Este trabalho apresenta uma arquitetura de hardware, baseada em FPGA (Field-Programmable Gate Array) e com multi-câmeras, para o problema de localização e mapeamento simultâneos - SLAM (Simultaneous Localization And Mapping) aplicada a sistemas robóticos embarcados. A arquitetura é composta por módulos de hardware altamente especializados para a localização do robô e para geração do mapa do ambiente de navegação em tempo real com features extraídas de imagens obtidas diretamente de câmeras CMOS a uma velocidade de 30 frames por segundo. O sistema é totalmente embarcado em FPGA e apresenta desempenho superior em, pelo menos, uma ordem de magnitude em relaçãoo às implementações em software processadas por computadores pessoais de última geração. Esse desempenho deve-se à exploração do paralelismo em hardware junto com o processamento em pipeline e às otimizações realizadas nos algoritmos. As principais contribuições deste trabalho são as arquiteturas para o filtro de Kalman estendido - EKF (Extended Kalman Filter) e para a detecção de features baseada no algoritmo SIFT (Scale Invariant Feature Transform). A complexidade para a implementaçãoo deste trabalho pode ser considerada alta, uma vez que envolve uma grande quantidade de operações aritméticas e trigonométricas em ponto utuante e ponto fixo, um intenso processamento de imagens para extração de features e verificação de sua estabilidade e o desenvolvimento de um sistema de aquisição de imagens para quatro câmeras CMOS em tempo real. Adicionalmente, foram criadas interfaces de comunicação para o software e o hardware embarcados no FPGA e para o controle e leitura dos sensores do robô móvel. Além dos detalhes e resultados da implementação, neste trabalho são apresentados os conceitos básicos de mapeamento e o estado da arte dos algoritmos SLAM com visão monocular e estéreo / This work presents a hardware architecture for the Simultaneous Localization And Mapping (SLAM) problem applied to embedded robots. This architecture, which is based on FPGA and multi-cameras, is composed by highly specialized blocks for robot localization and feature-based map building in real time from images read directly from CMOS cameras at 30 frames per second. The system is completely embedded on an FPGA and its performance is at least one order of magnitude better than a high end PC-based implementation. This result is achieved by investigating the impact of several hardwareorientated optimizations on performance and by exploiting hardware parallelism along with pipeline processing. The main contributions of this work are the architectures for the Extended Kalman Filter (EKF) and for the feature detection system based on the SIFT (Scale Invariant Feature Transform). The complexity to implement this work can be considered high, as it involves a significant number of arithmetic and trigonometric operations in oating and fixed-point format, an intensive image processing for feature detection and stability checking, and the development of an image acquisition system from four CMOS cameras in real time. In addition, communication interfaces were created to integrate software and hardware embedded on FPGA and to control the mobile robot base and to read its sensors. Finally, besides the implementation details and the results, this work also presents basic concepts about mapping and state-of-the-art algorithms for SLAM with monocular and stereo vision.

Sistemas de tempo-real embarcados distribuídos se caracterizam pela complexidade e especificidade de seus projetos. Tanto a complexidade quanto a especificidade apresentam forte influência dos diversos requisitos ligados às restrições advindas das três características que distinguem tais sistemas, i.e. presença de fortes restrições temporais, restrições de sistemas embarcados e distribuição de processamento. Estes requisitos, chamados de requisitos não-funcionais, afetam diversas partes do sistema de maneira não uniforme, tornando-se por esta razão difícil o seu gerenciamento. Metodologias orientadas a objetos não apresentam mecanismos específicos para tratar tais requisitos, o que implica na aplicação de um significativo esforço ao se realizar o reuso ou a manutenção de componentes afetados por requisitos de natureza nãofuncional. Novas tecnologias têm surgido com o objetivo de contornar este problema, notadamente a orientação a aspectos. Este paradigma propõe a separação no tratamento dos requisitos não-funcionais contribuindo com a modularização do sistema. Esta dissertação propõe a aplicação de orientação a aspectos para a especificação de sistemas tempo-real embarcados distribuídos. Para isto realizou-se a adaptação de uma metodologia de desenvolvimento de sistemas orientada a aspectos, a FRIDA (From RequIrements to Design using Aspects), contextualizando-a para o domínio de interesse. A utilização desta metodologia provê suporte ao mapeamento de requisitos em elementos de projeto de modo a promover a rastreabilidade entre as fases de análise e projeto. Na fase de projeto é proposta a utilização de aspectos em conjunto com elementos do perfil RT-UML para o tratamento dos requisitos identificados e especificados na fase de análise. / Distributed real-time embedded systems generally have complex and very specific projects. Those characteristics are influenced by several requirements that have relation with constraints about the time, embedded and distribution restrictions. Those requirements, called non-functional requirements, can affect the whole system in a nonuniform way, what makes it difficult to handle with this kind of requirement. Objectoriented methodologies do not present specific mechanisms to handle those requirements, what imply in a significant effort to perform reuse and maintainability tasks in those components affected by non-functional requirements. New technologies are emerging to fulfill this gap, noteworthy the aspect orientation. This paradigm proposes the separation in handling functional and non-functional requirements, giving a contribution to the system modularity. This dissertation proposes the use of aspect orientation to specify distributed realtime embedded systems. To support this proposal, it was performed an adaptation of an aspect-oriented method called FRIDA (From RequIrements to Design using Aspects). The use of this method supports the mapping of requirements in design model elements, in order to promote traceability between analysis and design phases. The presented approach proposes the use of RT-UML together with aspect oriented elements in design phase aiming to improve the handling of those requirements specified in the analysis phase.

