Arquitecturas de múltiples núcleos como multiprocesadores (CMP) y soluciones multiprocesador para sistemas dentro del chip (MPSoCs) actuales se basan en la eficacia de las redes dentro del chip (NoC) para la comunicación entre los diversos núcleos. Un diseño eficiente de red dentro del chip debe ser escalable y al mismo tiempo obtener valores ajustados de área, latencia y consumo de energía. Para diseños de red dentro del chip de propósito general se suele usar topologías de malla 2D ya que se ajustan a la distribución del chip. Sin embargo, la aparición de nuevos retos debe ser abordada por los diseñadores. Una mayor probabilidad de defectos de fabricación, la necesidad de un uso optimizado de los recursos para aumentar el paralelismo a nivel de aplicación o la necesidad de técnicas eficaces de ahorro de energía, puede ocasionar patrones de irregularidad en las topologías. Además, el soporte para comunicación colectiva es una característica buscada para abordar con eficacia las necesidades de comunicación de los protocolos de coherencia de caché. En estas condiciones, un encaminamiento eficiente de los mensajes se convierte en un reto a superar. El objetivo de esta tesis es establecer las bases de una nueva arquitectura para encaminamiento distribuido basado en lógica que es capaz de adaptarse a cualquier topología irregular derivada de una estructura de malla 2D, proporcionando así una cobertura total para cualquier caso resultado de soportar los retos mencionados anteriormente. Para conseguirlo, en primer lugar, se parte desde una base, para luego analizar una evolución de varios mecanismos, y finalmente llegar a una implementación, que abarca varios módulos para alcanzar el objetivo mencionado anteriormente. De hecho, esta última implementación tiene por nombre eLBDR (effective Logic-Based Distributed Routing). Este trabajo cubre desde el primer mecanismo, LBDR, hasta el resto de mecanismos que han surgido progresivamente. / Rodrigo Mocholí, S. (2010). Cost Effective Routing Implementations for On-chip Networks [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/8962 / Palancia

Proteínas de membrana estão envolvidas em processos fisiológicos essenciais como, por exemplo, a manutenção do equilíbrio iônico e sinalização intracelular. No entanto, apesar do envolvimento em inúmeros processos fisiológicos e de grande interesse farmacêutico, o estudo estrutural de proteínas de membrana ainda é um processo custoso e muito mais complexo do que o estudo estrutural de proteínas solúveis. Os trocadores de Na+/Ca2+ são proteínas de membrana que atuam na manutenção da homeostase de Ca2+ intracelular e estão envolvidos em processos patológicos como doenças cardíacas. Estes trocadores estão presentes em diversas espécies de mamíferos (NCX) e insetos, por exemplo, na mosca Drosophila melanogaster (CALX). A topologia destas proteínas é constituída de dois domínios. O domínio transmembranar, que contém dois segmentos de 5 hélices transmembranares (TMH) e é responsável por promover o transporte específico de íons Ca2+ e Na+ através da membrana, e o domínio citoplasmático, responsável por regular a atividade do trocador. O domínio citoplasmático consiste de uma alça que contém dois domínios sensores de Ca2+ intracelular (CBD1 e CBD2). Trabalhos mostraram que o trocador CALX é inibido pela ligação de Ca em CBD1, enquanto que trocadores NCX são ativados. As regiões citosólicas que conectam CBD1 e CBD2 à TMH5 e TMH6 são conservadas e ainda não foram caracterizadas estruturalmente. Adjacente à TMH5 há um segmento anfipático, denominado exchanger inhibitory peptide (XIP), que está envolvido no mecanismo de regulação do trocador. Na ausência de dados estruturais do CALX completo, o estudo de TMH5-XIP poderá aumentar a compreensão sobre a estrutura e o funcionamento do trocador. A construção TMH5-XIP foi fusionada à MBP no N-terminal e a uma sequência de 8 histidinas no C-terminal. Apesar da expressão da proteína de fusão ter sido bem sucedida, problemas de precipitação e ineficiência durante a clivagem da conexão com a MBP impediram a conclusão dos estudos estruturais. Logo, uma construção menor, contendo apenas a região equivalente ao XIP, foi estudada por espectroscopia de RMN em solução e dicroísmo circular. XIP forma uma 310-hélice a baixa temperatura, 7 oC, que se desestabiliza a maior temperatura, 27 oC. Estes dados permitem a formulação de hipóteses sobre o papel de XIP no mecanismo de regulação do domínio transmembranar de CALX. / Membrane proteins are involved in essential physiological processes such as maintenance of the ionic balance and intracellular signaling. However, despite their role in numerous physiological processes of well-recognized pharmaceutical relevance, structural studies of membrane proteins remain being more complex than structural studies of globular proteins. Na+/Ca2+ exchangers (NCX) are membrane proteins that play essential roles in the maintenance of the intracellular Ca2+ homeostasis. Not surprisingly, the NCXs are involved in pathologies such as heart