Este trabalho de pesquisa tem por objetivo o desenvolvimento de um coprojeto de hardware/software para o algoritmo de correlação de imagens visando atingir um ganho de desempenho com relação à implementação totalmente em software. O trabalho apresenta um comparativo entre um conjunto bastante amplo e significativo de configurações diferentes do soft-processor Nios II implementadas em FPGA, inclusive com a adição de novas instruções dedicadas. O desenvolvimento do co-projeto foi feito com base em uma modificação do método baseado em profiling adicionando-se um ciclo de desenvolvimento e de otimização de software. A comparação foi feita com relação ao tempo de execução para medir o speedup alcançado durante o desenvolvimento do co-projeto que atingiu um ganho de desempenho significativo. Também analisou-se a influência de estruturas de hardware básicas e dedicadas no tempo de execução final do algoritmo. A análise dos resultados sugere que o método se mostrou eficiente considerando o speedup atingido, porém o tempo total de execução ainda ficou acima do esperado, considerando-se a necessidade de execução e processamento de imagens em tempo real dos sistemas de navegação robótica. No entanto, destaca-se que as limitações de processamento em tempo real estão também ligadas as restrições de desempenho impostas pelo hardware adotado no projeto, baseado em uma FPGA de baixo custo e capacidade média / This work presents a FPGA based hardware/software co-design for image normalized cross correlation algorithm. The main goal is to achieve a significant speedup related to the execution time of the all-software implementation. The co-design proposed method is a modified profiling-based method with a software development step. The executions were compared related to execution time resulting on a significant speedup. To achieve this speedup a comparison between 21 different configurations of Nios II soft-processor was done. Also hardware influence on execution time was evaluated to know how simple hardware structures and specific hardware structures influence algorithm final execution time. Result analysis suggest that the method is very efficient considering achieved speedup but the final execution time still remains higher, considering the need for real time image processing on robotic navigation systems. However, the limitations for real time processing are a consequence of the hardware adopted in this work, based on a low cost and capacity FPGA

Alguns tipos de FPGA (Field Programmable Gate Array) possuem a capacidade de serem reconfigurados parcialmente em tempo de execução formando um Sistema Parcialmente Reconfigurável (SPR), cuja utilização traz diversas vantagens dentre as quais a redução de custos. A maior utilização de SPRs enfrenta, como um dos fatores limitantes, a dificuldade de acesso e de utilização de ferramentas de desenvolvimento apropriadas. Este trabalho aborda os SPRs, suas aplicações e uma análise das ferramentas de desenvolvimento existentes. posteriormente dedica-se ao aperfeiçoamento de uma dessas ferramentas, o PARBIT, com o desenvolvimento de uma interface gráfica de usuário (GUI, -- Graphical User Interface) e a atualização de sua metodologia de desenvolvimento. As metodologias de projeto suportadas pelo fabricante do FPGA também são apresentadas. As metodologias são validadas através do projeto de um SPR. / Some types of FPGA (Field Programmable Gate Array) can be partially reconfigured during run-time forming a Partial Reconfigurable System (PRS). The use of PRSs brings several advantages like cost reduction. A larger use of PRSs faces a limiting factor: the difficult to access and use appropriate development tools. This work shows the PRSs, its applications and an analysis of the existing development tools. Later, it dedicates to the improvement of one of these tools, the PARBIT, developing a graphical user interface (GUI) and updating its project methodology. The project methodologies supported by the manufacturer of the FPGA are also presented. The methodologies are validated through the design of a PRS.

