Como avanço dos paradigmas de desenvolvimento de sistemas eletrônicos, novos conceitos, modelos e técnicas resultaram dessa evolução, gerando ferramentas mais eficientes e objetivas. Entre estas, as de automação de projetos eletrônicos (EDA - Electronic Design Automation) em nível de sistema (ESL - Electronic System Level) trouxeram um incremento considerável de produtividade à confecção de sistemas eletrônicos, inclusive de sistemas embarcados. Já no que se refere ao desempenho do sistema elaborado, monitorar sua execução e determinar seu perfil de funcionamento são tarefas essenciais para avaliar, a partir do seu comportamento, quais os pontos que representam gargalos ou pontos críticos, afetando sua eficiência geral. Dessa forma, faz-se necessário pesquisar princípios de verificação e otimização dos sistemas elaborados que estejam mais bem adaptados aos novos paradigmas de desenvolvimento de projetos. O presente trabalho tem por objetivo implementar um módulo de coleta e processamento de dados para análise de perfil de programas escritos na linguagem C e que sejam executados em processadores soft core, como o NiosII, da Altera. Entretanto, diferentemente das estatísticas oferecidas pela ferramenta GProf (GNU Profiling) com relação à análise de desempenho, em que cada amostra obtida implica no incremento de um contador para a função flagrada, o presente trabalho volta seu interesse à análise do perfil de uso de memória heap, que encontra-se mormente no volume alocado constatado em cada amostragem. Dessa forma, para diferentes amostragens de uma mesma função interessa saber qual a maior quantidade de memória utilizada pela função entre todas as amostras coletadas. Isso significa que, ao invés de incremento por amostragem, adotar-se-á o princípio do registro do maior valor, em número de bytes, de uso de memória constatado em cada função. Os principais recursos do módulo proposto são: a) o armazenamento das informações de uso de memória heap obtidas no processo de Profiling em formato apropriado para uso posterior por aplicações de co-projeto de hardware e software; e b) a geração de relatórios de Profiling que apresentem o volume de memória dinâmica alocada durante o processamento dos programas analisados para que se possa identificar os locais onde esse uso é mais crítico, permitindo ao projetista tomar decisões quanto à reformulação do código fonte, ou quanto ao incremento no tamanho da memória a ser instalada no sistema, ou quanto à reformulação da arquitetura de um modo geral / Due to the advancement of the paradigms of development of electronic systems, new concepts, models and techniques resulted from this evolution, generating more eficient and objective tools. Among them, the system-level (ESL) electronic design automation (EDA) ones has brought a considerable increase to the productivity of electronic systems manufacturing, especially including the embedded systems. In what refers to elaborated systems, monitoring its execution and determining its operating profile are the essential tasks to assess, from its behavior, which points in this system represent bottlenecks or hot spots, affecting its overall efficiency. Thus, it is necessary to study the principles of verification and optimization of the elaborated systems that are better adapted to the new paradigms of projects development. The present work has as its aim implementing a processing module for data collection and analysis of C language writen programs profile, wich will run in soft core processors, like Alteras NiosII. However, unlike the statistics offered by the tool GProf (GNU Profiling) tool with respect to performance analysis, in which each sample obtained implies the increment of a counter to the function caught, this paper turns his interest to the analysis of memory usage profiling, which is especially found in volume allocated in each sample. Thus, for different samples of the same function, the matter is to know the most amount of memory used by the function among all samples collected. This means that instead of increasing sample we will adopt the principle of registration of the highest number of bytes of memory usage observed in each function. So, this tools main features are: a) storing the information of memory use in the heap memory obtained in the process of Profiling in an appropriate format for later use by hardware and software codesign applications; and b) the reporting of Profiling that shows the dynamic memory volume allocated during analyzed programs processing so one can identify where such use is more critical, allowing the designer to make decisions regarding the reformulation of source code, or as to the increase in memory size to be installed int the system, or as to the architecture redesign

