A complexidade crescente (tanto da funcionalidade como da arquitetura) dos sistemas eletrônicos digitais sobre silício (conhecidos na literatura como System-on-Chip, SoC) exige novas metodologias que permitam diminuir seu tempo de desenvolvimento. O projeto no nível de sistemas (SLD) é proposto para aumentar a eficiência do projeto de SoC. SLD exige novas linguagens (como SystemC) e níveis de abstração (como TLM). A estrutura de comunicação (EC) de um SoC tem apresentado uma crescente importância devido à presença de uma maior quantidade (e funcionalidade) dos módulos a serem comunicados. Portanto, a EC apresenta um grande impacto no desempenho global do SoC. Nesta tese é proposta uma metodologia de projeto da EC chamada de MaLOC (Multi- Abstraction Level On-Chip communications structure design) que é baseada num enfoque top-down que percorre três níveis de transações (TLM). A tomada de decisões é feita utilizando-se duas importantes características que dão a originalidade a nossa proposta: 1) baseadas num conjunto de diversas métricas de desempenho que permite obter resultados mais confiáveis. 2) decisões ASAP (o mais rápido possível), antecipando a tomada de decisões utilizando níveis mais abstratos do que o RTL, permitindo diminuir o tempo de projeto da EC. Para validar a proposta uma série de análises de fidelidade foram realizadas, os resultados indicaram fidelidades maiores do que 96% e em cenários extremos maiores do que 72%. Adicionalmente os tempos de simulação no nível TLM atemporal foi até 2,6 vezes mais rápido do que o nível TLM de precisão de transferências, que foi até 1,6 vezes mais rápido do que o nível TLM de ciclos de relógio (menos abstrato). Estes resultados indicam a validade da metodologia para realizar a tomada de decisões, permitindo uma melhor exploração do espaço de projeto Os estudos de caso permitiram observar que além de configurar a EC procurando o melhor desempenho, MaLOC identificou soluções com menor consumo de energia, através do uso de um conjunto diverso de métricas, e configuração de parâmetros do sistema (tamanho da memória). Estas duas situações indicam o potencial que a metodologia apresenta para o projeto de diferentes tipos de EC, assim como de diferentes componentes de um SoC. / Modern and future System on Chip design requires several methodologies in order to handle their growing complexity (of both functional and architectural issues). System Level Design has emerged as a solution to handle the complex of nowadays and future SoC designs, increasing their efficiency and reducing the time to market. SLD requires new modeling languages (such as SystemC) and abstraction levels (such as Transaction Level Modeling - TLM). The integration of very different and composite IP cores into a SoC makes their physical and logical integration a very difficult task. Hence, the communication structure (CS) presents a significant impact on the SOC global performance. This thesis proposes a novel methodology named MaLOC (Multi-Abstraction Level On- Chip communications structure design) that uses a top-down approach. The parameters configuration is driven by two important considerations: 1) performance metrics based, this enables to obtain a most reliable solution; 2) an ASAP configuration schedule, this enables to reduce the CS design time through the use of higher abstraction levels. A fidelity test was performed. The results showed that in extreme conditions (such as burst size higher than time between transactions) the fidelity obtained was higher than 72%. In normal cases (burst size similar to the time between transactions) the fidelity was higher than 96%. The simulations execution times were compared among the three TLM levels and the results showed that TLM untimed simulations were 2.6 times faster than the TLM transfer accurate, also these were 1.6 times faster than the TLM cycle accurate. This means that TLM untimed simulations are 4 times faster than TLM Cycle accurate, enabling a enhanced space design exploration. The case studies performed showed that MaLOC can be useful to identify solutions that satisfy the performance required reducing the power consumption (reducing activities across the bus). Also, a system parameter was defined using the methodology (memory banks). These two situations indicate the MaLOC potential to design several CS types and SoC configuration parameters.

