A evolução constante dos processadores está aumentando cada vez o overhead dos acessos à memória. Tentando evitar este problema, os desenvolvedores de processadores utilizam diversas técnicas, entre elas, o emprego de memórias cache na hierarquia de memórias dos computadores. As memórias cache, por outro lado, não conseguem suprir totalmente as suas necessidades, sendo interessante alguma técnica que tornasse possível aproveitar melhor a memória cache. Para resolver este problema, autores propõem a utilização de técnicas de computação reconfigurável. Este trabalho analisa um trabalho na área de reconfiguração na associatividade de memórias cache, e propõe melhorias nele para uma melhor utilização de seus recursos, apresentando resultados práticos de simulações realizadas com diversas organizações de cache. / With the constant evolution of processors architecture, its getting even bigger the overhead generated with memory access. Trying to avoid this problem, some processors developers are using several techniques to improve the performance, as the use of cache memories. By the otherside, cache memories cannot supply all their needs, thats why its important some new technique that could use better the cache memory. Working on this problem, some authors are using reconfigurable computing to improve the cache memorys performance. This work analyses the reconfiguration of the cache memory associativity algorithm, and propose some improvements on this algorithm to better use its resources, showing some practical results from simulations with several cache organizations.

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

Processing power is a key technical challenge holding back the development of a high-performance software defined radio (SDR). Traditionally, SDR has utilized digital signal processors (DSPs), but increasingly complex algorithms, higher data rates, and multi-tasking needs have exceed the processing capabilities of modern DSPs. Reconfigurable computers, such as field-programmable gate arrays (FPGAs), are popular alternatives because of their performance gains over software for streaming data applications like SDR. However, FPGAs have not yet realized the ideal SDR because architectures have not fully utilized their partial reconfiguration (PR) capabilities to bring needed flexibility. A reconfigurable processor architecture is proposed that utilizes PR in reconfigurable computers to achieve a more sophisticated SDR. The proposed processor contains run-time swappable blocks whose parameters and interconnects are programmable. The architecture is analyzed for performance and flexibility and compared with available alternate technologies. For a sample QPSK algorithm, hardware performance gains of at least 44x are seen over modern desktop processors and DSPs while most of their flexibility and extensibility is maintained.

Reconfigurable computing is an evolving paradigm in computer architecture where the ability to load different designs onto a field programmable gate array (FPGA) at execution time has proven useful in adapting FPGA prototypes to a wide range of applications. Reconfiguration techniques can be primarily categorized as Partial Dynamic Reconfiguration (PDR) and Partial Bitstream Relocation (PBR). PDR involves reconfiguring a single Partial Reconfiguration Region (PRR) with a partial bitstream, while PBR is targeted at reconfiguring multiple PRRs on the FPGA with a partial bitstream. Previous techniques have primarily focused on using either slower off-chip memory or on-chip memory-based solutions to store the partial bitstream, and then reconfigure a PRR on the FPGA. Another technique called Accelerated Relocation Circuit (ARC) provides a more efficient method where a PRR (active bitstream) is used to relocate to other PRRs on the fly using minimal on-chip memory. This thesis proposes a novel technique for Memory-based Frame Data Reconfiguration (M-FDR) of multi-row PRRs. ARC hardware was re-architected to provide an improved frame data reconfiguration framework, called Accelerated Memory-based Reconfiguration Circuit (AMRC) for use in MBR scenarios. A performance prediction model is also proposed that confirms the speedup achieved by AMRC, in comparison to ARC and earlier methods. This technique was found to be 26.6% faster than ARC in PRR-PRR relocation. In comparison to other relocation techniques like Bit Relocation Filter (BiRF), AMRC provides a speedup of 231x. The AMRC method was also able to dynamically parallelize multi-row designs with an average context switching time of 0.37 ms.