O uso de sistemas de assistência ao motorista (DAS) baseados em visão tem contribuído consideravelmente na redução de acidentes e consequentemente no auxílio de uma melhor condução. Estes sistemas utilizam basicamente uma câmera de vídeo embarcada (normalmente fixada no para-brisa) com o propósito de extrair informações acerca da rodovia e ajudar o condutor num melhor processo de dirigibilidade. Pequenas distrações ou a perda de concentração podem ser suficientes para que um acidente ocorra. Este trabalho apresenta uma proposta para o desenvolvimento de algoritmos para extrair informações sobre a sinalização em rodovias. Mais precisamente, serão abordados algoritmos de calibração de câmera explorando a geometria da pista, de extração da marcação de pintura (sinalização horizontal) e detecção e identificação de placas de trânsito (sinalização vertical). Os resultados experimentais indicam que o método de calibração de câmera alcançou bons resultados na obtenção dos parâmetros extrínsecos com erros inferiores a 0:5 . O erro médio encontrado nos experimentos com relação a estimativa da altura da câmera foi em torno de 12 cm (erro relativo aproximado de 10%), permitindo explorar o uso da realidade aumentada como uma possível aplicação. A acurácia global para a detecção e reconhecimento da sinalização horizontal (marcas seccionadas, contínuas e mistas) foi acima de 96% perante uma diversidade de situações apresentadas, tais como: sombras, variação de iluminação, degradação do asfalto e pintura. O uso da câmera calibrada para a detecção da sinalização vertical contribui para delimitar o espaço de varredura da janela deslizante do detector, bem como realizar a procura por placas em uma única escala para cada região de busca, caracterizada pela distância ao veículo. Os resultados apresentados reportam uma taxa global de classificação de aproximadamente 99% para o sinal de proibido ultrapassar, considerando-se uma base de dados limitada a 962 amostras. / The use of driver assistance systems (DAS) based on computer vision has helped considerably in reducing accidents and consequently aid in better driving. These systems primarily use an embedded video camera (usually fixed on the windshield) for the purpose of extracting information about the highway and assisting the driver in a better handling process. Small distractions or loss of concentration may be sufficient for an accident to occur. This work presents the development of algorithms to extract information about traffic signs on highways. More specifically, this work will tackle a camera calibration algorithm that exploits the geometry of the road track, algorithms for the extraction of road marking paint (lane markings) and detection and identification of vertical traffic signs. Experimental results indicate that the proposed method for obtaining the extrinsic parameters achieve good results with errors of less than 0:5 . The average error in our experiments, related to the camera height, were around 12 cm (relative error around 10%). Global accuracy for the detection and classification of road lane markings (dashed, solid, dashed-solid, solid-dashed or double solid) were over 96%. Finally, our camera calibration algorithm was used to reduce the search region and to define the scale of a slidingwindow detector for vertical traffic signs. The use of the calibrated camera for the detection of traffic signs contributes to define the scanning area of the sliding window and perform a search for signs on a unique scale for each region of interest, determined by the distance to the vehicle. The results reported a global classification rate of approximately 99% for the no overtaking sign, considering a limited of 962 samples.