Como avanço dos paradigmas de desenvolvimento de sistemas eletrônicos, novos conceitos, modelos e técnicas resultaram dessa evolução, gerando ferramentas mais eficientes e objetivas. Entre estas, as de automação de projetos eletrônicos (EDA - Electronic Design Automation) em nível de sistema (ESL - Electronic System Level) trouxeram um incremento considerável de produtividade à confecção de sistemas eletrônicos, inclusive de sistemas embarcados. Já no que se refere ao desempenho do sistema elaborado, monitorar sua execução e determinar seu perfil de funcionamento são tarefas essenciais para avaliar, a partir do seu comportamento, quais os pontos que representam gargalos ou pontos críticos, afetando sua eficiência geral. Dessa forma, faz-se necessário pesquisar princípios de verificação e otimização dos sistemas elaborados que estejam mais bem adaptados aos novos paradigmas de desenvolvimento de projetos. O presente trabalho tem por objetivo implementar um módulo de coleta e processamento de dados para análise de perfil de programas escritos na linguagem C e que sejam executados em processadores soft core, como o NiosII, da Altera. Entretanto, diferentemente das estatísticas oferecidas pela ferramenta GProf (GNU Profiling) com relação à análise de desempenho, em que cada amostra obtida implica no incremento de um contador para a função flagrada, o presente trabalho volta seu interesse à análise do perfil de uso de memória heap, que encontra-se mormente no volume alocado constatado em cada amostragem. Dessa forma, para diferentes amostragens de uma mesma função interessa saber qual a maior quantidade de memória utilizada pela função entre todas as amostras coletadas. Isso significa que, ao invés de incremento por amostragem, adotar-se-á o princípio do registro do maior valor, em número de bytes, de uso de memória constatado em cada função. Os principais recursos do módulo proposto são: a) o armazenamento das informações de uso de memória heap obtidas no processo de Profiling em formato apropriado para uso posterior por aplicações de co-projeto de hardware e software; e b) a geração de relatórios de Profiling que apresentem o volume de memória dinâmica alocada durante o processamento dos programas analisados para que se possa identificar os locais onde esse uso é mais crítico, permitindo ao projetista tomar decisões quanto à reformulação do código fonte, ou quanto ao incremento no tamanho da memória a ser instalada no sistema, ou quanto à reformulação da arquitetura de um modo geral / Due to the advancement of the paradigms of development of electronic systems, new concepts, models and techniques resulted from this evolution, generating more eficient and objective tools. Among them, the system-level (ESL) electronic design automation (EDA) ones has brought a considerable increase to the productivity of electronic systems manufacturing, especially including the embedded systems. In what refers to elaborated systems, monitoring its execution and determining its operating profile are the essential tasks to assess, from its behavior, which points in this system represent bottlenecks or hot spots, affecting its overall efficiency. Thus, it is necessary to study the principles of verification and optimization of the elaborated systems that are better adapted to the new paradigms of projects development. The present work has as its aim implementing a processing module for data collection and analysis of C language writen programs profile, wich will run in soft core processors, like Alteras NiosII. However, unlike the statistics offered by the tool GProf (GNU Profiling) tool with respect to performance analysis, in which each sample obtained implies the increment of a counter to the function caught, this paper turns his interest to the analysis of memory usage profiling, which is especially found in volume allocated in each sample. Thus, for different samples of the same function, the matter is to know the most amount of memory used by the function among all samples collected. This means that instead of increasing sample we will adopt the principle of registration of the highest number of bytes of memory usage observed in each function. So, this tools main features are: a) storing the information of memory use in the heap memory obtained in the process of Profiling in an appropriate format for later use by hardware and software codesign applications; and b) the reporting of Profiling that shows the dynamic memory volume allocated during analyzed programs processing so one can identify where such use is more critical, allowing the designer to make decisions regarding the reformulation of source code, or as to the increase in memory size to be installed int the system, or as to the architecture redesign

O BRAMS (Brazilian developments on the Regional Atmospheric Modelling System) é o sistema utilizado pelo CPTEC/INPE para previsão climática no Brasil. Este projeto de doutorado contribui para a modernização do código desse sistema a partir da implementação e avaliação de um framework para coprojeto de hardware/software do módulo da dinâmica do modelo climático BRAMS. Foi conduzido um estudo do código do BRAMS para verificar quais trechos poderiam ser acelerados em hardware. Com isso foram desenvolvidos kernels usando Intel OpenCL para serem executados em dispositivos programáveis do tipo FPGA. Este estudo utilizou o suporte e recursos do programa da Intel HARP (Heterogeneous Architecture Research Platform), que disponibilizou uma infraestrutura de computação heterogênea com processadores Xeon com um FPGA Arria 10 integrado. Foram conduzidos dois estudos de caso em que os resultados sugerem que é possível portar uma aplicação climática para uma máquina heterogênea que utiliza CPU e FPGA. Porém, para obter um desempenho satisfatório nessa nova arquitetura faz-se necessário domínio dos recursos disponíveis no Intel OpenCL para programar a máquina heterogênea e a aplicação alvo deve possuir uma estrutura de código que favoreça a execução de tais estruturas. Apesar do desempenho com o FPGA Arria 10 não ter sido superior ao do sistema executando