For this thesis the algorithm of a Particle Filter has been partly implemented on a Zynq All-programmable SoC allowing for speed ups of up to 12 times in parts of the code. The implementation is used to track a robot in an environment known by a 2D map. Since some parts have not been implemented in hardware lots of communication is done between the hardware and software parts of the code which creates a performance bottleneck.

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Primitivas criptografias assimétricas são essenciais para conseguir comunicação segura numa rede ou meio público. Essas primitivas podem ser instaladas como bibliotecas de software ou como coprocessadores de hardware. Coprocessadores de hardware são muito utilizados em cenários como Systems on Chip (SoC), dispositivos embarcados ou servidores de aplicações específicas. Coprocessadores existentes baseados em RSA ou curvas ellipticas (ECC) fazem um processamento intenso por causa da aritmética modular de grande precisão, portanto não estão disponíveis em plataformas com quantidade de energia mais restrita. Para prover primitivas assimétricas para esses dispositivos, será avaliado um esquema de cifração assimétrica que utiliza artimética de pequena precisão, chamado McEliece. McEliece foi proposto com códigos de Goppa binários durante o mesmo ano que o RSA, porém com chaves públicas 50 vezes maiores. Por causa de chaves tão grandes ele não ganhou muita atenção como RSA e ECC. Com a adoção de códigos Quase-Diádicos de Goppa binários é possível obter níveis de segurança práticos com chaves relativamente pequenas. Para avaliar uma implementação em hardware para esse esquema, foi proposto uma arquitetura escalável que pode ser configurada de acordo com os requisitos do projeto. Essa arquitetura pode ser utilizada em todos os níveis de segurança, de 80 até 256 bits de segurança, da menor unidade até as maiores. Nossa arquitetura foi implementada na família de FPGAs Spartan 3 para códigos de Goppa binários, onde foi possível decifrar em 5854 ciclos com 4671 Slices, enquanto que na literatura os melhores resultados obtidos são de 10940 ciclos para 7331 Slices. / Asymmetric cryptographic primitives are essential to enable secure communications on public networks or public mediums. These cryptographic primitives can be deployed as software libraries or hardware coprocessors. Hardware coprocessors are mostly employed in Systems on Chip (SoC) scenarios, embedded devices, or application-specific servers. Available solutions based on RSA or Elliptic Curve Cryptography (ECC) are highly processing intensive because of the underlying extended precision modular arithmetic, and hence they are not available on the most energy constrained platforms. To provide asymmetric primitives in those restricted devices, we evaluate another asymmetric encryption scheme implementable with lightweight arithmetic, called McEliece. McEliece was proposed with binary Goppa codes during same year of RSA with public keys 50 times larger. Because of such large keys it has not gained as much attention as RSA or ECC. With the adoption of binary Quasi- Dyadic Goppa (QD-Goppa) codes it is possible to attain practical security levels with reasonably small keys. To evaluate a hardware implementation of this scheme, we investigate a scalable architecture that can be reconfigured according to project requirements. This architecture is suitable for all usual security levels, from 80 to 256-bit security, from the smallest unit to bigger ones. With our architecture implemented on a Spartan 3 FPGA for binary Goppa codes it is possible to decrypt in 5854 cycles with 4671 Slices, whilst in literature best results were in 10940 cycles with 7331 Slices.

