Die Dissertationsschrift stellt eine Toolkette zum abstrakten Entwurf von Mikrosystemen vor. Mikrosysteme können aus Elementen verschiedener physikalischer Domänen bestehen und zusätzlich digitale Hardware sowie Software enthalten. Die Erfassung und Formalisierung dieser heterogenen Systeme stellt den ersten Schritt im Entwurfsprozess dar, die damit verbundene neue Methodik des Designs von Mikrosystemen bildet den Kern der vorliegenden Arbeit. Zur Erfassung der analogen Spezifikationsteile enthält die Arbeit die Schilderung und Implementierung neuer Datenstrukturen, die ausgehend von einer ausführlichen Anforderungsanalyse geschaffen wurden. Das abstrakte Systemverhalten wird mit Hilfe hybrider Automaten modelliert, die sowohl mit speziellen hybriden Werkzeugen als auch mit SystemC-AMS simulierbar sind. Darüber hinaus beschäftigt sich die Arbeit mit der Erfassung von Signalverläufen und Schaltplaninformationen. Die formalisierten Anforderungen ermöglichen erste Prüfungen der Spezifikation auf Konsistenz. Zur Unterstützung niedriger Abstraktionsebenen wie der Differentialgleichungsebene steht ein Wandler von SystemC-AMS nach VHDL-AMS bereit. In die Systembeschreibung mit SystemC-AMS ist die Definition und Verknüpfung von Kostenparametern integrierbar. Das daraus entstehende globale Gütemaß hilft dem Entwerferteam, die optimale Systemrealisierung zu finden. / The PhD thesis proposes a toolflow for the design of microsystems on higher abstraction levels. Microsystems may consist of components using effects in different physical domains plus additional digital hardware and software. The collection and formalization of these heterogeneous systems is a first step in the design process, the associated design method ist the key point of this work. The system behavior is modeled using hybrid automata, which are checkable using hybrid modelcheckers and simulable using SystemC-AMS. Furthermore the work deals with signal forms and circuit parameters. To support modeling on lower abstraction levels like differential algebraic equations a syntax conversion from SystemC-AMS to VHDL-AMS was included. The integration of cost factors into SystemC-AMS allows design space exploration during system simulation.

Submitted by Automa??o e Estat?stica (sst@bczm.ufrn.br) on 2016-03-31T22:51:29Z No. of bitstreams: 1 EridenesFernandesDeQueiroz_DISSERT.pdf: 2172856 bytes, checksum: c0623801f61f91802fc4d7deb05fbca0 (MD5) / Approved for entry into archive by Arlan Eloi Leite Silva (eloihistoriador@yahoo.com.br) on 2016-04-04T20:18:39Z (GMT) No. of bitstreams: 1 EridenesFernandesDeQueiroz_DISSERT.pdf: 2172856 bytes, checksum: c0623801f61f91802fc4d7deb05fbca0 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-04-04T20:18:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 EridenesFernandesDeQueiroz_DISSERT.pdf: 2172856 bytes, checksum: c0623801f61f91802fc4d7deb05fbca0 (MD5) Previous issue date: 2015-05-28 / Coordena??o de Aperfei?oamento de Pessoal de N?vel Superior - CAPES / Este trabalho tem como objetivo propor, implementar e validar um modelo para o consumo de energia em n?s de uma Rede de Sensores Sem Fio (RSSF). O modelo proposto foi implementada uma m?quina de estados finitos utilizando a ferramenta de modelagem e simula??o SystemC-AMS com o objetivo de simular o consumo de energia de um n?-sensor em um ambiente de comunica??o real. A mesma m?quina de estados tamb?m foi implementada na plataforma Stateflow com o objetivo de comparar os resultados obtidos na simula??o com SystemC-AMS. O consumo de energia nos diferentes estados de opera??o foi determinado medindo a corrente de dreno utilizada para aquisi??o de dados do sensor e para a comunica??o com os outros n?s da rede. Al?m de simular o consumo de energia, o ambiente de simula??o tamb?m utiliza um modelo de descarga para fazer a an?lise da situa??o energ?tica atual da bateria. Esta an?lise resulta em um gr?fico de varia??o de tens?o e estado de carga da bateria (SOC). Por fim, ? realizado um estudo de caso do consumo de energia em RSSF aplicado a aquicultura. Tal estudo tem como objetivo analisar o modo de aquisi??o e comunica??o de dados da rede. Com esta an?lise ? poss?vel fazer ajustes nos n?-sensores de modo a reduzir o consumo de energia total da rede. / This work aims at modeling power consumption at the nodes of a Wireless Sensor Network (WSN). For doing so, a finite state machine was implemented by means of SystemC-AMS and Stateflow modeling and simulation tools. In order to achieve this goal, communication data in a WSN were collected. Based on the collected data, a simulation environment for power consumption characterization, which aimed at describing the network operation, was developed. Other than performing power consumption simulation, this environment also takes into account a discharging model as to analyze the battery charge level at any given moment. Such analysis result in a graph illustrating the battery voltage variations as well as its state of charge (SOC). Finally, a case study of the WSN power consumption aims to analyze the acquisition mode and network data communication. With this analysis, it is possible make adjustments in node-sensors to reduce the total power consumption of the network.