apenas em Intel Xeon, o ganho em eficiência de energia justifica a migração do código para esta nova plataforma. Além disso, o framework desenvolvido possibilitará futuras implementações do BRAMS visando uma arquitetura heterogênea como alvo. / BRAMS (Brazilian developments on the Regional Atmospheric Modelling System) is the system used by CPTEC/INPE for climate forecast in Brazil. This PhD project contributes to the improvement of the code of this system from implementation and evaluation of a hardware/software codesign framework of the dynamics module of the BRAMS climate model. A study of the source code was conducted to verify what parts can be accelerated with hardware. Kernels were developed using Intel OpenCL and they were executed in programmable devices of the type FPGA. This study used resources of the Intel HARP program (Heterogeneous Architecture Research Platform). HARP provided an infrastructure of heterogeneous computation with Xeon processors including an Arria 10 FPGA integrated. The results from three case studies conducted suggest that it is possible to carry a climate application to a heterogeneous machine that uses CPU and FPGA. However, to obtain a satisfactory performance in this new architecture it is necessary to master the available resources in Intel OpenCL to program the heterogeneous machine and the target application must have a code structure that favors the execution of such structures. Although the performance was not higher than the system running only in CPU, the gain in energy efficiency justifies the migration of the code to this new platform.

A demanda por novas tecnologias, melhoria de segurança e conforto para veículos urbanos cresceu consideravelmente nos últimos anos, motivando a indústria na criação de sistemas destinados ao apoio de motoristas (ADAS - Advanced Driver Assistance Systems). Este fato contribuiu para o desenvolvimento de diversos sistemas embarcados na área automobilística destacando-se, à prevenção de colisão a pedestres por veículos. Através do avanço em diversas pesquisas, começaram a circular pelas ruas veículos com sistemas anticolisão e com navegação autônoma. Contudo, para alcançar objetivos cada vez mais desafiadores, os projetistas precisam de ferramentas que permitam unir tecnologias e conhecimentos de áreas distintas de forma eficiente. Nesse contexto, há uma demanda para a construção de sistemas que aumentem o nível de abstração da modelagem de projetos para o processamento de imagens em sistemas embarcados e assim, possibilitando uma melhor exploração do espaço de projetos. A fim de contribuir para minimizar este problema, este trabalho de pesquisa demonstra o desenvolvimento de um framework para coprojeto de hardware e software específico para a construção de sistemas ADAS que utilizam visão computacional. O Framework visa facilitar o desenvolvimento dessas aplicações permitindo a exploração o espaço de projeto (DSE - Design Space Exploration), e assim contribuindo para um ganho de desempenho no desenvolvimento de sistemas embarcados quando comparados à construção totalmente de um modo manual. Uma das características deste projeto é a possibilidade da simulação da aplicação antes da síntese em um sistema reconfigurável. Os principais desafios deste sistema foram relacionados à construção do sistema de intercomunicação entre os diversos blocos de Propriedade Intelectual (IP) e os componentes de software, abstraindo do usuário final inúmeros detalhes de hardware, tais como gerenciamento de memória, interrupções, cache, tipos de dados (ponto flutuante, ponto fixo, inteiros) e etc, possibilitando um sistema mais amigável ao projetista. / The demand for new technologies, enhanced security and comfort for urban cars has grown considerably in recent years prompting the industry to create systems designed to support drivers (ADAS - Advanced Driver Assistance Systems). This fact contributed to the development of many embedded systems in the automotive area among them, the pedestrians collision avoidance. Through the advancement in various research, began circulating through the streets vehicles with anti-collision systems and autonomous navigation. However, to achieve ever more challenging goals, designers need tools to unite technology and expertise from different areas efficiently. In this context, there is a demand for building systems that increase the level of abstraction of models of image processing for use in embedded systems enabling better design space exploration. To help minimize this problem, this research demonstrates a develop a specific framework for hardware/software codesign to build ADAS systems using computer vision. The framework aims to facilitate the development of applications, allowing better explore the design space, and thus contribute to a performance gain in the development of embedded systems in relation to building entirely in hardware. One of the requirements of the project is the possibility of the simulation of an application before synthesis on a reconfigurable system. The main challenges of this system were related to the construction of the intercommunication system between the various Intellectual Property (IP) blocks and the software components, abstracting from the end user numerous hardware details, such as memory management, interruptions, cache, types (Floating point, fixed point, integers) and so on, enabling a more user-friendly system for the designer.

