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.

Os sistemas dinamicamente reconfiguráveis (SDRs) são uma alternativa para o desenvolvimento de sistemas sobre silício baseados em circuitos programáveis (SoPC), cujo principal beneficio é o bom aproveitamento da área do dispositivo. Sendo neles implementados circuitos que representam as tarefas que devem operar numa etapa específica do tempo de operação do sistema, permitem um menor consumo de área e de energia, parâmetros importantes nos sistemas portáveis. Isto tem gerado muito interesse no que se refere às metodologias de projeto utilizando FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) dinamicamente reconfiguráveis (DRFPGAs) e à definição de um meio de comunicação estruturado para tratar da transferência de dados entre as partes reconfiguráveis e as fixas, mas estas tarefas, assim como a concretização de sua comunicação, seguem sendo ainda essencialmente manuais, devido à falta de metodologias de projeto e ferramentas de CAD que simplifiquem o projeto de SDRs. Este trabalho foca uma das limitações mais efetivas para a adoção da reconfiguração dinâmica: a falta de ferramentas de CAD que suportem o projeto de SDRs, inclusive os baseados em redes intra-chip (NoCs), em particular, no posicionamento dos módulos. Neste trabalho, uma arquitetura para SDRs baseado em NoCs é proposta e um algoritmo de posicionamento dos módulos de um SDR baseado em aspectos reais da família do DRFPGAs é desenvolvido, dentro de uma ferramenta denominada DynoPlace. Desenvolveu-se também um modelo de validação e simulação de SDRs, em tempo de operação, utilizando-se a técnica de chaveamento dinâmico de circuitos. Para o estudo do caso, de validação da arquitetura e metodologia, propõe-se uma aplicação teste baseada em computação de operações aritméticas. A metodologia de simulação permite determinar o tempo da reconfiguração e verificar o comportamento do SDR no momento da reconfiguração. A ferramenta DynoPlace permite gerar os arquivos de restrição de usuário (UCF) de posicionamento dos módulos do SDR no DRFPGA Virtex-4LX25. Este contém informações do posicionamento dos módulos do sistema, dos dispositivos usados para as entradas e saídas do sistema além do posicionamento dos bus-macros. Com os arquivos gerados pela metodologia e ferramenta DynoPlace, pode-se executar com sucesso os scripts da metodologia Early Access da Xilinx para gerar o SDR de forma automática. / Dynamically Reconfigurable Systems (DRSs) are an alternative for developing Systems on a Programmable Chip (SoPC), being the efficient use of device\'s area one of its main advantages. Circuits implemented as DRSs represent tasks which must be active in specific times into the system operation, allowing area and energy saving, which is an important goal for portable systems. This has generated interests on the design methodology using Dynamically Reconfigurable Field Programmable Gate Arrays (DRFPGAs) and on the definition of communication systems for handling data transfer between static and reconfigurable partitions. However, these tasks, as well as the communication structure, are still carried out manually due to lack of design methodologies and CAD tools applied to DRSs design. This work focuses on the one of main drawbacks to the adoption of dynamic reconfiguration methods: the absence of CAD tools which support DRS designs, specifically, in the module positioning task, included, for those based on Network-on-Chip (NoCs). In this work, an architecture for DRSs based on NoCs is presented and an algorithm for module positioning is developed in a tool called DynoPlace as well, based on real specifications of DRFPGAs families. It is also developed a run-time simulation and validation model for DRSs, through a dynamic circuit switching technique. For the validation of architecture and methodology study case, an application test based on arithmetic operations has been proposed. The simulations methodology allows to determine the reconfiguration time and verify the DRS behavior at the moment of reconfiguration. The DynoPlace tool allows to generate User Constraint File (UCF) of DRS\'s modules positioning for the DRFPGA Virtex-4LX25. This file contains information of modules positioning in the system, of the devices used for inputs and outputs of the system, and the positioning of bus-macros. After the files generation by the methodology, and the DynoPlace tool, it is possible to successfully execute the Early Access scripts for generating the DRS automatically.