Os processos de produção e distribuição agrícolas fazem uso de diversas tecnologias usadas para coleta de dados e gerenciamento de recursos e atividades, dentre as quais as Redes de Sensores Sem Fio, Identificação por Radiofrequência e o Wi-Fi. Devido a falhas na infraestrutura e variações ambientais, essas tecnologias possuem diversas limitações, como por exemplo, o atraso com que os dados chegam aos sistemas de gerenciamento, comprometendo a eficiência do processo. Uma solução com nós multitecnológicos, baseada nos princípios da Internet das Coisas, poderia oferecer dados de todo o processo produtivo e de distribuição, em tempo real; mas, para que esta solução seja realmente eficiente, necessita de um seletor adaptativo de tecnologias de comunicação para os \"objetos\" de campo que se adapte ao ambiente em tempo de execução. O objetivo deste trabalho é propor e avaliar a funcionalidade de um seletor adaptativo para esse fim. Para a proposição do seletor, buscou-se embasamento em técnicas adaptativas que oferecessem solução adequada para processos de aprendizagem pelo seletor. Dentre essas técnicas, elegeram-se as Árvores de Decisão Adaptativas para implementar a operação do seletor. A funcionalidade do seletor foi avaliada por simulações, tanto quanto ao aspecto de seleção da opção tecnológica mais adequada para o momento e a situação em questão, quanto à facilidade de se adaptar a mudanças de cenário. Os resultados das avaliações mostram que a simulação inicial, feita a partir de um cenário correspondente à fase inicial de uma cultura de milho não apresenta resultados satisfatórios. Entretanto, após alguns ciclos de aprendizagem do seletor, os resultados evoluem e superaram as exigências de qualidade propostas. Em uma segunda fase, novas simulações foram realizadas, alterando-se o cenário inicial para que, aos poucos, correspondesse à fase de colheita do milho. Nestas simulações, o processo de aprendizagem continuou ocorrendo sempre que as exigências de qualidade deixaram de ser satisfeitas, até que alcançassem a qualidade de comunicação exigida. Estes resultados permitiram concluir pela validade do seletor proposto. / Agricultural production and distribution processes employ different technologies. They are used for data collection and management of resources and activities, among which Wireless Sensor Networks, Radiofrequency Identification and WiFi. These technologies have several limitations due to flaws in infrastructure and environmental variability. For example, data arrive at management systems late, compromising process efficiency. Multi-technology nodes can be a solution to obtain real-time data from the production and distribution processes, particularly if Internet of Things principles are present. Yet, for this solution to be efficient, a communication technology selector for field \"objects\" must be necessary, which must adapt to the environment in run time. Therefore, the goal is to propose and to assess this Selector functionality. This proposition was based on adaptive techniques, which offered an appropriate solution for learning processes by the selector, such as the Adaptive Decision Tree. The selector uses an Adaptive Decision Tree to select the communication technology. The selector functionalities, such as the appropriate technology selection for the moment and how they adapt changes in scenario, were evaluated by the simulation method. Evaluation results show that simulations made from a scenario corresponding to the initial phase of a corn crop did not show satisfactory, but the results evolved and met the quality requirements after some learning cycles. In a second step, new simulations were conducted, changing the scenario slowly to the harvest phase. The learning process continued to occur whenever the quality requirements were no longer met. These results showed the validity of the proposed selector.

Este trabalho de pesquisa tem por objetivo o desenvolvimento de um coprojeto de hardware/software para o algoritmo de correlação de imagens visando atingir um ganho de desempenho com relação à implementação totalmente em software. O trabalho apresenta um comparativo entre um conjunto bastante amplo e significativo de configurações diferentes do soft-processor Nios II implementadas em FPGA, inclusive com a adição de novas instruções dedicadas. O desenvolvimento do co-projeto foi feito com base em uma modificação do método baseado em profiling adicionando-se um ciclo de desenvolvimento e de otimização de software. A comparação foi feita com relação ao tempo de execução para medir o speedup alcançado durante o desenvolvimento do co-projeto que atingiu um ganho de desempenho significativo. Também analisou-se a influência de estruturas de hardware básicas e dedicadas no tempo de execução final do algoritmo. A análise dos resultados sugere que o método se mostrou eficiente considerando o speedup atingido, porém o tempo total de execução ainda ficou acima do esperado, considerando-se a necessidade de execução e processamento de imagens em tempo real dos sistemas de navegação robótica. No entanto, destaca-se que as limitações de processamento