A complexidade crescente (tanto da funcionalidade como da arquitetura) dos sistemas eletrônicos digitais sobre silício (conhecidos na literatura como System-on-Chip, SoC) exige novas metodologias que permitam diminuir seu tempo de desenvolvimento. O projeto no nível de sistemas (SLD) é proposto para aumentar a eficiência do projeto de SoC. SLD exige novas linguagens (como SystemC) e níveis de abstração (como TLM). A estrutura de comunicação (EC) de um SoC tem apresentado uma crescente importância devido à presença de uma maior quantidade (e funcionalidade) dos módulos a serem comunicados. Portanto, a EC apresenta um grande impacto no desempenho global do SoC. Nesta tese é proposta uma metodologia de projeto da EC chamada de MaLOC (Multi- Abstraction Level On-Chip communications structure design) que é baseada num enfoque top-down que percorre três níveis de transações (TLM). A tomada de decisões é feita utilizando-se duas importantes características que dão a originalidade a nossa proposta: 1) baseadas num conjunto de diversas métricas de desempenho que permite obter resultados mais confiáveis. 2) decisões ASAP (o mais rápido possível), antecipando a tomada de decisões utilizando níveis mais abstratos do que o RTL, permitindo diminuir o tempo de projeto da EC. Para validar a proposta uma série de análises de fidelidade foram realizadas, os resultados indicaram fidelidades maiores do que 96% e em cenários extremos maiores do que 72%. Adicionalmente os tempos de simulação no nível TLM atemporal foi até 2,6 vezes mais rápido do que o nível TLM de precisão de transferências, que foi até 1,6 vezes mais rápido do que o nível TLM de ciclos de relógio (menos abstrato). Estes resultados indicam a validade da metodologia para realizar a tomada de decisões, permitindo uma melhor exploração do espaço de projeto Os estudos de caso permitiram observar que além de configurar a EC procurando o melhor desempenho, MaLOC identificou soluções com menor consumo de energia, através do uso de um conjunto diverso de métricas, e configuração de parâmetros do sistema (tamanho da memória). Estas duas situações indicam o potencial que a metodologia apresenta para o projeto de diferentes tipos de EC, assim como de diferentes componentes de um SoC. / Modern and future System on Chip design requires several methodologies in order to handle their growing complexity (of both functional and architectural issues). System Level Design has emerged as a solution to handle the complex of nowadays and future SoC designs, increasing their efficiency and reducing the time to market. SLD requires new modeling languages (such as SystemC) and abstraction levels (such as Transaction Level Modeling - TLM). The integration of very different and composite IP cores into a SoC makes their physical and logical integration a very difficult task. Hence, the communication structure (CS) presents a significant impact on the SOC global performance. This thesis proposes a novel methodology named MaLOC (Multi-Abstraction Level On- Chip communications structure design) that uses a top-down approach. The parameters configuration is driven by two important considerations: 1) performance metrics based, this enables to obtain a most reliable solution; 2) an ASAP configuration schedule, this enables to reduce the CS design time through the use of higher abstraction levels. A fidelity test was performed. The results showed that in extreme conditions (such as burst size higher than time between transactions) the fidelity obtained was higher than 72%. In normal cases (burst size similar to the time between transactions) the fidelity was higher than 96%. The simulations execution times were compared among the three TLM levels and the results showed that TLM untimed simulations were 2.6 times faster than the TLM transfer accurate, also these were 1.6 times faster than the TLM cycle accurate. This means that TLM untimed simulations are 4 times faster than TLM Cycle accurate, enabling a enhanced space design exploration. The case studies performed showed that MaLOC can be useful to identify solutions that satisfy the performance required reducing the power consumption (reducing activities across the bus). Also, a system parameter was defined using the methodology (memory banks). These two situations indicate the MaLOC potential to design several CS types and SoC configuration parameters.

The present work aims to provide a contribution to improve the efficiency the design flow of integrated systems, focusing, specifically, on the performance evaluation of its communication structures. The use of Transaction Level Modeling (TLM) is proposed, in order to take advantage of the reduction of design effort and time. Within the performance evaluation approaches, the utilization of traffic generators instead of full system simulations started to be adopted due to its higher time efficiency. Initial works on on-chip traffic generation focused on Poisson processes and classic Markovian models, which are unable to capture Long Range Dependence (LRD). This fact led to the adoption of fractal/self-similar models. Later advancements have shown that the traffic produced in multiprocessed systems can show higher degrees of complexity, what can be attributed to the presence multifractal characteristics. In this work, a methodology to evaluate the