Several critical human activities depend on the weather forecasting. Some of them are transportation, health, work, safety, and agriculture. Such activities require computational solutions for weather forecasting through numerical models. These numerical models must be accurate and allow the computers to process them quickly. In this project, we aim at migrating a small part of the software of the weather forecasting model of Brazil, BRAMS Brazilian developments on the Regional Atmospheric Modelling System to a heterogeneous system composed of Xeon (Intel) processors coupled to a reprogrammable circuit (FPGA) via PCIe bus. According to the studies in the literature, the chemical equation from the mass continuity equation is the most computationally demanding part. This term calculates several linear systems Ax = b. Thus, we implemented such equations in hardware and provided a portable and highly parallel design in OpenCL language. The OpenCL framework also allowed us to couple our circuit to BRAMS legacy code in Fortran90. Although the development tools present several problems, the designed solution has shown to be viable with the exploration of parallel techniques. However, the performance was below of what we expected. / Várias atividades humanas dependem da previsão do tempo. Algumas delas são transporte, saúde, trabalho, segurança e agricultura. Tais atividades exigem solucões computacionais para previsão do tempo através de modelos numéricos. Estes modelos numéricos devem ser precisos e ágeis para serem processados no computador.Este projeto visa portar uma pequena parte do software do modelo de previsão de tempo do Brasil, o BRAMSBrazilian developments on the Regional Atmospheric Modelling Systempara uma arquitetura heterogênea composta por processadores Xeon (Intel) acoplados a um circuito reprogramável em FPGA via barramento PCIe. De acordo com os estudos, o termo da química da equação de continuidade da massa é o termo mais caro computacionalmente. Este termo calcula várias equações lineares do tipo Ax = b. Deste modo, este trabalho implementou estas equações em hardware, provendo um ´codigo portável e paralelo na linguagem OpenCL. O framework OpenCL também nos permitiu acoplar o código legado do BRAMS em Fortran90 junto com o hardware desenvolvido. Embora as ferramentas de desenvolvimento tenham apresentado vários problemas, a solução implementada mostrou-se viável com a exploração de técnicas de paralelismo. Entretando sua perfomance ficou muito aquém do desejado.

Several critical human activities depend on the weather forecasting. Some of them are transportation, health, work, safety, and agriculture. Such activities require computational solutions for weather forecasting through numerical models. These numerical models must be accurate and allow the computers to process them quickly. In this project, we aim at migrating a small part of the software of the weather forecasting model of Brazil, BRAMS Brazilian developments on the Regional Atmospheric Modelling System to a heterogeneous system composed of Xeon (Intel) processors coupled to a reprogrammable circuit (FPGA) via PCIe bus. According to the studies in the literature, the chemical equation from the mass continuity equation is the most computationally demanding part. This term calculates several linear systems Ax = b. Thus, we implemented such equations in hardware and provided a portable and highly parallel design in OpenCL language. The OpenCL framework also allowed us to couple our circuit to BRAMS legacy code in Fortran90. Although the development tools present several problems, the designed solution has shown to be viable with the exploration of parallel techniques. However, the performance was below of what we expected. / Várias atividades humanas dependem da previsão do tempo. Algumas delas são transporte, saúde, trabalho, segurança e agricultura. Tais atividades exigem solucões computacionais para previsão do tempo através de modelos numéricos. Estes modelos numéricos devem ser precisos e ágeis para serem processados no computador.Este projeto visa portar uma pequena parte do software do modelo de previsão de tempo do Brasil, o BRAMSBrazilian developments on the Regional Atmospheric Modelling Systempara uma arquitetura heterogênea composta por processadores Xeon (Intel) acoplados a um circuito reprogramável em FPGA via barramento PCIe. De acordo com os estudos, o termo da química da equação de continuidade da massa é o termo mais caro computacionalmente. Este termo calcula várias equações lineares do tipo Ax = b. Deste modo, este trabalho implementou estas equações em hardware, provendo um ´codigo portável e paralelo na linguagem OpenCL. O framework OpenCL também nos permitiu acoplar o código legado do BRAMS em Fortran90 junto com o hardware desenvolvido. Embora as ferramentas de desenvolvimento tenham apresentado vários problemas, a solução implementada mostrou-se viável com a exploração de técnicas de paralelismo. Entretando sua perfomance ficou muito aquém do desejado.