Nos últimos anos os sistemas embarcados tem-se tornado notório nos mercados de eletroeletrônicos de consumo, automação industrial e comercial e em veículos em geral. Grande parte destas aplicações possui restrições temporais, sendo assim caracterizadas como sistemas de tempo real embarcado. Atualmente, a computação distribuída tem alcançado este tipo de sistema e por razão principal em custos desses sistemas, alguns barramentos ou redes de comunicação vêm sendo empregados como plataforma de conexão entre módulos eletrônicos. Um exemplo de aplicação de sistemas embarcados distribuídos e de tempo real é a eletrônica embarcada em veículos automotores, onde se encontram várias unidades de controle eletrônico espalhadas interior desses veículos com diferentes funções e se comunicando via rede de comunicação. Algumas pesquisas importantes nesta área já apresentaram diferentes abordagens em sistemas distribuídos de tempo real (SDTR) objetivando cobrir a crescente demanda de desempenho, previsibilidade e confiabilidade dessas aplicações emergentes. Tais requisitos envolvem baixa latência de transmissão, baixa variabilidade no tempo (jitter), tolerância a falhas e suporte para atualizações futuras - flexibilidade. Particularmente na área automotiva, onde é considerada a possibilidade de substituição de dispositivosmecânicos/hidráulicos por sistemas eletrônicos, conhecidos como "by-wire" systems. Assegurar um comportamento previsível e confiável desses sistemas assim como agregar um nível de flexibilidade são características necessárias em grande parte de aplicações de SDTR. O modelo de comunicação FTT (Flexible Time-Triggered) apresentado nesta dissertação, apresenta um alto grau de flexibilidade em relação a outros protocolos, tais como TTCAN, TTP e FlexRay. Um sistema distribuído de tempo real baseado no modelo FTT se adapta às mudanças de requisitos da aplicação em tempo de execução, sendo possível adicionar novas unidades de controle eletrônico sobre a rede após a fase de projeto. Esta característica advém do escalonador dinâmico deste modelo de comunicação. Este trabalho apresenta algumas propostas de melhoria de desempenho de tempo de resposta do protocolo FTT-CAN, descrevendo alguns pontos negligenciados na atual especificação do protocolo. As propostas têm como foco a estratégia de disparo de mensagens e tarefas, sendo a primeira relacionada à transmissão de mensagens síncrona (ou time-triggered), onde existem dois inconvenientes que geram jitter neste segmento de transmissão; a segunda é relacionado ao disparo de tarefas, onde existem algumas deficiências na liberação de tarefas síncronas na atual especificação do protocolo FTT-CAN. / Embedded computing systems have become widely used in many areas. The greater part of those systems has time constraints and therefore they can be characterized as real time embedded systems. Nowadays, distributed computing has reached the embedded application, where some fieldbuses are already being used as communication platforms. Some important researches has presented different approaches in the real time distributed embedded system domain aiming to cover the growing demands of performance, predictability and reliability of emerging applications. Such requirements involve low latency, reduced jitter, time composability, fault-tolerance and support for future extensions – flexibility. Particularly in the automotive area, on which several mechanical and/or hydraulic systems are being replaced by electronic "by-wire"systems, the importance of ensuring predictable behavior while also presenting some degree of flexibility plays a key role. Regarding to the flexibility, the Flexible Time Triggered communication model stands out against the others ones due to its high degree of flexibility. In this context, the FTT communication model appears as an interesting approach due to its high degree of flexibility while still ensuring a deterministic timing behavior. A distributed system based on a FTT communication infrastructure can adapts to changing application requirements, making possible the addition of new messages and nodes during operation. In this way, the communication infrastructure needs to schedule newest messages on-line. This master’s work presents some proposals to improve the FTT-CAN response-time and indicating some drawbacks in already presented approaches. The improvements are concerning messages and tasks scheduling. Despite of its interesting characteristics, FTT CAN present some negative aspects regarding its timing behavior: the issue is on the synchronous message transmission, where there are two neglected points that generate jitter in this traffic; the other one is tasks dispatching, where there are some deficiencies concerning synchronous tasks execution. These disadvantages were not discussed in literature yet. This work presents new proposals to task and message scheduling of FFT-CAN based applications, therefore overcoming some of the main drawbacks of the protocol.

Atualmente, o projeto de sistemas tempo-real embarcados e distribuídos está crescendo em complexidade devido à sua natureza heterogênea e ao crescente número e diversidade de funções que um único sistema desempenha. Sistemas de automação industrial, sistemas eletrônicos em automóveis e veículos aéreos, equipamentos médicos, entre outros, são exemplos de tais sistemas. Tais sistemas são compostos por componentes distintos (blocos de hardware e software), os quais geralmente são projetados concorrentemente utilizando modelos, ferramentas e linguagens de especificação e implementação diferentes. Além disso, estes sistemas tem requisitos específicos e importantes, os quais não representam (por si só) as funcionalidades esperadas do sistema, mas podem afetar a forma como o sistema executa suas funcionalidades e são muito importantes para a realização do projeto com sucesso. Os chamados requisitos não-funcionais são difíceis de tratar durante todo o ciclo de projeto porque normalmente um único requisito não-funcional afeta vários componentes diferentes. A presente tese de doutorado propõe a integração automatizada das fases de projeto de sistemas tempo-real embarcados e distribuídos focando em aplicações na área da automação. A abordagem proposta usa técnicas de engenharia guiada por modelos (do inglês Model Driven Engineering ou MDE) e