Implicações do estilo de descrição de códigos VHDL na testabilidade

Devido ao aumento da complexidade dos circuitos integrados atuais, os projetos são desenvolvidos utilizando linguagens de descrição de hardware (por exemplo, VHDL) e os circuitos são gerados automaticamente a partir das descrições em alto nível de abstração. Embora o projeto do circuito seja facilitado pela utilização de ferramentas de auxílio ao projeto, o teste do circuito resultante torna-se mais complicado com o aumento da complexidade dos circuitos. Isto traz a necessidade de considerar o teste do circuito durante sua descrição e não somente após a síntese. O objetivo deste trabalho é definir uma relação entre o estilo da descrição VHDL e a testabilidade do circuito resultante, identificando formas de descrição que geram circuitos mais testáveis. Como estudo de caso, diferentes descrições VHDL de um mesmo algoritmo foram utilizadas. Os resultados mostram que a utilização de diferentes descrições VHDL tem grande impacto nas medidas de testabilidade do circuito final e que características de algumas descrições podem ser utilizadas para modificar outras descrições e com isso aumentar a testabilidade do circuito resultante.

Implementação de um sistema de síntese de alto nível baseado em modelos java

Este trabalho apresenta uma metodologia para a geração automática de ASICs, em VHDL, a partir da linguagem de entrada Java. Como linguagem de especificação adotou-se a Linguagem Java por esta possuir características desejáveis para especificação a nível de sistema, como: orientação a objetos, portabilidade e segurança. O sistema é especificamente projetado para suportar síntese de ASICs a partir dos modelos de computação Máquina de Estados Finita e Pipeline. Neste trabalho, adotou-se estes modelos de computação por serem mais usados em sistemas embarcados As principais características exploradas são a disponibilização da geração de ASICs para a ferramenta SASHIMI, o alto nível de abstração com que o projetista pode contar em seu projeto, as otimizações de escalonamento realizadas automaticamente, e o sistema ser capaz de abstrair diferentes modelos de computação para uma descrição em VHDL. Portanto, o ambiente permite a redução do tempo de projeto e, consequentemente, dos custos agregados, diminuindo a probabilidade de erros na elaboração do projeto, portabilidade e reuso de código – através da orientação a objetos de Java – podendo-se proteger os investimentos prévios em desenvolvimento de software. A validação desses conceitos foi realizada mediante estudos de casos, utilizando-se algumas aplicações e analisando os resultados obtidos com a geração dos ASICs.

Study of the audio coding algorithm of the MPEG-4 AAC standard and comparison among implementations of modules of the algorithm

Audio coding is used to compress digital audio signals, thereby reducing the amount of bits needed to transmit or to store an audio signal. This is useful when network bandwidth or storage capacity is very limited. Audio compression algorithms are based on an encoding and decoding process. In the encoding step, the uncompressed audio signal is transformed into a coded representation, thereby compressing the audio signal. Thereafter, the coded audio signal eventually needs to be restored (e.g. for playing back) through decoding of the coded audio signal. The decoder receives the bitstream and reconverts it into an uncompressed signal. ISO-MPEG is a standard for high-quality, low bit-rate video and audio coding. The audio part of the standard is composed by algorithms for high-quality low-bit-rate audio coding, i.e. algorithms that reduce the original bit-rate, while guaranteeing high quality of the audio signal. The audio coding algorithms consists of MPEG-1 (with three different layers), MPEG-2, MPEG-2 AAC, and MPEG-4. This work presents a study of the MPEG-4 AAC audio coding algorithm. Besides, it presents the implementation of the AAC algorithm on different platforms, and comparisons among implementations. The implementations are in C language, in Assembly of Intel Pentium, in C-language using DSP processor, and in HDL. Since each implementation has its own application niche, each one is valid as a final solution. Moreover, another purpose of this work is the comparison among these implementations, considering estimated costs, execution time, and advantages and disadvantages of each one.