The wide variety of interconnection structures presently nowadays for SoC (Systemon- Chip), bus and networks-on-Chip NoCs, each of them with a wide set of setup parameters, provides a huge amount of design alternatives. Although the interconnection structure is a key SoC component, there are few design tools in order to set the appropriate configuration parameters for a given application. An efficient SoC project may comply an exploration stage among the possible solutions for the communication structure, during the first steps of the design process. The absence of appropriate tools for that exploration makes critical the designer?s judgment. The present study aims to enhance the communication SoC structure design area, when a NoC is used. This work proposes a methodology that allows the establishment of the NoC communication parameters using a high level model (SystemC TLM timed). Our approach analyzes and evaluates the NoC performance under a wide variety of traffic conditions. The experimental stage was conducted employing a model of a net represented by a SystemC TLM timed (Hermes_Temp). Parametric and pseudo-random generators control the network traffic. The analysis was carried on with a tool designed for these purpose, which generates a group of performance metrics. The results allow to elucidate the global and inner network behavior. The performance values are useful for the heterogeneous and homogeneous NoC design projects, improving the performance evaluation studies scope. / The wide variety of interconnection structures presently nowadays for SoC (Systemon- Chip), bus and networks-on-Chip NoCs, each of them with a wide set of setup parameters, provides a huge amount of design alternatives. Although the interconnection structure is a key SoC component, there are few design tools in order to set the appropriate configuration parameters for a given application. An efficient SoC project may comply an exploration stage among the possible solutions for the communication structure, during the first steps of the design process. The absence of appropriate tools for that exploration makes critical the designer?s judgment. The present study aims to enhance the communication SoC structure design area, when a NoC is used. This work proposes a methodology that allows the establishment of the NoC communication parameters using a high level model (SystemC TLM timed). Our approach analyzes and evaluates the NoC performance under a wide variety of traffic conditions. The experimental stage was conducted employing a model of a net represented by a SystemC TLM timed (Hermes_Temp). Parametric and pseudo-random generators control the network traffic. The analysis was carried on with a tool designed for these purpose, which generates a group of performance metrics. The results allow to elucidate the global and inner network behavior. The performance values are useful for the heterogeneous and homogeneous NoC design projects, improving the performance evaluation studies scope.

Les circuits intégrés devenant de plus en plus complexes, leur test demande des efforts considérables se répercutant sur le coût de développement et de production de ces composants. De nombreux travaux ont donc porté sur la réduction du coût de ce test en utilisant en particulier les techniques de compression de données de test. Toutefois ces techniques n'adressent que des coeurs numériques dont les concepteurs détiennent la connaissance de toutes les informations structurelles et donc en pratique n'adressent que le test de sous-blocs d'un système complet. Dans cette thèse, nous proposons tout d'abord une nouvelle technique de compression des données de test pour les circuits intégrés compatible avec le paradigme de la conception de systèmes (SoC) à partir de fonctions pré-synthétisées (IPs ou coeurs). Puis, deux méthodes de test des systèmes utilisant la compression sont proposées. La première est relative au test des systèmes SoC utilisant l'architecture de test IEEE 1500 (avec un mécanisme d'accès au test de type bus), la deuxième concerne le test des systèmes pour lesquels la communication interne s'appuie sur des structures de type réseau sur puce (NoC). Ces deux méthodes utilisent conjointement un ordonnancement du test des coeurs du système avec une technique de compression horizontale afin d'augmenter le parallélisme du test des coeurs constituant le système et ce, à coût matériel constant. Les résultats expérimentaux sur des systèmes sur puces de référence montrent des gains de l'ordre de 50% sur le temps de test du système complet. / While microelectronics systems become more and more complex, test costs have increased in the same way. Last years have seen many works focused on test cost reduction by using test data compression. However these techniques only focus on individual digital circuits whose structural implementation (netlist) is fully known by the designer. Therefore, they are not suitable for the testing of cores of a complete system. The goal of this PhD work was to provide a new solution for test data compression of integrated circuits taking into account the paradigm of systems-on-chip (SoC) built from pre-synthesized functions (IPs or cores). Then two systems testing method using compression are proposed for two different system architectures. The first one concerns SoC with IEEE 1500 test architecture (with bus-based test access mechanism), the second one concerns NoC-based systems. Both techniques use test scheduling methods combined with test data compression for better exploration of the design space. The idea is to increase test parallelism with no hardware extra cost. Experimental results performed on system-on-chip benchmarks show that the use of test data compression leads to test time reduction of about 50% at system level.