A demanda por novas tecnologias, melhoria de segurança e conforto para veículos urbanos cresceu consideravelmente nos últimos anos, motivando a indústria na criação de sistemas destinados ao apoio de motoristas (ADAS - Advanced Driver Assistance Systems). Este fato contribuiu para o desenvolvimento de diversos sistemas embarcados na área automobilística destacando-se, à prevenção de colisão a pedestres por veículos. Através do avanço em diversas pesquisas, começaram a circular pelas ruas veículos com sistemas anticolisão e com navegação autônoma. Contudo, para alcançar objetivos cada vez mais desafiadores, os projetistas precisam de ferramentas que permitam unir tecnologias e conhecimentos de áreas distintas de forma eficiente. Nesse contexto, há uma demanda para a construção de sistemas que aumentem o nível de abstração da modelagem de projetos para o processamento de imagens em sistemas embarcados e assim, possibilitando uma melhor exploração do espaço de projetos. A fim de contribuir para minimizar este problema, este trabalho de pesquisa demonstra o desenvolvimento de um framework para coprojeto de hardware e software específico para a construção de sistemas ADAS que utilizam visão computacional. O Framework visa facilitar o desenvolvimento dessas aplicações permitindo a exploração o espaço de projeto (DSE - Design Space Exploration), e assim contribuindo para um ganho de desempenho no desenvolvimento de sistemas embarcados quando comparados à construção totalmente de um modo manual. Uma das características deste projeto é a possibilidade da simulação da aplicação antes da síntese em um sistema reconfigurável. Os principais desafios deste sistema foram relacionados à construção do sistema de intercomunicação entre os diversos blocos de Propriedade Intelectual (IP) e os componentes de software, abstraindo do usuário final inúmeros detalhes de hardware, tais como gerenciamento de memória, interrupções, cache, tipos de dados (ponto flutuante, ponto fixo, inteiros) e etc, possibilitando um sistema mais amigável ao projetista. / The demand for new technologies, enhanced security and comfort for urban cars has grown considerably in recent years prompting the industry to create systems designed to support drivers (ADAS - Advanced Driver Assistance Systems). This fact contributed to the development of many embedded systems in the automotive area among them, the pedestrians collision avoidance. Through the advancement in various research, began circulating through the streets vehicles with anti-collision systems and autonomous navigation. However, to achieve ever more challenging goals, designers need tools to unite technology and expertise from different areas efficiently. In this context, there is a demand for building systems that increase the level of abstraction of models of image processing for use in embedded systems enabling better design space exploration. To help minimize this problem, this research demonstrates a develop a specific framework for hardware/software codesign to build ADAS systems using computer vision. The framework aims to facilitate the development of applications, allowing better explore the design space, and thus contribute to a performance gain in the development of embedded systems in relation to building entirely in hardware. One of the requirements of the project is the possibility of the simulation of an application before synthesis on a reconfigurable system. The main challenges of this system were related to the construction of the intercommunication system between the various Intellectual Property (IP) blocks and the software components, abstracting from the end user numerous hardware details, such as memory management, interruptions, cache, types (Floating point, fixed point, integers) and so on, enabling a more user-friendly system for the designer.

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