em tempo real estão também ligadas as restrições de desempenho impostas pelo hardware adotado no projeto, baseado em uma FPGA de baixo custo e capacidade média / This work presents a FPGA based hardware/software co-design for image normalized cross correlation algorithm. The main goal is to achieve a significant speedup related to the execution time of the all-software implementation. The co-design proposed method is a modified profiling-based method with a software development step. The executions were compared related to execution time resulting on a significant speedup. To achieve this speedup a comparison between 21 different configurations of Nios II soft-processor was done. Also hardware influence on execution time was evaluated to know how simple hardware structures and specific hardware structures influence algorithm final execution time. Result analysis suggest that the method is very efficient considering achieved speedup but the final execution time still remains higher, considering the need for real time image processing on robotic navigation systems. However, the limitations for real time processing are a consequence of the hardware adopted in this work, based on a low cost and capacity FPGA

Visando representar linhas retas digitais, segmentos digitalizados e arcos, cada uma das linhas de pesquisa disponíveis apresenta suas vantagens e aplicações apropriadas. No entanto, considerando as complexidades de cenários do mundo real, o uso dessas representações não é tão popular em situações que requerem modelos flexíveis ou envolvendo interferências espúrias. As tecnologias adaptativas são formalismos da ciência da computação capazes de alterar seu comportamento dinamicamente, sem a interferência de agentes externos, em resposta a estímulos de entrada. Ao serem capazes de responder às mencionadas condições variáveis do ambiente, os dispositivos adaptativos naturalmente tendem a apresentar a flexibilidade requerida para atuarem em cenários dinâmicos. Assim, este trabalho investiga uma alternativa fundamentada no autômato finito adaptativo por meio do dispositivo denominado segmento digitalizado adaptativo, que incorpore o poder expressivo de representar parâmetros desses segmentos. Dentre esses parâmetros destacam-se a capacidade de representar as tolerâncias, a escalabilidade, os erros causados por desvios em ângulo ou em comprimento dos segmentos mencionados, resultando em estruturas mais flexíveis. Considerando que os métodos sintáticos são estruturais, os segmentos digitalizados adaptativos são modelados por conjuntos de regras, partindo-se de primitivas, concebendo-se as funções adaptativas correspondentes para alteração dos estados e de regras de transição. Posteriormente, estruturas mais elaboradas são concebidas relacionadas a arcos digitais pelos quais cadeias (strings) estimulam, em um passo único, autômatos finitos adaptativos que implementam segmentos digitalizados adaptativos. As implementações utilizam uma ferramenta cujo núcleo é um simulador para edição dos arquivos que compõem os autômatos. Consequentemente, o método proposto torna-se uma alternativa relativamente simples e intuitiva comparando-se com as abordagens existentes, apresentando capacidade de aprendizagem, além de ser computacionalmente poderosa. / For the representation of digital straight lines, digitized straight line segments and arcs, each of the available research approaches has its advantages and suitable applications. However, taking into account the complexities of real-world scenarios, the use of these representations is not so popular in situations that require flexible models or involving spurious interferences. Adaptive technologies are computer science formalisms able to change their behavior dynamically, without the interference of external agents, in response to incoming stimuli. By being able to respond to changing environmental conditions, adaptive devices naturally tend to have the required flexibility to work in dynamic scenarios. Thus, the purpose of this study is to investigate an alternative based on adaptive finite automaton through the device called adaptive digitized straight line segment, incorporating the expressive power to represent parameters of these segments. Among these parameters, emphasis is given to the ability to represent tolerances, scalability or errors caused by deviations in angle or length of the mentioned segments, resulting in more flexible structures. Whereas syntactic methods are structural, adaptive digitized straight line segments are modeled by sets of rules, starting from primitives, conceiving the corresponding adaptive functions to amend the set of states and transition rules. Later, more elaborate structures are designed related to digital arcs the corresponding strings of which stimulate, in just a single step, adaptive finite automata that implement adaptive digitized straight line segments. The implementations use a simulator for editing the files that compose the automata. Consequently, the proposed method reveals to be a simple and intuitive alternative capable of learning, besides being computationally powerful.