En raison de l'évolution technologique, l'analyse de l'intégrité du signal est devenue de plus en plus critique dans la conception des systèmes électroniques. Plusieurs méthodes d'analyse ont été proposées et sont utilisées. Cependant, l'hétérogénéité croissante des systèmes et la réduction du temps de mise sur le marché des applications font que les concepteurs ont besoin de nouvelles méthodes travaillant à haut niveau d'abstraction, afin qu'elles puissent être intégrées facilement à un modèle au niveau système de l'application, et ainsi analyser l'intégrité du signal au plus tôt dans le cycle de conception. Dans cette thèse, nous proposons une méthode basée sur deux types de blocs complémentaires, nommés blocs fonctionnels et blocs non-fonctionnels, décrits à l'aide d'un même langage (C/C++ et SystemC/SystemC-AMS), et donc aisément simulables dans un unique environnement. Les blocs fonctionnels servent à modéliser les comportements idéaux du système. Les comportements non-idéaux, engendrés par les problèmes d'intégrité du signal, sont modélisés dans les blocs non-fonctionnels à l'aide de réseaux de neurones. Pour valider notre méthodologie, deux applications autour des bus I2C et USB 3.0 ont été modélisées. Les résultats de simulations démontrent la faisabilité de notre méthodologie. En la comparant à des modèles de référence, notre méthode permet de réduire de façon remarquable le temps de simulation (99% par rapport à un modèle SPICE) et l'écart moyen est d'environ 3%. Notre méthode offre enfin certaines possibilités de flexibilité et de modularité. Dans le futur, cette méthode originale pourra être intégrée au flot de conception de systèmes cyber-physiques. / As a result of continuing growth of electronic technology, signal integrity analysis has now become a more and more critical challenge in the electronic systems design process. To address this issue, designers have introduced several approaches. However, due to the higher heterogeneity of modern applications, along with time-to-market constraints, a new modeling methodology is required to provide the system?s signal integrity performance at a high-level of abstraction. Moreover, it should be easily interoperable with the system?s functional model. The aim of this work is to propose a new modeling methodology for signal integrity analysis that can meet these requirements. Our method is based on the combination of two kinds of blocks, named functional blocks and non-functional blocks. They are built in C/C++ or SystemC/SystemC-AMS, in order to be easily simulated in a single environment. The functional block is used to model the ideal behavior of the system. The non-functional block is used to represent the highly nonlinear and non-ideal behaviors, caused by signal integrity issues. In the non-functional block, neural networks are used to model these non-ideal behaviors. To validate our method, we developed two applications based on I2C and USB 3.0 applications. Our method greatly increases simulation speed (99% faster than a SPICE model), while achieving a relative absolute error around 3%. Finally, our method is a flexible and modular approach since models can easily be parameterized and interoperable. In the future, this original method for high-level modeling of signal integrity could be integrated in the forthcoming design flows of cyber-physical systems.