diseases. These exchangers are present in several species of mammals (NCX) and insects, for example, in the fly Drosophila melanogaster (CALX). The topology of these proteins consists of a transmembrane and a hydrophilic domain. The transmembrane domain corresponds to two segments of 5 transmembrane helices (TMH) forming a 10-helix bundle that is responsible for the specific transport of Ca2+ and Na+ across the cellular membrane. The hydrophilic domain is composed of a large cytoplasmic loop, which is associated with the regulation of the ion exchange activity of the transmembrane domain. The loop contains two Ca2+-sensors domains, CBD1 and CBD2, and uncharacterized regions. Studies showed that Ca2+ binding to CBD1 inhibits the CALX, whereas it activates the NCX. The juxtamembrane cytosolic regions linking the CBD1 and CBD2 domains to the TMH5 and TMH6, respectively, are highly conserved but have not yet been structurally characterized. The segment near TMH5 is amphipathic, and it is also called exchanger inhibitory peptide (XIP). In the absence of a three-dimensional structure of the complete CALX, the study of TMH5-XIP may contribute to our understanding of the structure and operation of the exchanger. In order to study TMH5-XIP, it was fused to an MBP tag at the N-terminus, and to a sequence of 8 histidines at the C-terminus. Although the expression of the fusion protein was successful, precipitation and inefficient MBP-tag cleavage prevented the isolation of pure TMH5-XIP for structural studies. Hence, a smaller construct, containing only the region equivalent to XIP, was studied by NMR spectroscopy in solution and circular dichroism. The structure assumed by XIP in solution is temperature dependent, being intrinsically disordered at 27 C or a 310-helix at 7 C, respectively. These findings allowed us to infer how XIP could participate in the CALX regulation mechanism.

Proteínas de membrana estão envolvidas em processos fisiológicos essenciais como, por exemplo, a manutenção do equilíbrio iônico e sinalização intracelular. No entanto, apesar do envolvimento em inúmeros processos fisiológicos e de grande interesse farmacêutico, o estudo estrutural de proteínas de membrana ainda é um processo custoso e muito mais complexo do que o estudo estrutural de proteínas solúveis. Os trocadores de Na+/Ca2+ são proteínas de membrana que atuam na manutenção da homeostase de Ca2+ intracelular e estão envolvidos em processos patológicos como doenças cardíacas. Estes trocadores estão presentes em diversas espécies de mamíferos (NCX) e insetos, por exemplo, na mosca Drosophila melanogaster (CALX). A topologia destas proteínas é constituída de dois domínios. O domínio transmembranar, que contém dois segmentos de 5 hélices transmembranares (TMH) e é responsável por promover o transporte específico de íons Ca2+ e Na+ através da membrana, e o domínio citoplasmático, responsável por regular a atividade do trocador. O domínio citoplasmático consiste de uma alça que contém dois domínios sensores de Ca2+ intracelular (CBD1 e CBD2). Trabalhos mostraram que o trocador CALX é inibido pela ligação de Ca em CBD1, enquanto que trocadores NCX são ativados. As regiões citosólicas que conectam CBD1 e CBD2 à TMH5 e TMH6 são conservadas e ainda não foram caracterizadas estruturalmente. Adjacente à TMH5 há um segmento anfipático, denominado exchanger inhibitory peptide (XIP), que está envolvido no mecanismo de regulação do trocador. Na ausência de dados estruturais do CALX completo, o estudo de TMH5-XIP poderá aumentar a compreensão sobre a estrutura e o funcionamento do trocador. A construção TMH5-XIP foi fusionada à MBP no N-terminal e a uma sequência de 8 histidinas no C-terminal. Apesar da expressão da proteína de fusão ter sido bem sucedida, problemas de precipitação e ineficiência durante a clivagem da conexão com a MBP impediram a conclusão dos estudos estruturais. Logo, uma construção menor, contendo apenas a região equivalente ao XIP, foi estudada por espectroscopia de RMN em solução e dicroísmo circular. XIP forma uma 310-hélice a baixa temperatura, 7 oC, que se desestabiliza a maior temperatura, 27 oC. Estes dados permitem a formulação de hipóteses sobre o papel de XIP no mecanismo de regulação do domínio transmembranar de CALX. / Membrane proteins are involved in essential physiological processes such as maintenance of the ionic balance and intracellular signaling. However, despite their role in numerous physiological processes of well-recognized pharmaceutical relevance, structural studies of membrane proteins remain being more complex than structural studies of globular proteins. Na+/Ca2+ exchangers (NCX) are membrane proteins that play essential roles in the maintenance of the intracellular Ca2+ homeostasis. Not surprisingly, the NCXs are involved in pathologies such as heart diseases. These exchangers are present in several species of mammals (NCX) and insects, for example, in the fly Drosophila melanogaster (CALX). The topology of these proteins consists of a transmembrane and a hydrophilic domain. The