Projeto cooperativo no Ambiente Cave baseado em espaço compartilhado de objetos

Este trabalho apresenta o módulo Collaborative Service, uma extensão do ambiente Cave, desenvolvido para suportar conceitos de trabalho cooperativo no projeto de circuitos integrados. Esta extensão por sua vez, é baseada na metodologia Pair- Programming e nas tecnologias Jini e Javaspaces. O módulo Collaborative Service foi desenvolvido para auxiliar a continuidade do processo de desenvolvimento de circuitos integrados complexos, inserindo uma dinâmica de grupo através da extensão de Pair-Programming para máquinas remotas. Esse modelo permite que dois ou mais projetistas interajam em um mesmo projeto ou blocos de projeto, independente de suas localizações geográficas e tipos de plataformas de hardware/software. Ele foi projetado para ser genérico e essa característica o torna capaz de suportar as ferramentas de CAD, atuais e futuras, do ambiente Cave (um framework de apoio ao projeto de circuitos integrados). Como estudo de caso, foram utilizadas duas ferramentas do Ambiente Cave. O primeiro caso mostra uma cooperação em nível de descrições gráficas, representada pela ferramenta Blade, um editor de esquemáticos hierárquico. O segundo caso foi representado pelo editor de descrições textuais (VHDL, Verilog e Linguagem C), chamado Homero. No estudo de caso com a ferramenta Blade foi demonstrado que a cooperação proposta por esse modelo pode atuar sob diferentes níveis de hierarquia de projeto, além de suportar a interação de inúmeros projetistas em um mesmo bloco. Na ferramenta Homero, demonstrou-se a cooperação em nível de descrições textuais, representados por (códigos) projetos VHDL acrescidos da participação de vários projetistas. Com esses exemplos, foi possível demonstrar as estratégias de percepção e comunicação com os projetistas, além de descrever a criação de blocos de projeto de uma forma cooperativa. Como contribuição desse trabalho, acrescenta-se ao Ambiente Cave mais um recurso para o projeto de circuitos integrados. Nesse sentido, grupos de projetistas podem projetar um sistema ou circuito integrado de forma cooperativa utilizando-se das funcionalidades desse modelo.

Geração de código no projeto de sistemas reativos a partir da linguagem RS

A linguagem síncrona RS é destinada ao desenvolvimento de sistemas reativos. O presente trabalho tem como objetivo criar meios que facilitem o uso da linguagem RS no projeto e implementação desses sistemas, permitindo que, à partir da especificação de um sistema reativo, seja realizada a sua implementação de forma automática. Deste modo, a linguagem RS é utilizada para a descrição do comportamento de um sistema em um alto nível de abstração, antes de serfeitas a decomposição do sistema em componentes de software ou hardware. A implmentação do protótipo do sistema computacional dedicado é obtida através de uma síntese automática desse modelo de alto nível. Foram implementados geradores de código que utilizam o código objeto fornecido pelo compilador da linguagem RS. Os geradores fazem a tradução para a linguagem C, para a linguagem JAVA, ou para a linguagem de descrição de hardware VHDL. A partir da síntese desses códigos poderá ser obtida a implementação do sistema em um micrcoomputador comercial, em um microcomputador Java de dedicado (ASIP Java), ou em um hardware de aplicação específica (ASIC). Foram realizados estudos de caso representativos dos sistemas reativos embaraçados e de tempo rel. Estes estudos de caso serviram para validar os geradores de código bem como para analisar o uso da linguagem RS no projeto e implementação desses sistemas.