Les systèmes sur puces intègrent aujourd'hui sur le même substrat des parties analogiques et des unités de traitement numérique. Tandis que la complexité de ces systèmes s'accroissait, leur temps de mise sur le marché se réduisait. Une conception descendante globale et coordonnée du système est devenue indispensable de façon à tenir compte des interactions entre les parties analogiques et les partis numériques dès le début du développement. Dans le but de répondre à ce besoin, cette thèse expose un processus de raffinement progressif et méthodique des parties analogiques, comparable à ce qui existe pour le raffinement des parties numériques. L'attention a été plus particulièrement portée sur la définition des niveaux analogiques les plus abstraits et à la mise en correspondance des niveaux d'abstraction entre parties analogiques et numériques. La cohérence du raffinement analogique exige de détecter le niveau d'abstraction à partir duquel l'utilisation d'un modèle trop idéalisé conduit à des comportements irréalistes et par conséquent d'identifier l'étape du raffinement à partir de laquelle les limitations et les non linéarités aux conséquences les plus fortes sur le comportement doivent être introduites. Cette étape peut être d'un niveau d'abstraction élevé. Le choix du style de modélisation le mieux adapté à chaque niveau d'abstraction est crucial pour atteindre le meilleur compromis entre vitesse de simulation et précision. Les styles de modélisations possibles à chaque niveau ont été examinés de façon à évaluer leur impact sur la simulation. Les différents modèles de calcul de SystemC-AMS ont été catégorisés dans cet objectif. Les temps de simulation obtenus avec SystemC-AMS ont été comparés avec Matlab Simulink. L'interface entre les modèles issus de l'exploration d'architecture, encore assez abstraits, et les modèles plus fin requis pour l'implémentation, est une question qui reste entière. Une bibliothèque de composants électroniques complexes décrits en SystemC-AMS avec le modèle de calcul le plus précis (modélisation ELN) pourrait être une voie pour réussir une telle interface. Afin d'illustrer ce que pourrait être un élément d'une telle bibliothèque et ainsi démontrer la faisabilité du concept, un modèle d'amplificateur opérationnel a été élaboré de façon à être suffisamment détaillé pour prendre en compte la saturation de la tension de sortie et la vitesse de balayage finie, tout en gardant un niveau d'abstraction suffisamment élevé pour rester indépendant de toute hypothèse sur la structure interne de l'amplificateur ou la technologie à employer.

Die Dissertationsschrift stellt eine Toolkette zum abstrakten Entwurf von Mikrosystemen vor. Mikrosysteme können aus Elementen verschiedener physikalischer Domänen bestehen und zusätzlich digitale Hardware sowie Software enthalten. Die Erfassung und Formalisierung dieser heterogenen Systeme stellt den ersten Schritt im Entwurfsprozess dar, die damit verbundene neue Methodik des Designs von Mikrosystemen bildet den Kern der vorliegenden Arbeit. Zur Erfassung der analogen Spezifikationsteile enthält die Arbeit die Schilderung und Implementierung neuer Datenstrukturen, die ausgehend von einer ausführlichen Anforderungsanalyse geschaffen wurden. Das abstrakte Systemverhalten wird mit Hilfe hybrider Automaten modelliert, die sowohl mit speziellen hybriden Werkzeugen als auch mit SystemC-AMS simulierbar sind. Darüber hinaus beschäftigt sich die Arbeit mit der Erfassung von Signalverläufen und Schaltplaninformationen. Die formalisierten Anforderungen ermöglichen erste Prüfungen der Spezifikation auf Konsistenz. Zur Unterstützung niedriger Abstraktionsebenen wie der Differentialgleichungsebene steht ein Wandler von SystemC-AMS nach VHDL-AMS bereit. In die Systembeschreibung mit SystemC-AMS ist die Definition und Verknüpfung von Kostenparametern integrierbar. Das daraus entstehende globale Gütemaß hilft dem Entwerferteam, die optimale Systemrealisierung zu finden. / The PhD thesis proposes a toolflow for the design of microsystems on higher abstraction levels. Microsystems may consist of components using effects in different physical domains plus additional digital hardware and software. The collection and formalization of these heterogeneous systems is a first step in the design process, the associated design method ist the key point of this work. The system behavior is modeled using hybrid automata, which are checkable using hybrid modelcheckers and simulable using SystemC-AMS. Furthermore the work deals with signal forms and circuit parameters. To support modeling on lower abstraction levels like differential algebraic equations a syntax conversion from SystemC-AMS to VHDL-AMS was included. The integration of cost factors into SystemC-AMS allows design space exploration during system simulation.