transmembrane domain corresponds to two segments of 5 transmembrane helices (TMH) forming a 10-helix bundle that is responsible for the specific transport of Ca2+ and Na+ across the cellular membrane. The hydrophilic domain is composed of a large cytoplasmic loop, which is associated with the regulation of the ion exchange activity of the transmembrane domain. The loop contains two Ca2+-sensors domains, CBD1 and CBD2, and uncharacterized regions. Studies showed that Ca2+ binding to CBD1 inhibits the CALX, whereas it activates the NCX. The juxtamembrane cytosolic regions linking the CBD1 and CBD2 domains to the TMH5 and TMH6, respectively, are highly conserved but have not yet been structurally characterized. The segment near TMH5 is amphipathic, and it is also called exchanger inhibitory peptide (XIP). In the absence of a three-dimensional structure of the complete CALX, the study of TMH5-XIP may contribute to our understanding of the structure and operation of the exchanger. In order to study TMH5-XIP, it was fused to an MBP tag at the N-terminus, and to a sequence of 8 histidines at the C-terminus. Although the expression of the fusion protein was successful, precipitation and inefficient MBP-tag cleavage prevented the isolation of pure TMH5-XIP for structural studies. Hence, a smaller construct, containing only the region equivalent to XIP, was studied by NMR spectroscopy in solution and circular dichroism. The structure assumed by XIP in solution is temperature dependent, being intrinsically disordered at 27 C or a 310-helix at 7 C, respectively. These findings allowed us to infer how XIP could participate in the CALX regulation mechanism.

More and more embedded systems choose ARM-based micro-controllers as CPU. If no embedded OS built with the system, the application scope will be restricted. Therefore, the need of embedded OS is vital. There are many embedded OS¡¦s in the market, but the embedded Linux has many advantages and is widely accepted. Commercial embedded Linux takes less refund than other embedded OS¡¦s. The kernel and most applications are distributed in GPL open source copyright, and is highly portable to many machine platforms. Presently, the hardware key-technology is highly skilled. The margin of 3C industrial has gone down rapidly. Therefore, people focus on adapting integrated technology to practicality and innovation to make cost down. Developers choose appropriate ARM micro-controllers according to demanding functionality of their products. The microcontroller is not necessary running with Linux distribution. Two approaches can be used to resolve the embedded OS issue. The first approach is porting Linux to the platform without any refund. The second approach is to pay for commercial Linux. Embedded system peripheral devices aim at powerful functionalities and economy. For instance, UART interface is cheap and low data transfer rate. The target board communicates with host via RS-232. RS-232 acts as serial console to play dumb terminal under Linux. Industrial applications often make use of RS-xxx for UART physical transmission layer. For instance, RS-485 applies modbus protocol to build cheap monitor systems. Network transmission is a necessary function, and it generally achieves high data transfer rate application through Ethernet. The UNIX-like network socket has served network application very well. Embedded systems are usually diskless systems. In order to keep permanent data, using flash memory as block disk system is a widely adapted strategy and which operates flash memory through MTD subsystems¡][28]¡^. An MTD subsystem contains two different modules, ¡§user¡¨and ¡§driver¡¨. In the driver module, CFI¡][40]¡^ is applied to probe flash chip, partition it and provide operating function. Flash translation layer and file-system are applied in the user module. MTD BLOCK is used to emulate the flash partitions as block devices which are then mounted into Linux virtual file system¡]VFS¡^with JFFS2 type, designed according to the feature of flash devices. In this thesis, we will describe in detail the procedure of porting Linux to ARM micro-controllers. The motivation of the work is introduced in chapter 1. In chapter 2, we introduce development tools and the main flow of the porting procedure. In chapter 3, we describe the LH79525 platform and the main perepherals on the target board, then introduce the ARM programmer model. In chapter 4, we examine the required knowledge and the important issues for porting ARM Linux. In chapter 5, we describe the details of porting Linux to run with Sharp LH79525, including modifying the key source codes and adjusting kernel configuration for embedding the UART, ethernet MAC, and MTD subsystem. In chapter 6, we do step-by-step validation and apply an integrated application with the LF-314CP temperature controller¡][46]¡^ by law-chain technology for the LH79525 target board running with the ported ARM Linux. In chapter 7, we present some issues for future work and improvement, then make a conclusion for the thesis.