Implementação do protocolo TCP/IP para sistemas de intrumentação

Baseado na tecnologia de interligação de redes, este trabalho apresenta uma proposta de conexão de dois sistemas com processamento próprio com o intuito de troca de informações, utilizando a pilha de protocolos TCP/IP. Este sistema será empregado em ambientes de controle industrial, permitindo o envio de informações do servidor de dados para o cliente. Os dados são constituídos de leituras feitas em equipamentos de campo, apresentando ao cliente remoto, medições dos mais diversos tipos. Por outro lado, o cliente poderá enviar comandos aos equipamentos de campo visando o telecontrole. Como ponto de partida para a elaboração do trabalho prático, foi utilizado o ambiente de controle do sistema de potência da companhia energética do estado do Rio Grande do Sul (CEEE). Um microcomputador com um browser acessa, através de uma rede local, os equipamentos controlados, que poderão ser qualquer tipo de equipamento de campo empregado em subestações de energia elétrica, como disjuntores, transformadores ou chaves. Para permitir o acesso remoto de tais equipamentos, foi elaborado um servidor de dados constituído de um controlador de rede do tipo Ethernet e um microcontrolador de aplicação específica que se encarrega do processamento da pilha de protocolos. O controlador Ethernet utilizado é um circuito integrado dedicado comercial, que executa o tratamento dos sinais de nível físico e de enlace de dados conforme o padrão IEEE 802.2. O processador TCP/IP, enfoque principal deste trabalho, foi elaborado através da linguagem de programação C, e a seguir traduzido para o Java, que é o ponto de partida para a ferramenta SASHIMI, de geração da descrição em VHDL do microcontrolador de aplicação específica utilizado. O processador TCP/IP encarrega-se da aquisição de dados do equipamento de campo, do processamento da pilha de protocolos TCP/IP, e do gerenciamento do controlador Ethernet. A partir desta descrição VHDL, foi sintetizado o hardware do microcontrolador em um FPGA, que juntamente com o software aplicativo, também fornecido pela ferramenta utilizada, desempenha o papel de processador TCP/IP para o sistema proposto. Neste ambiente, então, o cliente localizado no centro de operação, acessa através de um browser o equipamento de campo, visando obter suas medições, bem como enviar comandos, destacando o aspecto bidirecional para a troca de dados e a facilidade de conexão de dois sistemas heterogêneos. Este sistema pretende apresentar baixo custo de aquisição e de instalação, facilidade de interconexão local ou remota e transparência ao usuário final.

Soft IP para criptografia usando o algoritmo Rijndael e implementação em lógica programável

A criptografia assumiu papel de destaque no cotidiano das pessoas, em virtude da necessidade de segurança em inúmeras transações eletrônicas. Em determinadas áreas, a utilização de hardware dedicado à tarefa de criptografia apresenta vantagens em relação à implementação em software, devido principalmente ao ganho de desempenho. Recentemente, o National Institute of Standards and Technology (NIST) publicou o novo padrão norte-americano de criptografia simétrica, chamado de Advanced Encryption Standard (AES). Após um período de aproximadamente 3 anos, no qual várias alternativas foram analisadas, adotou-se o algoritmo Rijndael. Assim, este trabalho apresenta um Soft IP do padrão AES, codificado em VHDL, visando a implementação em FPGA Altera. Todo o projeto foi construído com funções e bibliotecas genéricas, a fim de permitir a posterior implementação sobre outras tecnologias. Foram geradas duas versões: uma priorizando desempenho e outra priorizando a área ocupada nos componentes. Para cada uma das versões, produziu-se um circuito para encriptar e outro para decriptar. O desempenho alcançado em termos de velocidade de processamento superou todos os outros trabalhos publicados na área, sobre a mesma tecnologia. São apresentados os detalhes de implementação, arquiteturas envolvidas e decisões de projeto, bem como todos os resultados. A dissertação contém ainda conceitos básicos de criptografia e uma descrição do algoritmo Rijndael.

Inserção de testabilidade em um núcleo pré-projetado de um microcontrolador 8051 fonte compatível

No intuito de validar seus projetos de sistemas integrados, o Grupo de Microeletrônica da UFRGS tem investido na inserção de estruturas de teste nos núcleos de hardware que tem desenvolvido. Um exemplo de tal tipo de sistema é a “caneta tradutora”, especificada e parcialmente desenvolvida por Denis Franco. Esta caneta se utiliza de um microcontrolador 8051 descrito em VHDL, o qual ainda carece de estruturas dedicadas com funções orientadas à testabilidade. Este trabalho exemplifica a integração de teste em um circuito eletrônico préprojetado. Neste caso específico, foi utilizado o microcontrolador 8051 fonte compatível que será inserido no contexto da caneta tradutora. O método utilizado apoiou-se na norma IEEE1149.1, destinada a definir uma infra-estrutura baseada na técnica do boundary scan para o teste de placas de circuito impresso. São apresentadas características de testabilidade desenvolvidas para o microcontrolador, utilizando-se a técnica do boundary scan em sua periferia e a técnica do scan path em seu núcleo. A inserção destas características de teste facilita a depuração e testes em nível de sistema, imaginando-se o sistema como algo maior, fazendo parte do sistema da caneta tradutora como um todo. São elaborados exemplos de testes, demonstrando a funcionalidade do circuito de teste inserido neste núcleo e a possibilidade de detecção de falhas em pontos distintos do sistema. Finalmente, avalia-se o custo associado à integração desta infra-estrutura de teste, tanto em termos de acréscimo de área em silício, quanto em termos de degradação de desempenho do sistema.