Die Simulation heterogener Systeme auf hoher Abstraktionsebene gewinnt auf Grund der zunehmenden Komplexität technischer Systeme stetig an Bedeutung. Unter heterogenen Systemen versteht man technische Systeme, die aus analoger und digitaler Elektronik, aus Komponenten verschiedener physikalischer Domänen wie mechanischen Strukturen, thermischen und optischen Komponenten sowie aus Software bestehen können. Genügte es bisher, die einzelnen Komponenten für sich in ihrer eigenen Domäne mit einem speziellen Simulator zu simulieren, so ist es heute unerläßlich, auch die Interaktionen zwischen den Komponenten zu erfassen. Um solche Systeme mit einer einheitlichen Beschreibungsform erfassen zu können, entstand aus der digitalen Hardwarebeschreibungssprache VHDL die Systembeschreibungssprache VHDL-AMS. Bei der Modellierung eines Systems muß das tatsächliche Verhalten der Komponenten abstrahiert werden, um mathematisch erfaßbar und in begrenzter Zeit simulierbar zu sein. Der Grad der Abstraktion beeinflußt jedoch die Genauigkeit der Simulationsergebnisse wesentlich. Dabei muß bzw. kann das Verhalten in unterschiedlichen Komponenten unterschiedlich stark abstrahiert werden, um noch akzeptable Simulationsgenauigkeiten erzielen zu können. VHDL-AMS erlaubt die Beschreibung von Komponenten auf unterschiedlichen Abstraktionsniveaus. Man kann die unterschiedlich abstrakten Modelle der Komponenten aber nur schwer in einer Systemsimulation gemeinsam simulieren, da unterschiedlich abstrakte Modelle auch unterschiedlich abstrakte Schnittstellen aufweisen, so daß die Modelle nur mühsam miteinander verbunden werden können. Ein Austausch eines abstrakten Modells einer Komponente gegen ein weniger abstraktes Modell oder umgekehrt ist mit vielen fehleranfälligen und zeitaufwendigen Anpassungsschritten verbunden. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein methodischer Ansatz vorgestellt, der es auf der Basis einer Vereinheitlichung der Modellschnittstellen ermöglicht, unterschiedlich abstrakte Modelle gemeinsam zu simulieren und einzelne Modelle gegen abstraktere oder weniger abstrakte Modelle ohne nennenswerten Zeit- und Modellierungsaufwand auszutauschen. Es werden die zu verwendenden Interfaceobjekte und Datentypen für digitale, analoge elektrische und nichtelektrische Schnittstellen unter VHDL-AMS und SystemC-AMS vorgestellt. Ebenso werden Methoden vorgestellt, die digitales, ereignisdiskretes Verhalten auf konservative elektrische Schnittstellen bzw. nichtkonservatives analoges Verhalten auf digitale Schnittstellen abbilden. Weiterhin wird erläutert, wie sich digitale Protokolle über Abstraktionsebenen hinweg übertragen lassen und ein modifizierter Top-Down Design-Flow vorgestellt. Die Demonstration der Anwendbarkeit der Methode erfolgt anhand eines Beispiels.

L’objet de la thèse est la modélisation de systèmes hétérogènes intégrant différents domaines de la physique et à signaux mixtes, numériques et analogiques (AMS). Une étude approfondie de différentes techniques d’extraction et de calibration de modèles comportementaux de composants analogiques à différents niveaux d’abstraction et de précision est présentée. Cette étude a mis en lumière trois approches principales qui ont été validées par la modélisation de plusieurs applications issues de divers domaines: un amplificateur faible bruit (LNA), un capteur chimique basé sur des ondes acoustiques de surface (SAW), le développement à plusieurs niveaux d’abstraction d’un capteur CMOS vidéo, et son intégration dans une plateforme industrielle. Les outils développés sont basés sur les extensions AMS du standard IEEE 1666 SystemC mais les techniques proposées sont facilement transposables à d’autres langages tels que VHDL-AMS ou Verilog-AMS utilisés en conception de dispositifs mixtes. / The thesis objective is the modeling of heterogeneous systems. Such systems integrate different physical domains (mechanical, chemical, optical or magnetic) therefore integrate analog and mixed- signal (AMS) parts. The aim is to provide a methodology based on high-level modeling for assisting both the design and the verification of AMS systems. A study on different techniques for extracting behavioral models of analog devices at different abstraction levels and computational weights is presented. Three approaches are identified and regrouped in three techniques. These techniques have been validated through the virtual prototyping of different applications issued from different domains: a low noise amplifier (LNA), a surface acoustic wave-based (SAW) chemical sensor, a CMOS video sensor with models developed at different abstraction levels and their integration within an industrial platform. The flows developed are based on the AMS extensions of the SystemC (IEEE 1666) standard but the methodologies can be implemented using other Analog Hardware Description Languages (VHDL-AMS, Verilog-AMS) typically used for mixed-signal microelectronics design.

L'objet de la thèse est la modélisation de systèmes hétérogènes intégrant différents domaines de la physique et à signaux mixtes, numériques et analogiques (AMS). Une étude approfondie de différentes techniques d'extraction et de calibration de modèles comportementaux de composants analogiques à différents niveaux d'abstraction et de précision est présentée. Cette étude a mis en lumière trois approches principales qui ont été validées par la modélisation de plusieurs applications issues de divers domaines: un amplificateur faible bruit (LNA), un capteur chimique basé sur des ondes acoustiques de surface (SAW), le développement à plusieurs niveaux d'abstraction d'un capteur CMOS vidéo, et son intégration dans une plateforme industrielle. Les outils développés sont basés sur les extensions AMS du standard IEEE 1666 SystemC mais les techniques proposées sont facilement transposables à d'autres langages tels que VHDL-AMS ou Verilog-AMS utilisés en conception de dispositifs mixtes.