projeto orientado a aspectos (do inglês Aspect-Oriented Design ou AOD) juntamente com o uso de plataformas previamente desenvolvidas (ou desenvolvida por terceiros) para projetar os componentes de sistemas tempo-real embarcados e distribuídos. Adicionalmente, os conceitos de AOD permitem a separação no tratamento dos requisitos de naturezas diferentes (i.e. requisitos funcionais e não-funcionais), melhorando a modularização dos artefatos produzidos (e.g. modelos de especificação, código fonte, etc.). Além disso, esta tese propõe uma ferramenta de geração de código, que suporta a transição automática das fases iniciais de especificação para as fases seguintes de implementação. Esta ferramenta usa um conjunto de regras de mapeamento, que descrevem como elementos nos níveis mais altos de abstração são mapeados (ou transformados) em elementos dos níveis mais baixos de abstração. Em outras palavras, tais regras de mapeamento permitem a transformação automática da especificação inicial, as quais estão mais próximo do domínio da aplicação, em código fonte para os componentes de hardware e software, os quais podem ser compilados e sintetizados por outras ferramentas para se obter a realização/implementação do sistema tempo-real embarcado e distribuído. / Currently, the design of distributed embedded real-time systems is growing in complexity due to the increasing amount of distinct functionalities that a single system must perform, and also to concerns related to designing different kinds of components. Industrial automation systems, embedded electronics systems in automobiles or aerial vehicles, medical equipments and others are examples of such systems, which includes distinct components (e.g. hardware and software ones) that are usually designed concurrently using distinct models, tools, specification, and implementation languages. Moreover, these systems have domain specific and important requirements, which do not represent by themselves the expected functionalities, but can affect both the way that the system performs its functionalities as well as the overall design success. The so-called nonfunctional requirements are difficult to deal with during the whole design because usually a single non-functional requirement affects several distinct components. This thesis proposes an automated integration of distributed embedded real-time systems design phases focusing on automation systems. The proposed approach uses Model- Driven Engineering (MDE) techniques together with Aspect-Oriented Design (AOD) and previously developed (or third party) hardware and software platforms to design the components of distributed embedded real-time systems. Additionally, AOD concepts allow a separate handling of requirement with distinct natures (i.e. functional and non-functional requirements), improving the produced artifacts modularization (e.g. specification model, source code, etc.). In addition, this thesis proposes a code generation tool, which supports an automatic transition from the initial specification phases to the following implementation phases. This tool uses a set of mapping rules, describing how elements at higher abstraction levels are mapped (or transformed) into lower abstraction level elements. In other words, suchmapping rules allow an automatic transformation of the initial specification, which is closer to the application domain, in source code for software and hardware components that can be compiled or synthesized by other tools, obtaining the realization/ implementation of the distributed embedded real-time system.

Heutzutage sind wir von Geräten umgeben, die sowohl Hardware wie auch Software- Komponenten beinhalten. Diese Geräte unterstützen ein breites Spektrum an verschiedenen Domänen, so zum Beispiel Telekommunikation, Luftfahrt, Automobil und andere. Derartige Systeme sind überall aufzufinden und werden als Eingebettete Systeme bezeichnet, da sie zur Informationsverarbeitung in andere Produkte eingebettet werden, wobei die Informationsverarbeitung des eingebetteten Systems jedoch nicht die bezeichnende Funktion des Produkts ist. Die ständig zunehmende Komplexität moderner eingebettete Systeme erfordert die Verwendung von mehreren Komponenten um die Funktionen von einem einzelnen System zu implementieren. Eine solche Steigerung der Funktionalität führt jedoch ebenfalls zu einem Wachstum in der Entwurfs-Komplexität, die korrekt und effizient beherrscht werden muss. Neben hohen Anforderungen bezüglich Leistungsaufnahme, Performanz und Kosten hat auch Time-to-Market-Anforderungen großen Einfluss auf den Entwurf von Eingebetteten Systemen. Design Space Exploration (DSE) beschreibt die systematische Erzeugung und Auswertung von Entwurfs-Alternativen, um die Systemleistung zu optimieren und den gestellten Anforderungen an das System zu genügen. Bei der Entwicklung von Eingebetteten Systemen, speziell beim Platform-Based Design (PBD) führt die zunehmende Anzahl von Design-Entscheidungen auf mehreren Abstraktionsebenen zu einer Explosion der möglichen Kombinationen von Alternativen, was auch für aktuelle DSE Methoden eine Herausforderung darstellt. Jedoch vermag üblicherweise nur eine begrenzte Anzahl von Entwurfs-Alternativen die zusätzlich formulierten nicht-funktionalen Anforderungen zu erfüllen. Darüber hinaus beeinflusst jede Entwurfs- Entscheidung weitere Entscheidungen und damit die resultierenden Systemeigenschaften. Somit existieren Abhängigkeiten zwischen Entwurfs-Entscheidungen und deren Reihenfolge auf dem Weg zur Implementierung des Systems. Zudem gilt es zwischen einer spezifischen Heuristik für eine bestimmte DSE, welche zu verbesserten Optimierungsresultaten führt, sowie globalen Verfahren, welche ihrerseits zur Flexibilität hinsichtlich der Anwendbarkeit bei verschiedenen DSE Szenarien beitragen, abzuwägen. Um die genannten Herausforderungen zu lösen wird eine Modellgetriebene Entwicklung (englisch Model-Driven Engineering, kurz MDE) Methodik für DSE vorgeschlagen. Für diese Methodik wird ein DSE-Domain-Metamodell eingeführt um relevante DSEKonzepte wie Entwurfsraum, Entwurfs-Alternativen, Auswertungs- und Bewertungsverfahren, Einschränkungen und andere abzubilden. Darüber hinaus modelliert das Metamodell verschiedenen DSE-Frage- stellungen, was zur Verbesserung der Flexibilität der vorgeschlagenen Methodik beiträgt. Zur