on-chip traffic and to the development of a transaction level traffic generator is proposed. The main contributions of this work are a detailed analysis of traffic time series obtained by TLM simulations and the study of the effects of the traffic generator on these simulations, concerning, mainly, the speedup-accuracy trade-off. The proposed analysis follow the multifractal paradigm, allowing system developers to (1) understand the statistical nature of on-chip traffic, (2) to obtain accurate representations of this traffic and (3) to build traffic generators that mimic processing elements realistically. Another contribution of this work is a comparison of the performance, considering the accuracy of the obtained synthetic traffic time series, between monofractal and multifractal models. All of the mentioned contributions were grouped throughout the detailed methodology presented on the present document, for which experiments were carried out. / O presente trabalho visa oferecer uma contribuição para o aumentar a eficiência do fluxo de projeto de sistemas integrados, focando, especificamente, na avaliação do desempenho de suas estruturas de comunicação. É proposta a utilização de simulações com modelos no nível de transações (TLM), com o objetivo de se obter vantagens da redução de esforço e tempo de projeto oferecidos por esta abordagem. Dentro das propostas de análise de desempenho, a utilização de geradores de tráfego ao invés simulações de sistema completo tem sido adotada devido a sua maior eficiência no tempo. Trabalhos iniciais na geração de tráfego intrachip focaram-se em processos de Poisson e em modelos de Markov clássicos, os quais não capturam Dependência de Longa Duração (LRD). Este fato levou a adoção de modelos fractais/auto-similares. Avanços posteriores mostraram que o tráfego produzido pelos elementos de sistemas multiprocessados podem apresentar maior grau de complexidade, que pode ser atribuída à presença de características multifractais. Neste trabalho, é proposta uma metodologia para a avaliação de tráfego intrachip para o desenvolvimento de um gerador de tráfego TLM. As principais contribuições deste trabalho são uma análise detalhada das séries temporais de tráfego obtidas nas simulações TLM e o estudo dos efeitos que o gerador de tráfego exerce sobre estas simulações, se concentrando, principalmente, na relação entre precisão e aceleração da simulação. As análises propostas se baseiam no paradigma multifractal, o qual permite (1) um maior entendimento da natureza estatística do tráfego pelos desenvolvedores de sistemas, (2) a obtenção de uma representação precisa deste tráfego e (3) a construção de geradores de tráfego que substituam elementos processantes de maneira realista. Outra contribuição deste trabalho é a comparação do desempenho, no que concerne a precisão das séries de tráfego sintéticas obtidas, de modelos monofractais e multifractais. Todas as contribuições mencionadas foram agrupadas na metodologia detalhada, apresentada no presente documento, sobre a qual experimentos foram realizados.

A introdução de software em sistemas de aplicações críticas traz consigo questões relacionadas à segurança (safety) que, durante muito tempo recaíram predominantemente sobre o desenvolvimento do hardware que compunha tais sistemas. Atualmente, padrões relacionados à segurança de software avaliam qualitativamente o impacto do seu uso sobre sistemas suscetíveis a falhas de natureza randômica. A pesquisa aqui desenvolvida visa, em complemento a outras investigações já realizadas, avaliar quantitativamente diversas técnicas de programação defensiva em função de sua representatividade no quesito segurança de sistemas de aplicação crítica tolerantes a erros. Como objetivo essencial, buscou-se avaliar o comportamento adquirido por um sistema tolerante a erros quando submetido a um processo de injeção de falhas por software. A tolerância a erros do sistema de aplicação crítica em estudo é alcançada, através de técnicas de programação defensiva aplicadas ao software original. Foram aplicadas diversas técnicas de programação defensiva e diversas combinações entre elas, de modo que foi possível avaliar quantitativamente e identificar possíveis padrões de níveis de segurança adquiridos em cada caso. / The introduction of software systems for critical applications raises safety issues that have long fell predominantly on the development of the hardware composing such systems. Currently, standards related to safety software qualitatively assess the impact of their use on systems sensitive to random errors. The research developed here seeks, in addition to other previous investigations, to quantitatively evaluate different techniques of defensive programming in function of their safety level in fault-tolerant safety critical systems. As a key objective, we sought to evaluate the behavior acquired by a fault-tolerant system when subjected to a software fault injection process. The fault-tolerance system, in a typical critical application under study, is achieved through the application of defensive programming techniques over the original software. Many defensive programming techniques and various combinations among them were applied, hence making it possible to quantitatively assess and identify possible patterns of safety levels acquired in each case.

