, afetando sua eficiência geral. Dessa forma, faz-se necessário pesquisar princípios de verificação e otimização dos sistemas elaborados que estejam mais bem adaptados aos novos paradigmas de desenvolvimento de projetos. O presente trabalho tem por objetivo implementar um módulo de coleta e processamento de dados para análise de perfil de programas escritos na linguagem C e que sejam executados em processadores soft core, como o NiosII, da Altera. Entretanto, diferentemente das estatísticas oferecidas pela ferramenta GProf (GNU Profiling) com relação à análise de desempenho, em que cada amostra obtida implica no incremento de um contador para a função flagrada, o presente trabalho volta seu interesse à análise do perfil de uso de memória heap, que encontra-se mormente no volume alocado constatado em cada amostragem. Dessa forma, para diferentes amostragens de uma mesma função interessa saber qual a maior quantidade de memória utilizada pela função entre todas as amostras coletadas. Isso significa que, ao invés de incremento por amostragem, adotar-se-á o princípio do registro do maior valor, em número de bytes, de uso de memória constatado em cada função. Os principais recursos do módulo proposto são: a) o armazenamento das informações de uso de memória heap obtidas no processo de Profiling em formato apropriado para uso posterior por aplicações de co-projeto de hardware e software; e b) a geração de relatórios de Profiling que apresentem o volume de memória dinâmica alocada durante o processamento dos programas analisados para que se possa identificar os locais onde esse uso é mais crítico, permitindo ao projetista tomar decisões quanto à reformulação do código fonte, ou quanto ao incremento no tamanho da memória a ser instalada no sistema, ou quanto à reformulação da arquitetura de um modo geral / Due to the advancement of the paradigms of development of electronic systems, new concepts, models and techniques resulted from this evolution, generating more eficient and objective tools. Among them, the system-level (ESL) electronic design automation (EDA) ones has brought a considerable increase to the productivity of electronic systems manufacturing, especially including the embedded systems. In what refers to elaborated systems, monitoring its execution and determining its operating profile are the essential tasks to assess, from its behavior, which points in this system represent bottlenecks or hot spots, affecting its overall efficiency. Thus, it is necessary to study the principles of verification and optimization of the elaborated systems that are better adapted to the new paradigms of projects development. The present work has as its aim implementing a processing module for data collection and analysis of C language writen programs profile, wich will run in soft core processors, like Alteras NiosII. However, unlike the statistics offered by the tool GProf (GNU Profiling) tool with respect to performance analysis, in which each sample obtained implies the increment of a counter to the function caught, this paper turns his interest to the analysis of memory usage profiling, which is especially found in volume allocated in each sample. Thus, for different samples of the same function, the matter is to know the most amount of memory used by the function among all samples collected. This means that instead of increasing sample we will adopt the principle of registration of the highest number of bytes of memory usage observed in each function. So, this tools main features are: a) storing the information of memory use in the heap memory obtained in the process of Profiling in an appropriate format for later use by hardware and software codesign applications; and b) the reporting of Profiling that shows the dynamic memory volume allocated during analyzed programs processing so one can identify where such use is more critical, allowing the designer to make decisions regarding the reformulation of source code, or as to the increase in memory size to be installed int the system, or as to the architecture redesign

Esse trabalho relata o estudo sobre a aplicação da tecnologia adaptativa na área de linguagens de programação e códigos, tendo como objetivo a proposição de mecanismos que permitam a escrita de códigos que possam se auto-modificar segundo os conceitos da tecnologia adaptativa. Essa proposta é feita por meio da descrição de uma linguagem de montagem para programação adaptativa e de seu mecanismo de execução. Em adição à linguagem, foi desenvolvido um ambiente de execução baseado em um novo dispositivo adaptativo (autômato de execução adaptativo), com o intuito de evitar certas dificuldades existentes à modificação de código impostas pelos mecanismos de execução. Para poder representar e executar códigos adaptativos, esse dispositivo agrega características de execução de ambientes tradicionais e dos autômatos adaptativos. Essa dissertação apresenta o resultado dessa pesquisa, consolidando os conceitos desenvolvidos por meio de exemplos de funcionamento de códigos adaptativos e considerações sobre a linguagem. / This research studies the application of the Adaptive Technology in the field of programming Language and codes, which objective is the proposition of a mechanism designed to build codes capable of self-modifying in compliance which the concepts of Adaptive Technology. This proposal is formulated by means of the description of an assembly language for adaptive programming and its run-time mechanism. In addition to the language proposal, a run-time mechanism based on a new adaptive device (adaptive execution automata) is conceived. That avoids some difficulties to perform code modification existent in traditional run-time mechanisms. In order to represent and execute the adaptive codes, this device aggregates characteristic of the traditional run-time mechanism and the adaptive automata. The present dissertation describes the results of this study, consolidating the concepts developed by means of examples about the code execution operation and considerations about the language.