Umsetzung von DSE-Regeln, welche zur Steuerung, Einschränkung und Generierung der Ent- wurfs-Alternativen genutzt werden, finden Modell-zu-Modell-Transformationen Anwendung. Durch die Fokussierung auf die Zuordnung zwischen den Schichten in einem PBDAnsatz wird eine neuartige Entwurfsraumabstraktion eingeführt, um multiple Entwurfsentscheidungen als singuläres DSE Problem zu repräsentieren. Diese auf dem Categorial Graph Product aufbauende Abstraktion entkoppelt den Explorations-Algorithmus vom Entwurfsraum und ist für Umsetzung in automatisierte Werkzeugketten gut geeignet. Basierend auf dieser Abstraktion profitiert die DSE-Methode durch die eingeführte MDEMethodik als solche und ermöglicht nunmehr neue Optimierungsmöglichkeiten sowie die Verbesserung der Integration von DSE in Entwicklungsprozesse und die Spezifikation von DSE-Szenarien. / Atualmente dispositivos contendo hardware e software são encontrados em todos os lugares. Estes dispositivos prestam suporte a uma varieadade de domínios, como telecomunicações, automotivo e outros. Eles são chamados “sistemas embarcados”, pois são sistemas de processamento montados dentro de produtos, cujo sistema de processamento não faz parte da funcionalidade principal do produto. O acréscimo de funções nestes sistemas implica no aumento da complexidade de seu projeto, o qual deve ser adequadamente gerenciado, pois além de requisitos rigorosos em relação à dissipação de potência, desempenho e custos, a pressão sobre o prazo para introdução de um produto no mercado também dificulta seu projeto. Exploração do espaço de projeto (DSE) é a atividade sistemática de gerar e avaliar alternativas de projetos, com o objetivo de otimizar suas propriedades. No desenvolvimento de sistemas embarcados, especialmente em Projeto Baseado em Plataformas (PBD), metodologias de DSE atuais são desafiadas pelo crescimento do número de decisões de projeto, o qual implica na explosão da combinação de alternativas. Porém, somente algumas destas resultam em projetos que atedem os requisitos nãofuncionais. Além disso, as decisões influenciam umas às outras, de forma que a ordem em que estas são tomadas alteram a implementação final do sistema. Outro desafio é o balanço entre flexibilidade da metodologia e seu desempenho, pois métodos globais de otimização são flexíveis, mas apresentam baixo desempenho. Já heurísticas especialmente desenvolvidas para o cenário de DSE em questão apresentam melhor desempenho, porém dificilmente são aplicáveis a diferentes cenários. Com o intuito de superar os desafios é proposta uma metodologia de projeto dirigido por modelos (MDE) adquada para DSE. Um metamodelo do domínio de DSE é definido para representar conceitos como espaço de projeto, métodos de avaliação e restrições. O metamodelo também representa diferentes problemas de DSE aprimorando a flexibilidade da metodologia. Regras de transformações de modelos implementam as regras de DSE, as quais são utilizadas para restringir e guiar a geração de projetos alternativos. Restringindo-se ao mapeamento entre camadas no PBD é proposta uma abstração para representar o espaço de projeto. Ela representa múltiplas decisões de projeto envolvidas no mapeamento como um único problema de DSE. Esta representação é adequada para a implementação em ferramentas automática de DSE e pode beneficiar o processo de DSE com uma abordagem de MDE, aprimorando a especificação de cenários de DSE e sua integração no processo de desenvolvimento. / Nowadays we are surrounded by devices containing hardware and software components. These devices support a wide spectrum of different domains, such as telecommunication, avionics, automobile, and others. They are found anywhere, and so they are called Embedded Systems, as they are information processing systems embedded into enclosing products, where the processing system is not the main functionality of the product. The ever growing complexity in modern embedded systems requires the utilization of more components to implement the functions of a single system. Such an increasing functionality leads to a growth in the design complexity, which must be managed properly, because besides stringent requirements regarding power, performance and cost, also time-to-market hinders the design of embedded systems. Design Space Exploration (DSE) is the systematic generation and evaluation of design alternatives, in order to optimize system properties and fulfill requirements. In embedded system development, specifically in Platform-Based Design (PBD), current DSE methodologies are challenged by the increasing number of design decisions at multiple abstraction levels, which leads to an explosion of combination of alternatives. However, only a reduced number of these alternatives leads to feasible designs, which fulfill non-functional requirements. Moreover, each design decision influences subsequent decisions and system properties, hence there are inter-dependencies between design decisions, so that the order decisions are made matters to the final system implementation. Furthermore, there is a trade-off between heuristics for specific DSE, which improves the optimization results, and global optimizers, which improve the flexibility to be applied in different DSE scenarios. In order to overcome the identified challenges an MDE methodology for DSE is proposed. For this methodology a DSE Domain metamodel is proposed to represent relevant DSE concepts such as design space, design alternatives, evaluation method, constraints and others. Moreover, this metamodel represents different DSE problems, improving the flexibility of the proposed framework. Model transformations are used to implement DSE rules, which are used to constrain, guide, and generate design candidates. Focusing on the mapping between layers in a PBD approach, a novel design space abstraction is provided to represent multiple design decisions involved in the mapping as a single DSE problem. This abstraction is based on Categorical Graph Product, decoupling the exploration algorithm from the design space and being well suited to be implemented in automatic exploration tools. Upon this abstraction, the DSE method can benefit from the MDE methodology, opening new optimization opportunities, and improving the DSE integration into the development process and specification of DSE scenarios.