Abstract This doctoral thesis addresses the design of embedded electronic systems based on run-time reconfigurable hardware technology –available through SRAM-based FPGA/SoC devices– aimed at contributing to enhance the life quality of the human beings. This work does research on the conception of the system architecture and the reconfiguration engine that provides to the FPGA the capability of dynamic partial reconfiguration in order to synthesize, by means of hardware/software co-design, a given application partitioned in processing tasks which are multiplexed in time and space, optimizing thus its physical implementation –silicon area, processing time, complexity, flexibility, functional density, cost and power consumption– in comparison with other alternatives based on static hardware (MCU, DSP, GPU, ASSP, ASIC, etc.). The design flow of such technology is evaluated through the prototyping of several engineering applications (control systems, mathematical coprocessors, complex image processors, etc.), showing a high enough level of maturity for its exploitation in the industry. / Resumen Esta tesis doctoral abarca el diseño de sistemas electrónicos embebidos basados en tecnología hardware dinámicamente reconfigurable –disponible a través de dispositivos lógicos programables SRAM FPGA/SoC– que contribuyan a la mejora de la calidad de vida de la sociedad. Se investiga la arquitectura del sistema y del motor de reconfiguración que proporcione a la FPGA la capacidad de reconfiguración dinámica parcial de sus recursos programables, con objeto de sintetizar, mediante codiseño hardware/software, una determinada aplicación particionada en tareas multiplexadas en tiempo y en espacio, optimizando así su implementación física –área de silicio, tiempo de procesado, complejidad, flexibilidad, densidad funcional, coste y potencia disipada– comparada con otras alternativas basadas en hardware estático (MCU, DSP, GPU, ASSP, ASIC, etc.). Se evalúa el flujo de diseño de dicha tecnología a través del prototipado de varias aplicaciones de ingeniería (sistemas de control, coprocesadores aritméticos, procesadores de imagen, etc.), evidenciando un nivel de madurez viable ya para su explotación en la industria. / Resum Aquesta tesi doctoral està orientada al disseny de sistemes electrònics empotrats basats en tecnologia hardware dinàmicament reconfigurable –disponible mitjançant dispositius lògics programables SRAM FPGA/SoC– que contribueixin a la millora de la qualitat de vida de la societat. S’investiga l’arquitectura del sistema i del motor de reconfiguració que proporcioni a la FPGA la capacitat de reconfiguració dinàmica parcial dels seus recursos programables, amb l’objectiu de sintetitzar, mitjançant codisseny hardware/software, una determinada aplicació particionada en tasques multiplexades en temps i en espai, optimizant així la seva implementació física –àrea de silici, temps de processat, complexitat, flexibilitat, densitat funcional, cost i potència dissipada– comparada amb altres alternatives basades en hardware estàtic (MCU, DSP, GPU, ASSP, ASIC, etc.). S’evalúa el fluxe de disseny d’aquesta tecnologia a través del prototipat de varies aplicacions d’enginyeria (sistemes de control, coprocessadors aritmètics, processadors d’imatge, etc.), demostrant un nivell de maduresa viable ja per a la seva explotació a la indústria.

Today&rsquo / s reconfigurable devices successfully combine &lsquo / reconfigurable computing machine&rsquo / paradigm and &lsquo / high degree of parallelism&rsquo / and hence reconfigurable computing emerged as a promising alternative for computing-intensive applications. Despite its superior performance and lower power consumption compared to general purpose computing using microprocessors, reconfigurable computing comes with a cost of design complexity. This thesis aims to reduce this complexity by providing a flexible and user friendly development environment to application programmers in the form of a complete reconfigurable computing platform. The proposed computing platform is specially designed for real time embedded applications and supports true multitasking by using available run time partially reconfigurable architectures. For this computing platform, we propose a novel hardware task model aiming to minimize logic resource requirement and the overhead due to the reconfiguration of the device. Based on this task model an optimal 2D surface partitioning strategy for managing the hardware resource is presented. A mesh network-on-chip is designed to be used as the communication environment for the hardware tasks and a runtime mapping technique is employed to lower the communication overhead. As the requirements of embedded systems are known prior to field operation, an oine design flow is proposed for generating the associated bit-stream for the hardware tasks. Finally, an online real time operating system scheduler is given to complete the necessary building blocks of a reconfigurable computing platform suitable for real time computing-intensive embedded applications. In addition to providing a flexible development environment, the proposed computing platform is shown to have better device utilization and reconfiguration time overhead compared to existing studies.