Os dispositivos lógicos programáveis pertencentes à família APEX 20K, são configurados no momento da inicialização do sistema com dados armazenados em dispositivos especificamente desenvolvidos para esse fim. Esta família de FPGAs possui uma interface otimizada, permitindo também que microprocessadores os configure de maneira serial ou paralela, síncrona ou assíncronamente. Depois de configurados, estes FPGAs podem ser reconfigurados em tempo real com novos dados de configuração. A reconfiguração em tempo real conduz a inovadoras aplicações de computação reconfigurável. Os dispositivos de configuração disponíveis comercialmente, limitam-se a configurar os FPGAs apenas no momento da inicialização do sistema e sempre com o mesmo arquivo de configuração. Este trabalho apresenta a implementação de um controlador de configuração capaz de gerenciar a configuração e reconfiguração de múltiplos FPGAs, a partir de vários arquivos distintos de configuração. Todo o projeto é desenvolvido, testado e validado através da ferramenta EDA Quartus™ II, que propicia um ambiente de desenvolvimento integrado de projeto, compilação e síntese lógica, simulação e análise de tempo. / The APEX 20K programmable logic devices family, are configured at system power-up with data stored in a specific serial configuration device. This family of FPGAs contain an optimized interface that permits microprocessors to configure APEX 20K devices serially or in parallel, and synchronously or asynchronously. After configured, it can be reconfigured in-circuit by resetting the device and loading new data. Real-time changes lead to innovative reconfigurable computing applications. The commercial available configuration devices limit to configure the APEX 20K devices only on the system power-up and always with the same configuration data file. This work shows a configuration controller implementation that can manage the configuration and reconfiguration of several FPGAs from multiple configuration files. The entire project is developed, tested and validated through the EDA tool Quartus™ II, that provide a integrated package with HDL and schematic design entry, compilation and logic synthesis, full simulation and worst-case timing analysis.

O crescimento das necessidades de recursos computacionais gerado por novas classes de aplicações comerciais e científicas apresenta um novo tipo de desafio para infraestruturas computacionais. O acelerado crescimento das demandas por recursos promove um acelerado crescimento no número absoluto de elementos computacionais nestas. Nesse cenário, o provisionamento e a operação de sistemas tornam-se tarefas progressivamente complexas, devido primariamente ao aumento em escala. Este trabalho propõe um modelo para uma infraestrutura computacional que opera como um repositório abstrato de recursos computacionais de tempo de execução com níveis variáveis de consumo. Desenhado para operar como um ensemble (i.e. um conjunto coordenado) de recursos computacionais, grandes números de elementos são agregados em conjuntos de servidores de recursos de processamento, armazenamento e comunicação. O ensemble é concebido e implementado com ampla utilização de tecnologias de virtualização e possui um mecanismo de provisionamento e operação organizado como uma estrutura distribuída de comando e controle (Command and Control, ou C²). A implementação de uma prova de conceito de tal infraestrutura computacional é apresentada, e a validação da proposta é realizada através de uma combinação de resultados experimentais e emulação. / The increase in computing resource needs posed by new classes of commercial and scientific applications presents a new kind of challenge for computing infrastructures. The accelerated growth in resource demand leads to an accelerated growth in the absolute number of computing elements on such infrastructures. In this scenario, the provisioning and systems operations of such elements becomes a progressively complex task, due mainly to the increase in scale. This work proposes a model for a computing infrastructure that operates as an abstract repository of run-time resources with variable levels of consumption. Designed to operate as a computing ensemble, large numbers of elements are aggregated in pools of processing, storage and communication resource servers. The Computing Resource Ensemble is designed with the heavy use of virtualization technologies and has a provisioning and systems operation engine organized as a distributed Command and Control (C2) framework. A Proof of Concept implementation of such computing infrastructure is presented, and the validation of the concept is carried out by a combination of experiments and emulation.

