Synthesis of FPGA-based accelerators implementing recursive algorithms

O desenvolvimento de sistemas computacionais é um processo complexo, com múltiplas etapas, que requer uma análise profunda do problema, levando em consideração as limitações e os requisitos aplicáveis. Tal tarefa envolve a exploração de técnicas alternativas e de algoritmos computacionais para optimizar o sistema e satisfazer os requisitos estabelecidos. Neste contexto, uma das mais importantes etapas é a análise e implementação de algoritmos computacionais. Enormes avanços tecnológicos no âmbito das FPGAs (Field-Programmable Gate Arrays) tornaram possível o desenvolvimento de sistemas de engenharia extremamente complexos. Contudo, o número de transístores disponíveis por chip está a crescer mais rapidamente do que a capacidade que temos para desenvolver sistemas que tirem proveito desse crescimento. Esta limitação já bem conhecida, antes de se revelar com FPGAs, já se verificava com ASICs (Application-Specific Integrated Circuits) e tem vindo a aumentar continuamente. O desenvolvimento de sistemas com base em FPGAs de alta capacidade envolve uma grande variedade de ferramentas, incluindo métodos para a implementação eficiente de algoritmos computacionais. Esta tese pretende proporcionar uma contribuição nesta área, tirando partido da reutilização, do aumento do nível de abstracção e de especificações algorítmicas mais automatizadas e claras. Mais especificamente, é apresentado um estudo que foi levado a cabo no sentido de obter critérios relativos à implementação em hardware de algoritmos recursivos versus iterativos. Depois de serem apresentadas algumas das estratégias para implementar recursividade em hardware mais significativas, descreve-se, em pormenor, um conjunto de algoritmos para resolver problemas de pesquisa combinatória (considerados enquanto exemplos de aplicação). Versões recursivas e iterativas destes algoritmos foram implementados e testados em FPGA. Com base nos resultados obtidos, é feita uma cuidada análise comparativa. Novas ferramentas e técnicas de investigação que foram desenvolvidas no âmbito desta tese são também discutidas e demonstradas.

Visible light communication systems for road safety applications

Esta tese apresenta um estudo exploratório sobre sistemas de comunicação por luz visível e as suas aplicações em sistemas de transporte inteligentes como forma a melhorar a segurança nas estradas. Foram desenvolvidos neste trabalho, modelos conceptuais e analíticos adequados à caracterização deste tipo de sistemas. Foi desenvolvido um protótipo de baixo custo, capaz de suportar a disseminação de informação utilizando semáforos. A sua realização carece de um estudo detalhado, nomeadamente: i) foi necessário obter modelos capazes de descrever os padrões de radiação numa área de serviço pré-definida; ii) foi necessário caracterizar o meio de comunicações; iii) foi necessário estudar o comportamento de vários esquemas de modulação de forma a optar pelo mais robusto; finalmente, iv) obter a implementação do sistema baseado em FPGA e componentes discretos. O protótipo implementado foi testado em condições reais. Os resultados alcançados mostram os méritos desta solução, chegando mesmo a encorajar a utilização desta tecnologia em outros cenários de aplicação.

Context-based wireless mesh networks

In the modern society, new devices, applications and technologies, with sophisticated capabilities, are converging in the same network infrastructure. Users are also increasingly demanding in personal preferences and expectations, desiring Internet connectivity anytime and everywhere. These aspects have triggered many research efforts, since the current Internet is reaching a breaking point trying to provide enough flexibility for users and profits for operators, while dealing with the complex requirements raised by the recent evolution. Fully aligned with the future Internet research, many solutions have been proposed to enhance the current Internet-based architectures and protocols, in order to become context-aware, that is, to be dynamically adapted to the change of the information characterizing any network entity. In this sense, the presented Thesis proposes a new architecture that allows to create several networks with different characteristics according to their context, on the top of a single Wireless Mesh Network (WMN), which infrastructure and protocols are very flexible and self-adaptable. More specifically, this Thesis models the context of users, which can span from their security, cost and mobility preferences, devices’ capabilities or services’ quality requirements, in order to turn a WMN into a set of logical networks. Each logical network is configured to meet a set of user context needs (for instance, support of high mobility and low security). To implement this user-centric architecture, this Thesis uses the network virtualization, which has often been advocated as a mean to deploy independent network architectures and services towards the future Internet, while allowing a dynamic resource management. This way, network virtualization can allow a flexible and programmable configuration of a WMN, in order to be shared by multiple logical networks (or virtual networks - VNs). Moreover, the high level of isolation introduced by network virtualization can be used to differentiate the protocols and mechanisms of each context-aware VN. This architecture raises several challenges to control and manage the VNs on-demand, in response to user and WMN dynamics. In this context, we target the mechanisms to: (i) discover and select the VN to assign to an user; (ii) create, adapt and remove the VN topologies and routes. We also explore how the rate of variation of the user context requirements can be considered to improve the performance and reduce the complexity of the VN control and management. Finally, due to the scalability limitations of centralized control solutions, we propose a mechanism to distribute the control functionalities along the architectural entities, which can cooperate to control and manage the VNs in a distributed way.

Implementação em FPGA de um Modem QPSK

Esta dissertação insere-se num conjunto de trabalhos a decorrer no Instituto de Telecomunicações de Aveiro que tem como objetivo o desenvolvimento de um sistema de comunicação para um UAV. Neste sentido, apresenta a implementação e validação de um modem em banda base aberto e flexível implementado em FPGA, baseado em abordagem SDR, com possibilidade de integraçãoo no sistema de comunicação com o UAV. Ao longo desta dissertação implementou-se, utilizando o MATLAB, um modem de modulação adaptável, ao qual foram integrados algoritmos de sincronismo e de correção de fase. Desta forma, foi possível realizar uma análise ao modelo comportamental dos vários constituintes do modem abstraindose dos tempos de atraso do processamento ou da precisão da representação dos dados, e assim simplificar a sua implementação em hardware. Analisado o modelo comportamental do modem desenvolvido em MATLAB realizou-se a sua implementação em hardware para a modulação QPSK. A sua prototipagem foi realizada, com recurso à ferramenta computacional Vivado Design Suite 2014.2, utilizando o kit de desenvolvimento ZedBoard e o frontend AD-FMCOMMS1-EBZ. O correto funcionamento dos módulos implementados em hardware foi posteriormente avaliado através de uma interface entre o MATLAB e a Zed- Board, sendo que, os resultados obtidos no modelo em MATLAB serviram como termo de comparação. Através da utilização desta interface é possível validar parte do modem implementado em FPGA, mantendo o restante processamento a ser realizado em MATLAB, validando assim os módulos em FPGA de uma forma isolada.

Operating infrastructure for an FPGA and ARM system

Advances in FPGA technology and higher processing capabilities requirements have pushed to the emerge of All Programmable Systems-on-Chip, which incorporate a hard designed processing system and a programmable logic that enable the development of specialized computer systems for a wide range of practical applications, including data and signal processing, high performance computing, embedded systems, among many others. To give place to an infrastructure that is capable of using the benefits of such a reconfigurable system, the main goal of the thesis is to implement an infrastructure composed of hardware, software and network resources, that incorporates the necessary services for the operation, management and interface of peripherals, that coompose the basic building blocks for the execution of applications. The project will be developed using a chip from the Zynq-7000 All Programmable Systems-on-Chip family.