As próximas gerações de processadores many-core exigem que novas abordagens no projeto de arquitetura de processadores sejam propostas. Neste novo contexto, as redes de comunicação intra-chip são importantes para garantir o desempenho dos programas. Soluções tradicionais de interconexão possuem limites físicos que comprometem a escalabilidade e o desempenho no processamento de aplicações paralelas de diversos tipos. A alternativa apontada pelo estado da arte é a Network-on-Chip (NoC) composta por roteadores e outros elementos de rede capazes de prover comunicação escalável e de alto desempenho. No entanto, as cargas de trabalho geram padrões de comunicação diferentes que podem influenciar no desempenho da rede. Existem pesquisas que abordam metodologias de projeto dedicado de NoCs em função de domínios de aplicações específicos. Apesar de uma NoC dedicada possuir um alto desempenho, cargas de trabalho paralelas geram padrões de comunicação coletiva que mudam dinamicamente. Com o objetivo de aumentar a flexibilidade de redes-em-chip, trabalhos correlatos utilizam conceitos de computação reconfigurável para aumentar a capacidade da arquitetura da NoC se adaptar em função de padrões de comunicação. Alguns trabalhos focam na programação de FPGAs e outros em ASICs polimórficos. O objetivo desta tese é propor uma arquitetura de Network-on-Chip que suporte múltiplos clusters de núcleos de processamento através de roteadores programáveis e de topologias reconfiguráveis. Cada roteador é composto por uma chave crossbar reconfigurável capaz de implementar topologias dinamicamente através do uso de um segundo nível de reconfiguração. Os roteadores possuem processadores de rede que aumentam a flexibilidade e a capacidade da NoC se adaptar ao padrão de comunicação através de programas que monitoram e gerenciam a rede. Portanto, a contribuição da tese é a Arquitetura de NoC Programável Baseada em Múltiplos Clusters de Cores. Os resultados baseados em modelos analíticos e de simulação, e cargas de trabalho artificiais e naturais, mostram que a arquitetura da NoC possui um alto desempenho e vazão de pacotes, proporcionados pela adaptação de topologias e redução da influência da rede na comunicação. A ocupação em FPGA mostra que os roteadores programáveis possuem tamanho similares a NoCs com arquiteturas tradicionais para gerenciamento de mesma quantidade de núcleos. A menor utilização de buffers de entrada resulta em uma melhor eficiência no consumo de potência e energia. Portanto, através dos modelos de projeto e avaliação foi possível verificar através dos resultados que a arquitetura da MCNoC é uma alternativa para suportar padrões de comunicações coletivas. / For the next generation of many-core processors, new design methodologies must be proposed. In this context, on-chip interconnections are important to assure the program performance. Traditional approaches of interconnections have physical constraints that reduce the scalability and performance to process parallel applications. The state-of-theart points out to the Network-on-Chip (NoC), which consists of routers and other network devices capable of increasing the communication scalability and performance. However, workloads produce different types of communication patterns, which can influence the network performance. There are research works that explore applicationspecific NoC design to response the demand on specific workloads. Although a dedicated NoC has a high performance, parallel workloads have different collective communication patterns. In order to increase the flexibility of NoCs, related works use concepts of reconfigurable computing to add architecture adaptability to support dynamic communication patterns. Some works focus on FPGA-based reconfiguration and others on polymorphic ASICs. The goal of this thesis is to propose an alternative Programmable Multi-Cluster NoC architecture. Each router consists of a reconfigurable crossbar switch capable of implementing dynamic topologies through a second reconfiguration level. The routers have network processors that increase the flexibility and the NoC adaptability through management programs in order to support different workloads. Therefore, the contribution of this thesis is the following: A Programmable Multi-Cluster NoC (MCNoC) architecture. Based on analytical and simulation models, and artificial and natural workloads, results show the high performance and throughput for the proposed NoC architecture, due to the adaptable topologies and low network latency impact. Results based on FPGA shows a similar component utilization considering the proposed programmable NoC relative to conventional NoC architectures for the same number of processing cores. The low utilization of input buffers improves the efficiency of power and energy consumption. Therefore, through design and evaluation models, the NoC proposal was verified and the results point out the MCNoC as an alternative architecture to support collective communication patterns.

