This research addresses problems in designing analog and mixed-signal (AMS) systems by bridging the gap between system-level and circuit-level simulation by making simulations fast like system-level and accurate like circuit-level. The tools proposed include metamodel integrated Verilog-AMS based design exploration flows. The research involves design centering, metamodel generation flows for creating efficient behavioral models, and Verilog-AMS integration techniques for model realization. The core of the proposed solution is transistor-level and layout-level metamodeling and their incorporation in Verilog-AMS. Metamodeling is used to construct efficient and layout-accurate surrogate models for AMS system building blocks. Verilog-AMS, an AMS hardware description language, is employed to build surrogate model implementations that can be simulated with industrial standard simulators. The case-study circuits and systems include an operational amplifier (OP-AMP), a voltage-controlled oscillator (VCO), a charge-pump phase-locked loop (PLL), and a continuous-time delta-sigma modulator (DSM). The minimum and maximum error rates of the proposed OP-AMP model are 0.11 % and 2.86 %, respectively. The error rates for the PLL lock time and power estimation are 0.7 % and 3.0 %, respectively. The OP-AMP optimization using the proposed approach is ~17000× faster than the transistor-level model based approach. The optimization achieves a ~4× power reduction for the OP-AMP design. The PLL parasitic-aware optimization achieves a 10× speedup and a 147 µW power reduction. Thus the experimental results validate the effectiveness of the proposed solution.

Este trabalho propõe uma nova abordagem para o desenvolvimento de sistemas embarcados, através da combinação da abstração e propriedades de verificação de modelos da linguagem declarativa Alloy com a ampla aceitação de Java na indústria. A abordagem surge no contexto de que a automação de software no domínio embarcado tornou-se extremamente necessária, uma vez que atualmente a maior parte do tempo de desenvolvimento é gasta no projeto de software de produtos tão restritos em termos de recursos. As ferramentas de automação de software embarcado devem atender a demanda por produtividade e manutenibilidade, mas respeitar restrições naturais deste tipo de sistema, tais como espaço de memória, potência e desempenho. As ferramentas de automação de projeto lidam com produtividade e manutenibilidade ao permitir especificações de alto nível, tarefa difícil de atender no domínio embarcado devido ao comportamento misto de muitas aplicações embarcadas. Abordagens que promovem meios para verificação formal também são atrativas, embora geralmente sejam difíceis de usar, e por este motivo não são de grande auxílio na tarefa de reduzir o tempo de chegada ao mercado do produto. Através do uso de Alloy, baseada em lógica de primeira-ordem, é possível obter especificações em altonível e verificação formal de modelos com uma única linguagem. Este trabalho apresenta a poderosa abstração proporcionada pela linguagem Alloy em aplicações embarcadas, assim como regras para obter automaticamente código Java a partir de modelos Alloy. A geração de código Java a partir de modelos Alloy, combinada a uma ferramenta de estimativa, provê exploração de espaço de projeto, atendendo assim as fortes restrições do projeto de software embarcado, o que normalmente não é contemplado pela engenharia de software tradicional. / This work proposes a new approach for embedded software development, by combining the abstraction and model verification properties of the Alloy declarative language with the broad acceptance in industry of Java. The approach comes into play since software automation in the embedded domain has become a major need, as currently most of the development time is spent designing software for such hardconstrained resources products. Design automation tools for embedded systems must meet the demand for productivity and maintainability, but constraints such as memory, power and performance must still be considered. Design automation tools deal with productivity and maintainability by allowing high-level specifications, which is hard to accomplish on the embedded domain due to the mixed behavior nature of many embedded applications. Approaches that provide means for formal verification are also attractive, but their usage is usually not straightforward, and for this reason they are not that helpful in dealing with time-tomarket constraints. By using Alloy, based in first-order logic, it is possible to obtain high-level specifications and formal model verification with a single language. This work shows the powerful abstraction provided by the Alloy language for embedded applications, as well as rules for obtaining automatically Java code from Alloy models. The Java source code generation from Alloy models, combined with an estimation tool, provides design space exploration to match tight embedded software design constraints, what is usually not taken into account by standard software engineering techniques.