Visando representar linhas retas digitais, segmentos digitalizados e arcos, cada uma das linhas de pesquisa disponíveis apresenta suas vantagens e aplicações apropriadas. No entanto, considerando as complexidades de cenários do mundo real, o uso dessas representações não é tão popular em situações que requerem modelos flexíveis ou envolvendo interferências espúrias. As tecnologias adaptativas são formalismos da ciência da computação capazes de alterar seu comportamento dinamicamente, sem a interferência de agentes externos, em resposta a estímulos de entrada. Ao serem capazes de responder às mencionadas condições variáveis do ambiente, os dispositivos adaptativos naturalmente tendem a apresentar a flexibilidade requerida para atuarem em cenários dinâmicos. Assim, este trabalho investiga uma alternativa fundamentada no autômato finito adaptativo por meio do dispositivo denominado segmento digitalizado adaptativo, que incorpore o poder expressivo de representar parâmetros desses segmentos. Dentre esses parâmetros destacam-se a capacidade de representar as tolerâncias, a escalabilidade, os erros causados por desvios em ângulo ou em comprimento dos segmentos mencionados, resultando em estruturas mais flexíveis. Considerando que os métodos sintáticos são estruturais, os segmentos digitalizados adaptativos são modelados por conjuntos de regras, partindo-se de primitivas, concebendo-se as funções adaptativas correspondentes para alteração dos estados e de regras de transição. Posteriormente, estruturas mais elaboradas são concebidas relacionadas a arcos digitais pelos quais cadeias (strings) estimulam, em um passo único, autômatos finitos adaptativos que implementam segmentos digitalizados adaptativos. As implementações utilizam uma ferramenta cujo núcleo é um simulador para edição dos arquivos que compõem os autômatos. Consequentemente, o método proposto torna-se uma alternativa relativamente simples e intuitiva comparando-se com as abordagens existentes, apresentando capacidade de aprendizagem, além de ser computacionalmente poderosa. / For the representation of digital straight lines, digitized straight line segments and arcs, each of the available research approaches has its advantages and suitable applications. However, taking into account the complexities of real-world scenarios, the use of these representations is not so popular in situations that require flexible models or involving spurious interferences. Adaptive technologies are computer science formalisms able to change their behavior dynamically, without the interference of external agents, in response to incoming stimuli. By being able to respond to changing environmental conditions, adaptive devices naturally tend to have the required flexibility to work in dynamic scenarios. Thus, the purpose of this study is to investigate an alternative based on adaptive finite automaton through the device called adaptive digitized straight line segment, incorporating the expressive power to represent parameters of these segments. Among these parameters, emphasis is given to the ability to represent tolerances, scalability or errors caused by deviations in angle or length of the mentioned segments, resulting in more flexible structures. Whereas syntactic methods are structural, adaptive digitized straight line segments are modeled by sets of rules, starting from primitives, conceiving the corresponding adaptive functions to amend the set of states and transition rules. Later, more elaborate structures are designed related to digital arcs the corresponding strings of which stimulate, in just a single step, adaptive finite automata that implement adaptive digitized straight line segments. The implementations use a simulator for editing the files that compose the automata. Consequently, the proposed method reveals to be a simple and intuitive alternative capable of learning, besides being computationally powerful.

Os processos de produção e distribuição agrícolas fazem uso de diversas tecnologias usadas para coleta de dados e gerenciamento de recursos e atividades, dentre as quais as Redes de Sensores Sem Fio, Identificação por Radiofrequência e o Wi-Fi. Devido a falhas na infraestrutura e variações ambientais, essas tecnologias possuem diversas limitações, como por exemplo, o atraso com que os dados chegam aos sistemas de gerenciamento, comprometendo a eficiência do processo. Uma solução com nós multitecnológicos, baseada nos princípios da Internet das Coisas, poderia oferecer dados de todo o processo produtivo e de distribuição, em tempo real; mas, para que esta solução seja realmente eficiente, necessita de um seletor adaptativo de tecnologias de comunicação para os \"objetos\" de campo que se adapte ao ambiente em tempo de execução. O objetivo deste trabalho é propor e avaliar a funcionalidade de um seletor adaptativo para esse fim. Para a proposição do seletor, buscou-se embasamento em técnicas adaptativas que oferecessem solução adequada para processos de aprendizagem pelo seletor. Dentre essas técnicas, elegeram-se as Árvores de Decisão Adaptativas para implementar a operação do seletor. A funcionalidade do seletor