The present work aims to provide a contribution to improve the efficiency the design flow of integrated systems, focusing, specifically, on the performance evaluation of its communication structures. The use of Transaction Level Modeling (TLM) is proposed, in order to take advantage of the reduction of design effort and time. Within the performance evaluation approaches, the utilization of traffic generators instead of full system simulations started to be adopted due to its higher time efficiency. Initial works on on-chip traffic generation focused on Poisson processes and classic Markovian models, which are unable to capture Long Range Dependence (LRD). This fact led to the adoption of fractal/self-similar models. Later advancements have shown that the traffic produced in multiprocessed systems can show higher degrees of complexity, what can be attributed to the presence multifractal characteristics. In this work, a methodology to evaluate the on-chip traffic and to the development of a transaction level traffic generator is proposed. The main contributions of this work are a detailed analysis of traffic time series obtained by TLM simulations and the study of the effects of the traffic generator on these simulations, concerning, mainly, the speedup-accuracy trade-off. The proposed analysis follow the multifractal paradigm, allowing system developers to (1) understand the statistical nature of on-chip traffic, (2) to obtain accurate representations of this traffic and (3) to build traffic generators that mimic processing elements realistically. Another contribution of this work is a comparison of the performance, considering the accuracy of the obtained synthetic traffic time series, between monofractal and multifractal models. All of the mentioned contributions were grouped throughout the detailed methodology presented on the present document, for which experiments were carried out. / O presente trabalho visa oferecer uma contribuição para o aumentar a eficiência do fluxo de projeto de sistemas integrados, focando, especificamente, na avaliação do desempenho de suas estruturas de comunicação. É proposta a utilização de simulações com modelos no nível de transações (TLM), com o objetivo de se obter vantagens da redução de esforço e tempo de projeto oferecidos por esta abordagem. Dentro das propostas de análise de desempenho, a utilização de geradores de tráfego ao invés simulações de sistema completo tem sido adotada devido a sua maior eficiência no tempo. Trabalhos iniciais na geração de tráfego intrachip focaram-se em processos de Poisson e em modelos de Markov clássicos, os quais não capturam Dependência de Longa Duração (LRD). Este fato levou a adoção de modelos fractais/auto-similares. Avanços posteriores mostraram que o tráfego produzido pelos elementos de sistemas multiprocessados podem apresentar maior grau de complexidade, que pode ser atribuída à presença de características multifractais. Neste trabalho, é proposta uma metodologia para a avaliação de tráfego intrachip para o desenvolvimento de um gerador de tráfego TLM. As principais contribuições deste trabalho são uma análise detalhada das séries temporais de tráfego obtidas nas simulações TLM e o estudo dos efeitos que o gerador de tráfego exerce sobre estas simulações, se concentrando, principalmente, na relação entre precisão e aceleração da simulação. As análises propostas se baseiam no paradigma multifractal, o qual permite (1) um maior entendimento da natureza estatística do tráfego pelos desenvolvedores de sistemas, (2) a obtenção de uma representação precisa deste tráfego e (3) a construção de geradores de tráfego que substituam elementos processantes de maneira realista. Outra contribuição deste trabalho é a comparação do desempenho, no que concerne a precisão das séries de tráfego sintéticas obtidas, de modelos monofractais e multifractais. Todas as contribuições mencionadas foram agrupadas na metodologia detalhada, apresentada no presente documento, sobre a qual experimentos foram realizados.

A introdução de software em sistemas de aplicações críticas traz consigo questões relacionadas à segurança (safety) que, durante muito tempo recaíram predominantemente sobre o desenvolvimento do hardware que compunha tais sistemas. Atualmente, padrões relacionados à segurança de software avaliam qualitativamente o impacto do seu uso sobre sistemas suscetíveis a falhas de natureza randômica. A pesquisa aqui desenvolvida visa, em complemento a outras investigações já realizadas, avaliar quantitativamente diversas técnicas de programação defensiva em função de sua representatividade no quesito segurança de sistemas de aplicação crítica tolerantes a erros. Como objetivo essencial, buscou-se avaliar o comportamento adquirido por um sistema tolerante a erros quando submetido a um processo de injeção de falhas por software. A tolerância a erros do sistema de aplicação crítica em estudo é alcançada, através de técnicas de programação defensiva aplicadas ao software original. Foram aplicadas diversas técnicas de programação defensiva e diversas combinações entre elas, de modo que foi possível avaliar quantitativamente e identificar possíveis padrões de níveis de segurança adquiridos em cada caso. / The introduction of software systems for critical applications raises safety issues that have long fell predominantly on the development of the hardware composing such systems. Currently, standards related to safety software qualitatively assess the impact of their use on systems sensitive to random errors. The research developed here seeks, in addition to other previous investigations, to quantitatively evaluate different techniques of defensive programming in function of their safety level in fault-tolerant safety critical systems. As a key objective, we sought to evaluate the behavior acquired by a fault-tolerant system when subjected to a software fault injection process. The fault-tolerance system, in a typical critical application under study, is achieved through the application of defensive programming techniques over the original software. Many defensive programming techniques and various combinations among them were applied, hence making it possible to quantitatively assess and identify possible patterns of safety levels acquired in each case.