Primitivas criptografias assimétricas são essenciais para conseguir comunicação segura numa rede ou meio público. Essas primitivas podem ser instaladas como bibliotecas de software ou como coprocessadores de hardware. Coprocessadores de hardware são muito utilizados em cenários como Systems on Chip (SoC), dispositivos embarcados ou servidores de aplicações específicas. Coprocessadores existentes baseados em RSA ou curvas ellipticas (ECC) fazem um processamento intenso por causa da aritmética modular de grande precisão, portanto não estão disponíveis em plataformas com quantidade de energia mais restrita. Para prover primitivas assimétricas para esses dispositivos, será avaliado um esquema de cifração assimétrica que utiliza artimética de pequena precisão, chamado McEliece. McEliece foi proposto com códigos de Goppa binários durante o mesmo ano que o RSA, porém com chaves públicas 50 vezes maiores. Por causa de chaves tão grandes ele não ganhou muita atenção como RSA e ECC. Com a adoção de códigos Quase-Diádicos de Goppa binários é possível obter níveis de segurança práticos com chaves relativamente pequenas. Para avaliar uma implementação em hardware para esse esquema, foi proposto uma arquitetura escalável que pode ser configurada de acordo com os requisitos do projeto. Essa arquitetura pode ser utilizada em todos os níveis de segurança, de 80 até 256 bits de segurança, da menor unidade até as maiores. Nossa arquitetura foi implementada na família de FPGAs Spartan 3 para códigos de Goppa binários, onde foi possível decifrar em 5854 ciclos com 4671 Slices, enquanto que na literatura os melhores resultados obtidos são de 10940 ciclos para 7331 Slices. / Asymmetric cryptographic primitives are essential to enable secure communications on public networks or public mediums. These cryptographic primitives can be deployed as software libraries or hardware coprocessors. Hardware coprocessors are mostly employed in Systems on Chip (SoC) scenarios, embedded devices, or application-specific servers. Available solutions based on RSA or Elliptic Curve Cryptography (ECC) are highly processing intensive because of the underlying extended precision modular arithmetic, and hence they are not available on the most energy constrained platforms. To provide asymmetric primitives in those restricted devices, we evaluate another asymmetric encryption scheme implementable with lightweight arithmetic, called McEliece. McEliece was proposed with binary Goppa codes during same year of RSA with public keys 50 times larger. Because of such large keys it has not gained as much attention as RSA or ECC. With the adoption of binary Quasi- Dyadic Goppa (QD-Goppa) codes it is possible to attain practical security levels with reasonably small keys. To evaluate a hardware implementation of this scheme, we investigate a scalable architecture that can be reconfigured according to project requirements. This architecture is suitable for all usual security levels, from 80 to 256-bit security, from the smallest unit to bigger ones. With our architecture implemented on a Spartan 3 FPGA for binary Goppa codes it is possible to decrypt in 5854 cycles with 4671 Slices, whilst in literature best results were in 10940 cycles with 7331 Slices.

O foco desta tese é a descrição e validação de uma arquitetura de interface para processamento de sinais analógicos para SOC de sinais mistos. A abordagem proposta apresenta a possibilidade de cobertura de uma larga faixa de freqüências com performance praticamente constante associada a uma estrutura digital de programação. A premissa é usar uma célula analógica fixa e promover a configuração da aplicação no domínio digital, levando a uma arquitetura de interface de sinais mistos. O emprego de um bloco analógico fixo busca eliminar a perda inerente de performance decorrente da própria estrutura de programação em circuitos reconfiguráveis analógicos. A emprego da programação no domínio digital abre espaço para usos da vasta gama de ferramentas disponíveis para o projeto em alto nível de abstração, simulação e síntese automática para implementar a aplicação alvo com excelente predição do desempenho final. A abordagem proposta baseia-se no conceito de translação em freqüência (mixagem) do sinal de entrada seguida pela sua conversão para o domínio ΣΔ. A estrutura de processamento possibilita o emprego de um bloco analógico constante, e também, um processamento uniforme de sinais de entrada indo de DC até altas freqüências. A aplicação é configurada no domínio ΣΔ onde a performance pode ser predita de acordo com as especificações alvo. Objetivando a exploração do espaço de projeto foi desenvolvido o modelo de performance teórico e de simulação. Os modelos desenvolvidos auxiliam no também no projeto físico da interface proposta. Objetivando, tanto a validação dos modelos propostos, bem como o desenvolvimento de aplicações, foram construídos dois protótipos. São apresentados os usos da interface como um ADC paramétrico multi-banda e como um multiplicador e um somador de sinais analógicos. É proposta também uma arquitetura para uma interface analógica multi-canal. Os resultados experimentais empregados para a caracterização da interface proposta suportam as vantagens da mesma. / The focus of this thesis is to discuss the development and modeling of an interface architecture to be employed for interfacing analog signals in mixed-signal SOC. We claim that the approach that is going to be presented is able to achieve wide frequency range, and covers a large range of applications with constant performance, allied to digital configuration compatibility. Our primary assumptions are to use a fixed analog block and to promote application configurability in the digital domain, which leads to a mixed-signal interface. The use of a fixed analog block avoids the performance loss common to configurable analog blocks. The usage of configurability on the digital domain makes possible the use of all existing tools for high level design, simulation and synthesis to implement the target application, with very good performance prediction. The proposed approach utilizes the concept of frequency translation (mixing) of the input signal followed by its conversion to the ΣΔ domain, which makes possible the use of a fairly constant analog block, and also, a uniform treatment of input signal from DC to high frequencies. The programmability is performed in the ΣΔ digital domain where performance can be closely achieved according to application specification. The interface performance theoretical and simulation model are developed for design space exploration and for physical design support. Two prototypes are built and characterized to validate the proposed model and to implement some application examples. The usage of this interface as a multi-band parametric ADC and as a two channels analog multiplier and adder are shown. The multi-channel analog interface architecture is also presented. The characterization measurements support the main advantages of the approach proposed.