Orientador: Paulo Cesar Centoducatte / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-05T00:50:23Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Baldassin_Alexandro_M.pdf: 957897 bytes, checksum: 02ca08a95301bf7e9262564a9672c8b4 (MD5) Previous issue date: 2005 / Resumo: Projetistas de sistemas dedicados enfrentam atualmente novos desafios em todas as fases do projeto. A difusão da tecnologia conhecida como SoC (System on a Chip) requer novos paradigmas para a especificação, implementação e verificação do projeto. A alta complexidade de tais sistemas e a grande variedade de configurações disponíveis podem tornar a escolha do sistema ideal demorada, prolongando o tempo de projeto e conseqüentemente seu ingresso no mercado. Em especial, no processo de escolha de um certo processador, o projetista necessita de um conjunto básico de ferramentas que lhe permitam analisar questões como desempenho, potência consumida, ou ainda área de silício ocupada. Exemplos de ferramentas importantes nessa fase de avaliação do projeto incluem compiladores, montadores e simuladores de instruções. Nesse contexto, o uso de uma linguagem para descrição de arquitetura (Architecture Description Language, ADL) permite que processadores sejam modelados em níveis altos de abstração, e que um conjunto de ferramentas específicas para o modelo descrito seja gerado automaticamente. ArchC é uma ADL em desenvolvimento no Laboratório de Sistemas de Computação (IC-UNICAMP), e já é capaz de gerar ferramentas de simulação de instruções automaticamente. Desenvolvemos neste trabalho uma ferramenta para geração automática de montadores a partir de modelos descritos em ArchC, denominada acasm 2. O desenvolvimento de acasm nos levou a incorporar novas construções a ArchC para a modelagem da linguagem de montagem e da codificação das instruções. Nossa ferramenta gera um conjunto de arquivos dependentes de arquitetura para o redirecionamento do montador GNU Assembler (gas). Usamos acasm para gerar montadores a partir de modelos, em ArchC, das arquiteturas MIPS-I e SPARC-V8, e comparamos os arquivos objetos obtidos com os gerados pelo montador gas nativo para ambas arquiteturas. Os resultados mostraram que os arquivos gerados pelo nosso montador foram idênticos aos gerados pelo montador nativo para ambas arquiteturas / Abstract: Nowadays, embedded systems designers are facing new challenges at all stages of the design process. The growing of the system-on-chip (SoC) technology is creating new paradigms in the specification, implementation and verification phases of a design. The increasing complexity and the myriad of available configurations make it hard to choose the ideal system, therefore lengthening the design time, as well as time to market. Specially, customization of the processor architecture requires a software toolkit in order to estimate factors such as performance, power dissipation and chip area. Examples of these tools may include compilers, assemblers and instruction level simulators. In this context, the use of an architecture description language (ADL) allows one to model processors using different levels of abstraction. Based on the model, a software toolkit can be automatically generated. ArchC is an ADL being developed by the Computer Systems Laboratory (IC-UNICAMP) and can automatically generate instruction level simulators at its current stage. In this work, we have created a tool to automatically generate assemblers from ArchC models, named acasm 3. While developing acasm we have introduced new language constructions to ArchC in order to describe the assembly language syntax and the instruction encoding scheme. Our tool retargets the GNU assembler (gas) to different architectures by generating a set of architecture depedent files based on ArchC models. We used acasm to generate assemblers to the MIPS-I and SPARC-V8 architectures based on our ArchC models. We then compared the object files created by our assemblers with the ones created by the native gas and no difference between each pair of files was noticed, for both architectures / Mestrado / Mestre em Ciência da Computação

Orientador: Joao Mauricio Rosario / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-11T16:00:59Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Passos_WlamirdeAlmeida_M.pdf: 6622683 bytes, checksum: 09020aa002fe289905bdd3821461cf35 (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: Durante os últimos anos tem ocorrido uma grande evolução tecnológica na área de sistemas embarcados, abrangendo inovações tanto em hardware como em software. Tais inovações permitem o desenvolvimento de novas metodologias de projeto que levem em conta a facilidade de futuras modificações, modernizações e expansões do sistema projetado. Este trabalho apresenta um estudo de novas ferramentas de projeto para sistemas baseados em lógica reconfigurável. A principal motivação deste trabalho é a apresentação de ferramentas para prototipagem rápida baseadas em computação reconfigurável para implementação de protótipos de sistemas Embarcados. Será abordada a evolução deste tipo de tecnologia bem como os softwares de desenvolvimento disponíveis. Será também abordado um estudo de caso na área de Acionamento e Controle de Sistemas Mecatrônicos bem como a sua implementação e teste utilizando-se a técnica HIL - Hardware In the Loo / Abstract: In the last years, there has been a great technologic evolution in the embedded systems area, covering innovations both in hardware and software. Those innovations allow the development of new project methodologies that considers the facility of future modifications, upgrades and expansions for the system. This work shows a study about new design tools made for systems based on reconfigurable computation. The main motivation of this work is the presentation of tools for fast prototyping based on prototyping seeking the implementation of prototypes of embedded systems. It will be discussed the evolution of this type of technology as well as the available development software. It will be also discussed a case study on mechatronic control system as well as it¿s implementation and tests using Hardware In the Loop (HIL) techniques / Mestrado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Mestre em Engenharia Mecânica