As próximas gerações de processadores many-core exigem que novas abordagens no projeto de arquitetura de processadores sejam propostas. Neste novo contexto, as redes de comunicação intra-chip são importantes para garantir o desempenho dos programas. Soluções tradicionais de interconexão possuem limites físicos que comprometem a escalabilidade e o desempenho no processamento de aplicações paralelas de diversos tipos. A alternativa apontada pelo estado da arte é a Network-on-Chip (NoC) composta por roteadores e outros elementos de rede capazes de prover comunicação escalável e de alto desempenho. No entanto, as cargas de trabalho geram padrões de comunicação diferentes que podem influenciar no desempenho da rede. Existem pesquisas que abordam metodologias de projeto dedicado de NoCs em função de domínios de aplicações específicos. Apesar de uma NoC dedicada possuir um alto desempenho, cargas de trabalho paralelas geram padrões de comunicação coletiva que mudam dinamicamente. Com o objetivo de aumentar a flexibilidade de redes-em-chip, trabalhos correlatos utilizam conceitos de computação reconfigurável para aumentar a capacidade da arquitetura da NoC se adaptar em função de padrões de comunicação. Alguns trabalhos focam na programação de FPGAs e outros em ASICs polimórficos. O objetivo desta tese é propor uma arquitetura de Network-on-Chip que suporte múltiplos clusters de núcleos de processamento através de roteadores programáveis e de topologias reconfiguráveis. Cada roteador é composto por uma chave crossbar reconfigurável capaz de implementar topologias dinamicamente através do uso de um segundo nível de reconfiguração. Os roteadores possuem processadores de rede que aumentam a flexibilidade e a capacidade da NoC se adaptar ao padrão de comunicação através de programas que monitoram e gerenciam a rede. Portanto, a contribuição da tese é a Arquitetura de NoC Programável Baseada em Múltiplos Clusters de Cores. Os resultados baseados em modelos analíticos e de simulação, e cargas de trabalho artificiais e naturais, mostram que a arquitetura da NoC possui um alto desempenho e vazão de pacotes, proporcionados pela adaptação de topologias e redução da influência da rede na comunicação. A ocupação em FPGA mostra que os roteadores programáveis possuem tamanho similares a NoCs com arquiteturas tradicionais para gerenciamento de mesma quantidade de núcleos. A menor utilização de buffers de entrada resulta em uma melhor eficiência no consumo de potência e energia. Portanto, através dos modelos de projeto e avaliação foi possível verificar através dos resultados que a arquitetura da MCNoC é uma alternativa para suportar padrões de comunicações coletivas. / For the next generation of many-core processors, new design methodologies must be proposed. In this context, on-chip interconnections are important to assure the program performance. Traditional approaches of interconnections have physical constraints that reduce the scalability and performance to process parallel applications. The state-of-theart points out to the Network-on-Chip (NoC), which consists of routers and other network devices capable of increasing the communication scalability and performance. However, workloads produce different types of communication patterns, which can influence the network performance. There are research works that explore applicationspecific NoC design to response the demand on specific workloads. Although a dedicated NoC has a high performance, parallel workloads have different collective communication patterns. In order to increase the flexibility of NoCs, related works use concepts of reconfigurable computing to add architecture adaptability to support dynamic communication patterns. Some works focus on FPGA-based reconfiguration and others on polymorphic ASICs. The goal of this thesis is to propose an alternative Programmable Multi-Cluster NoC architecture. Each router consists of a reconfigurable crossbar switch capable of implementing dynamic topologies through a second reconfiguration level. The routers have network processors that increase the flexibility and the NoC adaptability through management programs in order to support different workloads. Therefore, the contribution of this thesis is the following: A Programmable Multi-Cluster NoC (MCNoC) architecture. Based on analytical and simulation models, and artificial and natural workloads, results show the high performance and throughput for the proposed NoC architecture, due to the adaptable topologies and low network latency impact. Results based on FPGA shows a similar component utilization considering the proposed programmable NoC relative to conventional NoC architectures for the same number of processing cores. The low utilization of input buffers improves the efficiency of power and energy consumption. Therefore, through design and evaluation models, the NoC proposal was verified and the results point out the MCNoC as an alternative architecture to support collective communication patterns.

Made available in DSpace on 2015-05-14T12:36:34Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal2.pdf: 4503412 bytes, checksum: e8c898ba24436013a2e89d08737039bb (MD5) Previous issue date: 2012-08-31 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / The digital image processing field is continually evolving and, although the diverse application areas, the commonly problems found converge to methods capable to improve visual information for analysis and interpretation. A major limitation issue on image precision is noise, which is defined as a perturbation in the image. The Non-Local Means (NLM) method stands out as the state-of-the-art of digital image denoising filtering. However, its computational complexity is an obstacle to make it practical on general purpose computing applications. This work presents a computer system implementation, developed with parts implemented in software and hardware applied to PCI, to optimize the NLM algorithm using hardware acceleration techniques, allowing a greater efficiency than is normally provided by general use processors. The use of reconfigurable computing helped in developing the hardware system, providing the modification of the described circuit in its use environment, accelerating the project implementation. Using an FPGA prototyping kit for PCI, dedicated to perform the dedicated calculation of the Squared Weighted Euclidean Distance, the results obtained show a gain of up to 3.5 times greater than the compared optimization approaches, also maintaining the visual quality of the denoising filtering. / A área de processamento de imagens digitais está evoluindo continuamente e, embora as áreas de aplicações sejam diversas, os problemas encontrados comumente convergem para os métodos capazes de melhorar a informação visual para a análise e interpretação. Uma das principais limitações em questão de precisão de imagens é o ruído, que é definido como uma perturbação na imagem. O método Non-Local Means (NLM) destaca-se como o estado da arte de filtragem de ruído. Contudo, sua complexidade computacional é um empecilho para torná-lo prático em aplicações computacionais de uso geral. O presente trabalho apresenta a implementação de um sistema computacional, desenvolvido com partes executadas em software e em hardware aplicado à PCI, visando a otimização do algoritmo NLM através de técnicas de aceleração em hardware, permitindo uma eficiência maior do que normalmente é fornecida por processadores de uso geral. O uso da computação reconfigurável auxiliou no desenvolvimento do sistema em hardware, proporcionando a modificação do circuito descrito no ambiente de sua utilização, acelerando a implementação do projeto. Utilizando um kit PCI de prototipação FPGA, para efetuar o cálculo dedicado da Distância Euclidiana Quadrática Ponderada, os resultados obtidos nos testes exibem um ganho de tempo até 3.5 vezes maior que as abordagens de otimização comparadas, mantendo também a qualidade visual da filtragem estabilizada.

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