O foco desta tese é a descrição e validação de uma arquitetura de interface para processamento de sinais analógicos para SOC de sinais mistos. A abordagem proposta apresenta a possibilidade de cobertura de uma larga faixa de freqüências com performance praticamente constante associada a uma estrutura digital de programação. A premissa é usar uma célula analógica fixa e promover a configuração da aplicação no domínio digital, levando a uma arquitetura de interface de sinais mistos. O emprego de um bloco analógico fixo busca eliminar a perda inerente de performance decorrente da própria estrutura de programação em circuitos reconfiguráveis analógicos. A emprego da programação no domínio digital abre espaço para usos da vasta gama de ferramentas disponíveis para o projeto em alto nível de abstração, simulação e síntese automática para implementar a aplicação alvo com excelente predição do desempenho final. A abordagem proposta baseia-se no conceito de translação em freqüência (mixagem) do sinal de entrada seguida pela sua conversão para o domínio ΣΔ. A estrutura de processamento possibilita o emprego de um bloco analógico constante, e também, um processamento uniforme de sinais de entrada indo de DC até altas freqüências. A aplicação é configurada no domínio ΣΔ onde a performance pode ser predita de acordo com as especificações alvo. Objetivando a exploração do espaço de projeto foi desenvolvido o modelo de performance teórico e de simulação. Os modelos desenvolvidos auxiliam no também no projeto físico da interface proposta. Objetivando, tanto a validação dos modelos propostos, bem como o desenvolvimento de aplicações, foram construídos dois protótipos. São apresentados os usos da interface como um ADC paramétrico multi-banda e como um multiplicador e um somador de sinais analógicos. É proposta também uma arquitetura para uma interface analógica multi-canal. Os resultados experimentais empregados para a caracterização da interface proposta suportam as vantagens da mesma. / The focus of this thesis is to discuss the development and modeling of an interface architecture to be employed for interfacing analog signals in mixed-signal SOC. We claim that the approach that is going to be presented is able to achieve wide frequency range, and covers a large range of applications with constant performance, allied to digital configuration compatibility. Our primary assumptions are to use a fixed analog block and to promote application configurability in the digital domain, which leads to a mixed-signal interface. The use of a fixed analog block avoids the performance loss common to configurable analog blocks. The usage of configurability on the digital domain makes possible the use of all existing tools for high level design, simulation and synthesis to implement the target application, with very good performance prediction. The proposed approach utilizes the concept of frequency translation (mixing) of the input signal followed by its conversion to the ΣΔ domain, which makes possible the use of a fairly constant analog block, and also, a uniform treatment of input signal from DC to high frequencies. The programmability is performed in the ΣΔ digital domain where performance can be closely achieved according to application specification. The interface performance theoretical and simulation model are developed for design space exploration and for physical design support. Two prototypes are built and characterized to validate the proposed model and to implement some application examples. The usage of this interface as a multi-band parametric ADC and as a two channels analog multiplier and adder are shown. The multi-channel analog interface architecture is also presented. The characterization measurements support the main advantages of the approach proposed.