[ES] La constante necesidad de un mayor rendimiento para cumplir con la gran demanda de potencia de cómputo de las nuevas aplicaciones, (ej. sistemas de conducción autónoma), obliga a la industria a apostar por la tecnología basada en Sistemas en Chip con Procesadores Multinúcleo (MPSoCs) en sus sistemas embebidos de seguridad-crítica. Los sistemas MPSoCs generalmente incluyen una red en el chip (NoC) para interconectar los núcleos de procesamiento entre ellos, con la memoria y con el resto de recursos compartidos. Desafortunadamente, el uso de las NoCs dificulta alcanzar la predecibilidad en el tiempo, ya que pueden aparecer conflictos en muchos puntos y de forma distribuida a nivel de red. Para afrontar este problema, en esta tesis se propone un nuevo paradigma de diseño para NoCs de tiempo real donde los conflictos en la red son eliminados por diseño. Este nuevo paradigma parte del Grafo de Dependencia de Canales (CDG) para evitar los conflictos de red de forma determinista. Nuestra solución es capaz de inyectar mensajes de forma natural usando un periodo TDM igual al límite teórico óptimo sin la necesidad de usar un proceso offline exigente computacionalmente. La red se ha integrado en un sistema multinúcleo basado en tiles y adaptado a su jerarquía de memoria. Como segunda contribución principal, proponemos un nuevo planificador dinámico y distribuido capaz de alcanzar un rendimiento pico muy cercanos a las NoC basadas en un diseño wormhole sin comprometer sus garantías de tiempo real. El planificador se basa en nuestro diseño de red para explotar sus propiedades clave. Los resultados de nuestra NoC muestran que nuestro diseño garantiza la predecibilidad en el tiempo evitando interferencias en la red entre múltiples aplicaciones ejecutándose concurrentemente. La red siempre garantiza el rendimiento y también mejora el rendimiento respecto al de las redes wormhole en una red 4 x 4 en un factor de 3,7x cuando se inyecta trafico para generar interferencias. En una red 8 x 8 las diferencias son incluso mayores. Además, la red obtiene un ahorro de área total del 10,79% frente a una implementación básica de una red wormhole. El planificador propuesto alcanza una mejora de rendimiento de 6,9x y 14,4x frente la versión básica de la red DCFNoC para redes en forma de malla de 16 y 64 nodos, respectivamente. Cuando lo comparamos frente a un conmutador estándar wormhole se preserva un rendimiento de red del 95% al mismo tiempo que preserva la estricta predecibilidad en el tiempo. Este logro abre la puerta a nuevos diseños de NoCs de alto rendimiento con predecibilidad en el tiempo. Como contribución final, construimos una taxonomía de NoCs basadas en TDM con propiedades de tiempo real. Con esta taxonomía realizamos un análisis exhaustivo para estudiar y comparar desde tiempos de respuesta, a implementaciones con bajo coste, pasando por soluciones de compromiso para diseños de NoCs de tiempo real. Como resultado, obtenemos nuevos diseños de NoCs basadas en TDM. / [CA] La constant necessitat d'un major rendiment per a complir amb la gran demanda de potència de còmput de les noves aplicacions, (ex. sistemes de conducció autònoma), obliga la indústria a apostar per la tecnologia basada en Sistemes en Xip amb Processadors Multinucli (MPSoCs) en els seus sistemes embeguts de seguretat-crítica. Els sistemes MPSoCs generalment inclouen una xarxa en el xip (NoC) per a interconnectar els nuclis de processament entre ells, amb la memòria i amb la resta de recursos compartits. Desafortunadament, l'ús de les NoCs dificulta aconseguir la predictibilitat en el temps, ja que poden aparéixer conflictes en molts punts i de forma distribuïda a nivell de xarxa. Per a afrontar aquest problema, en aquesta tesi es proposa un nou paradigma de disseny per a NoCs de temps real on els conflictes en la xarxa són eliminats per disseny. Aquest nou paradigma parteix del Graf de Dependència de Canals (CDG) per a evitar els conflictes de xarxa de manera determinista. La nostra solució és capaç d'injectar missatges de mra natural fent ús d'un període TDM igual al límit teòric òptim sense la necessitat de fer ús d'un procés offline exigent computacionalment. La xarxa s'ha integrat en un sistema multinucli basat en tiles i adaptat a la seua jerarquia de memòria. Com a segona contribució principal, proposem un nou planificador dinàmic