foi avaliada por simulações, tanto quanto ao aspecto de seleção da opção tecnológica mais adequada para o momento e a situação em questão, quanto à facilidade de se adaptar a mudanças de cenário. Os resultados das avaliações mostram que a simulação inicial, feita a partir de um cenário correspondente à fase inicial de uma cultura de milho não apresenta resultados satisfatórios. Entretanto, após alguns ciclos de aprendizagem do seletor, os resultados evoluem e superaram as exigências de qualidade propostas. Em uma segunda fase, novas simulações foram realizadas, alterando-se o cenário inicial para que, aos poucos, correspondesse à fase de colheita do milho. Nestas simulações, o processo de aprendizagem continuou ocorrendo sempre que as exigências de qualidade deixaram de ser satisfeitas, até que alcançassem a qualidade de comunicação exigida. Estes resultados permitiram concluir pela validade do seletor proposto. / Agricultural production and distribution processes employ different technologies. They are used for data collection and management of resources and activities, among which Wireless Sensor Networks, Radiofrequency Identification and WiFi. These technologies have several limitations due to flaws in infrastructure and environmental variability. For example, data arrive at management systems late, compromising process efficiency. Multi-technology nodes can be a solution to obtain real-time data from the production and distribution processes, particularly if Internet of Things principles are present. Yet, for this solution to be efficient, a communication technology selector for field \"objects\" must be necessary, which must adapt to the environment in run time. Therefore, the goal is to propose and to assess this Selector functionality. This proposition was based on adaptive techniques, which offered an appropriate solution for learning processes by the selector, such as the Adaptive Decision Tree. The selector uses an Adaptive Decision Tree to select the communication technology. The selector functionalities, such as the appropriate technology selection for the moment and how they adapt changes in scenario, were evaluated by the simulation method. Evaluation results show that simulations made from a scenario corresponding to the initial phase of a corn crop did not show satisfactory, but the results evolved and met the quality requirements after some learning cycles. In a second step, new simulations were conducted, changing the scenario slowly to the harvest phase. The learning process continued to occur whenever the quality requirements were no longer met. These results showed the validity of the proposed selector.

O crescimento das necessidades de recursos computacionais gerado por novas classes de aplicações comerciais e científicas apresenta um novo tipo de desafio para infraestruturas computacionais. O acelerado crescimento das demandas por recursos promove um acelerado crescimento no número absoluto de elementos computacionais nestas. Nesse cenário, o provisionamento e a operação de sistemas tornam-se tarefas progressivamente complexas, devido primariamente ao aumento em escala. Este trabalho propõe um modelo para uma infraestrutura computacional que opera como um repositório abstrato de recursos computacionais de tempo de execução com níveis variáveis de consumo. Desenhado para operar como um ensemble (i.e. um conjunto coordenado) de recursos computacionais, grandes números de elementos são agregados em conjuntos de servidores de recursos de processamento, armazenamento e comunicação. O ensemble é concebido e implementado com ampla utilização de tecnologias de virtualização e possui um mecanismo de provisionamento e operação organizado como uma estrutura distribuída de comando e controle (Command and Control, ou C²). A implementação de uma prova de conceito de tal infraestrutura computacional é apresentada, e a validação da proposta é realizada através de uma combinação de resultados experimentais e emulação. / The increase in computing resource needs posed by new classes of commercial and scientific applications presents a new kind of challenge for computing infrastructures. The accelerated growth in resource demand leads to an accelerated growth in the absolute number of computing elements on such infrastructures. In this scenario, the provisioning and systems operations of such elements becomes a progressively complex task, due mainly to the increase in scale. This work proposes a model for a computing infrastructure that operates as an abstract repository of run-time resources with variable levels of consumption. Designed to operate as a computing ensemble, large numbers of elements are aggregated in pools of processing, storage and communication resource servers. The Computing Resource Ensemble is designed with the heavy use of virtualization technologies and has a provisioning and systems operation engine organized as a distributed Command and Control (C2) framework. A Proof of Concept implementation of such computing infrastructure is presented, and the validation of the concept is carried out by a combination of experiments and emulation.