Este trabalho propõe uma nova abordagem para o desenvolvimento de sistemas embarcados, através da combinação da abstração e propriedades de verificação de modelos da linguagem declarativa Alloy com a ampla aceitação de Java na indústria. A abordagem surge no contexto de que a automação de software no domínio embarcado tornou-se extremamente necessária, uma vez que atualmente a maior parte do tempo de desenvolvimento é gasta no projeto de software de produtos tão restritos em termos de recursos. As ferramentas de automação de software embarcado devem atender a demanda por produtividade e manutenibilidade, mas respeitar restrições naturais deste tipo de sistema, tais como espaço de memória, potência e desempenho. As ferramentas de automação de projeto lidam com produtividade e manutenibilidade ao permitir especificações de alto nível, tarefa difícil de atender no domínio embarcado devido ao comportamento misto de muitas aplicações embarcadas. Abordagens que promovem meios para verificação formal também são atrativas, embora geralmente sejam difíceis de usar, e por este motivo não são de grande auxílio na tarefa de reduzir o tempo de chegada ao mercado do produto. Através do uso de Alloy, baseada em lógica de primeira-ordem, é possível obter especificações em altonível e verificação formal de modelos com uma única linguagem. Este trabalho apresenta a poderosa abstração proporcionada pela linguagem Alloy em aplicações embarcadas, assim como regras para obter automaticamente código Java a partir de modelos Alloy. A geração de código Java a partir de modelos Alloy, combinada a uma ferramenta de estimativa, provê exploração de espaço de projeto, atendendo assim as fortes restrições do projeto de software embarcado, o que normalmente não é contemplado pela engenharia de software tradicional. / This work proposes a new approach for embedded software development, by combining the abstraction and model verification properties of the Alloy declarative language with the broad acceptance in industry of Java. The approach comes into play since software automation in the embedded domain has become a major need, as currently most of the development time is spent designing software for such hardconstrained resources products. Design automation tools for embedded systems must meet the demand for productivity and maintainability, but constraints such as memory, power and performance must still be considered. Design automation tools deal with productivity and maintainability by allowing high-level specifications, which is hard to accomplish on the embedded domain due to the mixed behavior nature of many embedded applications. Approaches that provide means for formal verification are also attractive, but their usage is usually not straightforward, and for this reason they are not that helpful in dealing with time-tomarket constraints. By using Alloy, based in first-order logic, it is possible to obtain high-level specifications and formal model verification with a single language. This work shows the powerful abstraction provided by the Alloy language for embedded applications, as well as rules for obtaining automatically Java code from Alloy models. The Java source code generation from Alloy models, combined with an estimation tool, provides design space exploration to match tight embedded software design constraints, what is usually not taken into account by standard software engineering techniques.

Este trabalho propõe uma nova abordagem para o desenvolvimento de sistemas embarcados, através da combinação da abstração e propriedades de verificação de modelos da linguagem declarativa Alloy com a ampla aceitação de Java na indústria. A abordagem surge no contexto de que a automação de software no domínio embarcado tornou-se extremamente necessária, uma vez que atualmente a maior parte do tempo de desenvolvimento é gasta no projeto de software de produtos tão restritos em termos de recursos. As ferramentas de automação de software embarcado devem atender a demanda por produtividade e manutenibilidade, mas respeitar restrições naturais deste tipo de sistema, tais como espaço de memória, potência e desempenho. As ferramentas de automação de projeto lidam com produtividade e manutenibilidade ao permitir especificações de alto nível, tarefa difícil de atender no domínio embarcado devido ao comportamento misto de muitas aplicações embarcadas. Abordagens que promovem meios para verificação formal também são atrativas, embora geralmente sejam difíceis de usar, e por este motivo não são de grande auxílio na tarefa de reduzir o tempo de chegada ao mercado do produto. Através do uso de Alloy, baseada em lógica de primeira-ordem, é possível obter especificações em altonível e verificação formal de modelos com uma única linguagem. Este trabalho apresenta a poderosa abstração proporcionada pela linguagem Alloy em aplicações embarcadas, assim como regras para obter automaticamente código Java a partir de modelos Alloy. A geração de código Java a partir de modelos Alloy, combinada a uma ferramenta de estimativa, provê exploração de espaço de projeto, atendendo assim as fortes restrições do projeto de software embarcado, o que normalmente não é contemplado pela engenharia de software tradicional. / This work proposes a new approach for embedded software development, by combining the abstraction and model verification properties of the Alloy declarative language with the broad acceptance in industry of Java. The approach comes into play since software automation in the embedded domain has become a major need, as currently most of the development time is spent designing software for such hardconstrained resources products. Design automation tools for embedded systems must meet the demand for productivity and maintainability, but constraints such as memory, power and performance must still be considered. Design automation tools deal with productivity and maintainability by allowing high-level specifications, which is hard to accomplish on the embedded domain due to the mixed behavior nature of many embedded applications. Approaches that provide means for formal verification are also attractive, but their usage is usually not straightforward, and for this reason they are not that helpful in dealing with time-tomarket constraints. By using Alloy, based in first-order logic, it is possible to obtain high-level specifications and formal model verification with a single language. This work shows the powerful abstraction provided by the Alloy language for embedded applications, as well as rules for obtaining automatically Java code from Alloy models. The Java source code generation from Alloy models, combined with an estimation tool, provides design space exploration to match tight embedded software design constraints, what is usually not taken into account by standard software engineering techniques.