Os sistemas dinamicamente reconfiguráveis (SDRs) são uma alternativa para o desenvolvimento de sistemas sobre silício baseados em circuitos programáveis (SoPC), cujo principal beneficio é o bom aproveitamento da área do dispositivo. Sendo neles implementados circuitos que representam as tarefas que devem operar numa etapa específica do tempo de operação do sistema, permitem um menor consumo de área e de energia, parâmetros importantes nos sistemas portáveis. Isto tem gerado muito interesse no que se refere às metodologias de projeto utilizando FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) dinamicamente reconfiguráveis (DRFPGAs) e à definição de um meio de comunicação estruturado para tratar da transferência de dados entre as partes reconfiguráveis e as fixas, mas estas tarefas, assim como a concretização de sua comunicação, seguem sendo ainda essencialmente manuais, devido à falta de metodologias de projeto e ferramentas de CAD que simplifiquem o projeto de SDRs. Este trabalho foca uma das limitações mais efetivas para a adoção da reconfiguração dinâmica: a falta de ferramentas de CAD que suportem o projeto de SDRs, inclusive os baseados em redes intra-chip (NoCs), em particular, no posicionamento dos módulos. Neste trabalho, uma arquitetura para SDRs baseado em NoCs é proposta e um algoritmo de posicionamento dos módulos de um SDR baseado em aspectos reais da família do DRFPGAs é desenvolvido, dentro de uma ferramenta denominada DynoPlace. Desenvolveu-se também um modelo de validação e simulação de SDRs, em tempo de operação, utilizando-se a técnica de chaveamento dinâmico de circuitos. Para o estudo do caso, de validação da arquitetura e metodologia, propõe-se uma aplicação teste baseada em computação de operações aritméticas. A metodologia de simulação permite determinar o tempo da reconfiguração e verificar o comportamento do SDR no momento da reconfiguração. A ferramenta DynoPlace permite gerar os arquivos de restrição de usuário (UCF) de posicionamento dos módulos do SDR no DRFPGA Virtex-4LX25. Este contém informações do posicionamento dos módulos do sistema, dos dispositivos usados para as entradas e saídas do sistema além do posicionamento dos bus-macros. Com os arquivos gerados pela metodologia e ferramenta DynoPlace, pode-se executar com sucesso os scripts da metodologia Early Access da Xilinx para gerar o SDR de forma automática. / Dynamically Reconfigurable Systems (DRSs) are an alternative for developing Systems on a Programmable Chip (SoPC), being the efficient use of device\'s area one of its main advantages. Circuits implemented as DRSs represent tasks which must be active in specific times into the system operation, allowing area and energy saving, which is an important goal for portable systems. This has generated interests on the design methodology using Dynamically Reconfigurable Field Programmable Gate Arrays (DRFPGAs) and on the definition of communication systems for handling data transfer between static and reconfigurable partitions. However, these tasks, as well as the communication structure, are still carried out manually due to lack of design methodologies and CAD tools applied to DRSs design. This work focuses on the one of main drawbacks to the adoption of dynamic reconfiguration methods: the absence of CAD tools which support DRS designs, specifically, in the module positioning task, included, for those based on Network-on-Chip (NoCs). In this work, an architecture for DRSs based on NoCs is presented and an algorithm for module positioning is developed in a tool called DynoPlace as well, based on real specifications of DRFPGAs families. It is also developed a run-time simulation and validation model for DRSs, through a dynamic circuit switching technique. For the validation of architecture and methodology study case, an application test based on arithmetic operations has been proposed. The simulations methodology allows to determine the reconfiguration time and verify the DRS behavior at the moment of reconfiguration. The DynoPlace tool allows to generate User Constraint File (UCF) of DRS\'s modules positioning for the DRFPGA Virtex-4LX25. This file contains information of modules positioning in the system, of the devices used for inputs and outputs of the system, and the positioning of bus-macros. After the files generation by the methodology, and the DynoPlace tool, it is possible to successfully execute the Early Access scripts for generating the DRS automatically.

Actualmente, las tecnologías CMOS submicrónicas son básicas para el desarrollo de los modernos sistemas basados en computadores, cuyo uso simplifica enormemente nuestra vida diaria en una gran variedad de entornos, como el gobierno, comercio y banca electrónicos, y el transporte terrestre y aeroespacial. La continua reducción del tamaño de los transistores ha permitido reducir su consumo y aumentar su frecuencia de funcionamiento, obteniendo por ello un mayor rendimiento global. Sin embargo, estas mismas características que mejoran el rendimiento del sistema, afectan negativamente a su confiabilidad. El uso de transistores de tamaño reducido, bajo consumo y alta velocidad, está incrementando la diversidad de fallos que pueden afectar al sistema y su probabilidad de aparición. Por lo tanto, existe un gran interés en desarrollar nuevas y eficientes técnicas para evaluar la confiabilidad, en presencia de fallos, de sistemas fabricados mediante tecnologías submicrónicas. Este problema puede abordarse por medio de la introducción deliberada de fallos en el sistema, técnica conocida como inyección de fallos. En este contexto, la inyección basada en modelos resulta muy interesante, ya que permite evaluar la confiabilidad del sistema en las primeras etapas de su ciclo de desarrollo, reduciendo por tanto el coste asociado a la corrección de errores. Sin embargo, el tiempo de simulación de modelos grandes y complejos imposibilita su aplicación en un gran número de ocasiones. Esta tesis se centra en el uso de dispositivos lógicos programables de tipo FPGA (Field-Programmable Gate Arrays) para acelerar los experimentos de inyección de fallos basados en simulación por medio de su implementación en hardware reconfigurable. Para ello, se extiende la investigación existente en inyección de fallos basada en FPGA en dos direcciones distintas: i) se realiza un estudio de las tecnologías submicrónicas existentes para obtener un conjunto representativo de modelos de fallos transitorios / Andrés Martínez, DD. (2007). Speeding-up model-based fault injection of deep-submicron CMOS fault models through dynamic and partially reconfigurable FPGAS [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/1943