Made available in DSpace on 2015-04-22T22:00:44Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Francisco.pdf: 2605316 bytes, checksum: ee1fad3d9d9e7780947fc166b5909203 (MD5) Previous issue date: 2011-03-24 / The energy consumption in the past years became a very important issue in embedded system projects. The high production and wide application of mobile devices have forced the emergence of various restrictions to this system, such as: weight, size and lifetime of batteries and multiple functionalities. Mobile devices works under limited power source that autonomy and lifetime are directly related to energy consumption of the running applications. These concerns have contributed significantly to include the energy consumption as metric for project quality in embedded systems. The main goal of this work is to propose metrics, estimative and compare the energy consumption of programs code written in ANSI-C language, based on execution time of embedded systems. In order to support the approach it was improved a tool in algorithm level known as PESTI in multiple scenarios. It was written a program in ANSI-C language and loaded in processor of the ARM 7 family s. Then, it was added into this program flags to signalize start and stop in order to measure execution time of each track in analysis. The estimative tool already modified to attribute multiple scenarios, for a program written in ANSI-C and translated into an annotated control flow graph, with tracks assignments of probabilities. This model is probabilistically simulated by using Monte Carlo methodology. The proposed approach was validate carrying out a series of experimental in order to show the viability of the improved tool of estimation and characterization, which together will make the estimates of energy consumption somewhat more feasible.  Validate the proposed approach added;  Compare the results between simulation time and the tool for characterization PESTI with the same hardware platform embedded (ARM7). The experimental were divided in three steps:  Simulation of the code in the tool PESTI in multiple scenarios;  Characterization of the query code;  Comparison of the characterization tool and PESTI. The experiments were conducted on:  AMD Turion (tm) II Dual Core Mobile Processor M500, 2.20GHz, 4Gb of RAM;  OS Linux Mint Distribution kernel 2.6.22 32-bit; 11  OS Windows 7 32-bit. / Consumo de energia nos últimos anos tornou-se um aspecto importante em projetos de sistemas embarcados. A produção e utilização em larga escala dos dispositivos móveis tem imposto várias restrições como: peso, tamanho, tempo de vida útil da bateria e funcionalidades complexas. Dispositivos móveis operam sob uma fonte de energia limitada cuja autonomia e tempo de vida útil estão diretamente relacionados ao consumo de energia das aplicações. Estas questões contribuíram para incluir o consumo de energia como métrica de qualidade no projeto de sistemas embarcados. Este trabalho tem como objetivo propor uma abordagem de medição, estimação e comparação do consumo de energia de código de programas escritos em linguagem ANSI-C, baseados em ensaios de códigos previamente escolhidos com características de consumo de energia e no tempo de execução. Para dar suporte à abordagem, uma ferramenta de estimação chamada PESTI foi estendida para atender múltiplos cenários probabilísticos. Programas escritos em linguagem ANSI-C são embarcados no processador LPC2148 da família ARM 7. Nesse programa são inseridos flags de sinalização para start e stop, para delimitar o tempo de execução e medirmos o consumo de energia do código. Um hardware chamado de caracterizador de consumo de energia auxiliará na medição em tempo real de execução do código. A ferramenta de estimação chamada PESTI com características probabilísticas e atribuições para múltiplos cenários probabilísticos é usada para estimar o consumo de energia do programa escrito em ANSI-C. Validamos a abordagem proposta, executando um conjunto de experimentos mostrando a viabilidade da extensão da ferramenta de estimação e o caracterizador que, em conjunto, viabilizarão as estimativas de consumo de energia no processador alvo. As atividades realizadas para a execução dos experimentos foram:  Validar a abordagem proposta;  Comparar os resultados medidos e estimados entre a ferramenta PESTI com o caracterizador para a mesma plataforma de hardware embarcada (ARM7). Os experimentos foram divididos em três passos:  Estimação dos códigos na ferramenta PESTI em simples e múltiplos cenários;  Caracterização do código em questão;  Comparação da caracterização e ferramenta PESTI. 9 Onde os resultados obtidos mostram uma diferença entre os valores estimados e simulados e os resultados medidos. Os experimentos foram conduzidos sobre:  AMD Turion(tm) II Dual Core Mobile M500, 2.20GHz, 4GB de RAM;  SO Linux Distribuição Mint kernel 2.6.22;  SO de 32 bits Windows 7.