i distribuït capaç d'aconseguir un rendiment pic molt pròxims a les NoC basades en un disseny wormhole sense comprometre les seues garanties de temps real. El planificador es basa en el nostre disseny de xarxa per a explotar les seues propietats clau. Els resultats de la nostra NoC mostren que el nostre disseny garanteix la predictibilitat en el temps evitant interferències en la xarxa entre múltiples aplicacions executant-se concurrentment. La xarxa sempre garanteix el rendiment i també millora el rendiment respecte al de les xarxes wormhole en una xarxa 4 x 4 en un factor de 3,7x quan s'injecta trafic per a generar interferències. En una xarxa 8 x 8 les diferències són fins i tot majors. A més, la xarxa obté un estalvi d'àrea total del 10,79% front una implementació bàsica d'una xarxa wormhole. El planificador proposat aconsegueix una millora de rendiment de 6,9x i 14,4x front la versió bàsica de la xarxa DCFNoC per a xarxes en forma de malla de 16 i 64 nodes, respectivament. Quan ho comparem amb un commutador estàndard wormhole es preserva un rendiment de xarxa del 95% al mateix temps que preserva la estricta predictibilitat en el temps. Aquest assoliment obri la porta a nous dissenys de NoCs d'alt rendiment amb predictibilitat en el temps. Com a contribució final, construïm una taxonomia de NoCs basades en TDM amb propietats de temps real. Amb aquesta taxonomia realitzem una anàlisi exhaustiu per a estudiar i comparar des de temps de resposta, a implementacions amb baix cost, passant per solucions de compromís per a dissenys de NoCs de temps real. Com a resultat, obtenim nous dissenys de NoCs basades en TDM. / [EN] The ever need for higher performance to cope with the high computational power demands of new applications (e.g autonomous driving systems), forces industry to support technology based on multi-processors system on chip (MPSoCs) in their safety-critical embedded systems. MPSoCs usually include a network-on-chip (NoC) to interconnect the cores between them and, with memory and the rest of shared resources. Unfortunately, the inclusion of NoCs difficults achieving time predictability as network-level conflicts may occur in many points in a distributed manner. To overcome this problem, this thesis proposes a new time-predictable NoC design paradigm where conflicts within the network are eliminated by design. This new paradigm builds on top of the Channel Dependency Graph (CDG) in order to deterministically avoid network conflicts. Our solution is able to naturally inject messages using a TDM period equal to the optimal theoretical bound without the need of using a computationally demanding offline process. The network is integrated in a tile-based manycore system and adapted to its memory hierarchy. As a second main contribution, we propose a novel distributed dynamic scheduler that is able to achieve peak performance close to a wormhole-based NoC design without compromising its real-time guarantees. The scheduler builds on top of our NoC design to exploit its key properties. The results of our NoC show that our design guarantees time predictability avoiding network interference among multiple running applications. The network always guarantees performance and also improves wormhole performance in a 4 x 4 setting by a factor of 3.7x when interference traffic is injected. For a 8 x 8 network differences are even larger. In addition, the network obtains a total area saving of 10.79% over a standard wormhole implementation. The proposed scheduler achieves an overall throughput improvement of 6.9x and 14.4x over a baseline conflict-free NoC for 16 and 64-node meshes, respectively. When compared against a standard wormhole router 95% of its network throughput is preserved while strict timing predictability is kept. This achievement opens the door to new high performance time predictable NoC designs. As a final contribution, we build a taxonomy of TDM-based NoCs with real-time properties. With this taxonomy we perform a comprehensive analysis to study and compare from response time specific, to low resource implementation cost, through trade-off solutions for real-time NoCs designs. As a result, we derive new TDM-based NoC designs. / Picornell Sanjuan, T. (2021). Conflict-Free Networks on Chip for Real Time Systems [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/177347 / TESIS