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.

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.

Submitted by Johnny Rodrigues (johnnyrodrigues@ufcg.edu.br) on 2018-08-14T16:17:21Z No. of bitstreams: 1 ALISSON VASCONCELOS DE BRITO - TESE PPGEE 2008..pdf: 1652398 bytes, checksum: 6964f25d961b89464dcb3e5f6d792f12 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-08-14T16:17:21Z (GMT). No. of bitstreams: 1 ALISSON VASCONCELOS DE BRITO - TESE PPGEE 2008..pdf: 1652398 bytes, checksum: 6964f25d961b89464dcb3e5f6d792f12 (MD5) Previous issue date: 2008-03 / Uma metodologia inovativa para modelagem e simulação de sistemas parcial e dinamicamente reconfiguráveis é apresentada neste trabalho. Como a reconfiguração dinâmica pode ser vista como o processo de remoção e inserção de módulos num sistema, a metodologia apresentada é baseada no bloqueio da execução de módulos não configurados durante a simulação, sem que o restante do sistema pare sua atividade normal. Uma vez provida a possibilidade de remover, inserir e trocar módulos durante a simulação, todos sistemas modelados utilizando este simulador podem se beneficiar das reconfigurações dinâmicas. Com o objetivo de provar os conceitos definidos, modificações no núcleo do SystemC foram realizadas, adicionando novas instruções para desconfigurar e reconfigurar módulos em tempo de simulação, permitindo que o simulador seja utilizado tanto em nível de transações (TLM), como no nível de transferência entre registradores (RTL). No nível TLM ele permite a modelagem de sistemas de hardware num nível maior de abstração, assim como sua integração com softwares embarcados, enquanto que no nível RTL, o comportamento dinâmico do sistema pode ser observado no nível de sinais. Ao mesmo tempo em que todos os níveis de abstração podem ser simulados, todas possíveis granularidade podem ser consideradas. De forma geral, todo sistema capaz de ser simulado utilizando SystemC pode também ter seu comportamento modificado em tempo de execução. O conjunto de instruções desenvolvidas reduz o tempo de ciclo de projeto. Comparado a estratégias tradicionais, informações sobre o comportamento adaptativo e dinâmico dos sistemas estarão disponíveis nos estágios mais iniciais do desenvolvimento. Três aplicações diferentes foram desenvolvidas utilizando esta metodologia em diferentes níveis de abstração e granularidade. Considerações foram feitas a respeito da decisão sobre como aplicar a reconfiguração dinâmica da melhor forma possível. Os resultados adquiridos auxiliam os projetistas na escolha da melhor relação custo/benefício em termos de área de chip ocupada e atraso necessário para reconfiguração. / An innovative methodology to model and simulate partial and dynamic reconfiguration is presented in this work. As dynamic reconfiguration can be seen as the remove and reinsertion of modules into the system, the presented methodology is based on the execution blocking of not configured modules during the simulation, without interfere on the normal system activity. Once the simulator provides the possibility to remove, insert and exchange modules during simulation, all systems modeled on this simulator can have the benefit of the dynamic reconfigurations. In order to prove the concept, modifications on the SystemC kernel were developed, adding new instructions to remove and reconfigure modules at simulation time, enabling the simulator to be used either at transaction level (TLM) or at register transfer level (RTL). At TLM it allows the modeling and simulation of higher-level hardware and embedded software, while at RTL the dynamic system behavior can be observed at signals level. At the same time all the abstraction levels can be modeled and simulated, all system granularity can also be considered. At the end, every system able to be simulated using SystemC can also has your behavior changed on run-time. The provided set of instructions decreases the design cycle time. Compared with traditional strategies, information about dynamic and adaptive behavior will be available at earlier stages. Three different applications were developed using the methodology at different abstract levels and granularities. Considerations about the decision on how to apply dynamic reconfiguration in the better way are also made. The acquired results assist the designers on choosing the best cost/benefit tradeoff in terms of chip area and reconfiguration delay.

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.