Submitted by Lúcia Brandão (lucia.elaine@live.com) on 2015-12-11T18:22:47Z No. of bitstreams: 1 Dissertação - Rawlinson da Silva Gonçalves.pdf: 25918994 bytes, checksum: 31dbbcde9e265b8281faa9ef25a9b346 (MD5) / Approved for entry into archive by Divisão de Documentação/BC Biblioteca Central (ddbc@ufam.edu.br) on 2016-01-20T15:20:18Z (GMT) No. of bitstreams: 1 Dissertação - Rawlinson da Silva Gonçalves.pdf: 25918994 bytes, checksum: 31dbbcde9e265b8281faa9ef25a9b346 (MD5) / Approved for entry into archive by Divisão de Documentação/BC Biblioteca Central (ddbc@ufam.edu.br) on 2016-01-20T15:23:25Z (GMT) No. of bitstreams: 1 Dissertação - Rawlinson da Silva Gonçalves.pdf: 25918994 bytes, checksum: 31dbbcde9e265b8281faa9ef25a9b346 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-01-20T15:23:25Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dissertação - Rawlinson da Silva Gonçalves.pdf: 25918994 bytes, checksum: 31dbbcde9e265b8281faa9ef25a9b346 (MD5) Previous issue date: 2015-07-10 / FAPEAM - Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Amazonas / Embedded systems have evolved significantly in recent years,mainlyduetoadvances in technology, cost reduction of electronic equipment, and mainly the popularization of mobile devices. Many of these systems require energy resources from battery to maintain the operation of their various components. However, for these devices to have a good autonomy, several techniques and methodologies have been implemented to better manage energy consumption of the system as a whole. This need has contributed to the rise of various lines of research, mainly in the area of real-time systems, where the complicating factor is not only reducing energy consumptionbutalsorespectthetime constraints of all tasks running on the system. Thus, this work aims to maximize energy gains from the use of intra-task dynamic voltage and frequency scaling technique, also known as intra-task DVFS. The proposed online methodology aims to achieve better management of exchanging voltages and frequency of the processor, through a collaborative approach between real-time applications and the operating system. Therefore, both can work together, within the kernel of the system, to reduce the response times of the processor context switches, mainly after preemptions. The experimental results, using the C-Benchmarck, showed that it is possible to decrease about 6% processor power consumption even performing all tasks in the worst case. / Os sistemas embarcados têm evoluído significativamente nos últimos anos, principalmente devido aos avanços da tecnologia, a redução dos custos dos equipamentos eletrônicos e a popularização dos dispositivos móveis. Muitos desses sistemas dependem da energia provenientes de baterias para manter o funcionamento dos seus diversos componentes. No entanto, para que esses dispositivos tenham uma boa autonomia, várias técnicas e metodologias têm sido propostas para melhor gerenciar o consumo de energia do sistema como um todo. Essa necessidade tem contribuído para o surgimento de diversas linhas de pesquisa, principalmente na área de sistemas de tempo real, onde o fator complicante não está somente em reduzir o consumo de energia, mas também em respeitar as restrições temporais de todas as tarefas em execução no sistema. Sendo assim, este trabalho tem como objetivo diminuir o consumo de energia do processador utilizando a técnica de escalonamento dinâmicodetensõesefrequênciasdo processador intra-tarefa, também conhecido como DVFS intra-tarefa (em inglês, Dynamic Voltage and Frequency Scaling). A metodologia online proposta visa realizar ogerenciamentodastrocasdetensõesefrequênciasdoprocessador, através de uma abordagem colaborativa entre as aplicações de tempo real e o sistema operacional. Dessa forma, ambos podem trabalhar em conjunto, dentro do núcleo do sistema, para diminuir os tempos de resposta dos chaveamentos de tensões e frequências do processador, principalmente diante de sucessivas preempções entre as aplicações de tempo real em execução no sistema. Os resultados experimentais dessa metodologia, utilizando o C-Benchmarck, mostraram que é possível diminuircercade6%oconsumo de energia do processador, mesmo executando todas as tarefasnopiorcaso.