Uma Arquitetura de Hardware para estimação de movimento aplicada à compressão de vídeo digital

A tarefa de estimação de movimento, utilizada na compressão de vídeo digital, é normalmente realizada em hardware por processador dedicado, uma vez que demanda expressiva capacidade computacional. Este trabalho propõe e desenvolve uma arquitetura de hardware para realizar o cálculo dos vetores de movimento no contexto de compressão de vídeo digital. Essa arquitetura para estimação de movimento é composta pelos blocos: interface de entrada e saída (E/S), matriz de processamento com 64 elementos de processamento, unidade de comparação e unidade de controle. A arquitetura foi descrita em linguagem VHDL de maneira que o número de bits utilizados para representação da luminância dos pontos é configurável. A partir desta descrição, foi gerado um protótipo para dados representados em 4 bits utilizando um kit de desenvolvimento baseado no dispositivo FPGA XC2S150 da Xilinx. Para validação do algoritmo e da arquitetura implementada, além da simulação, foi desenvolvido um software para plataforma PC capaz de exercitar as funcionalidades do protótipo. O PC é utilizado como dispositivo controlador de E/S para esta validação, na qual uma implementação do algoritmo em software e outra em linguagem de descrição de hardware são comparadas. A máxima freqüência de trabalho do protótipo, estimada por simulação da arquitetura mapeada no FPGA XC2S150, é de 33 MHz. A esta freqüência o núcleo da arquitetura paralela de 64 elementos de processamento realiza cerca de 2,1 GOps (bilhões de operações inteiras por segundo). Esta arquitetura de hardware calcula os vetores de movimento para vídeo no formato 640x480 pontos à taxa de 107,32 quadros por segundo, ou um quadro a cada 9,3 ms. A arquitetura implementada para luminânica em 4 bits ocupa 16 pinos de E/S, 71,1% dos blocos lógicos do FPGA e 83,3% dos blocos de memória disponíveis no dispositivo XC2S150.

Uma ferramenta para geração de filtros FIR paralelos otimizados com coeficientes constantes

Esta dissertação trata da elaboração de uma ferrramenta para a geração de filtros FIR otimizados paralelos com coeficientes constantes. A ferramenta desenvolvida é capaz de gerar uma descrição VHDL de um filtro FIR paralelo com coeficientes constantes a partir das especificações do filtro. São exploradas técnicas de otimização de coeficientes e de otimização arquitetural. As técnicas empregadas são baseadas no uso de representações ternárias e redução do número de digitos não-zero dos coeficientes, uso de fatores de escala e eliminação de sub-expressões comuns. No texto, uma breve introdução sobre os filtros digitais é apresentada seguida por uma série de trabalhos encontrados na literatura relacionados às técnicas mencionadas e que são apresentados como base para o desenvolvimento da ferramenta implementada nesta dissertação. O funcionamento da ferramenta é detalhado tanto nos seus aspectos de algoritmo quanto em nível de implementação. São apresentados resultados de síntese em alguns de filtros hipotéticos projetados utilizando a ferramenta desenvolvida. Uma análise detalhada dos resultados obtidos é realizada. Os apêndices deste trabalho apresentam o código fonte da ferramenta de síntese de filtros desenvolvida.

Mecanismos de reconfiguração dinâmica aplicados ao projeto de um processador de imagens reconfigurável

As modernas aplicações em diversas áreas como multimídia e telecomunicações exigem arquiteturas que ofereçam altas taxas de processamento. Entretanto, os padrões e algoritmos mudam com incrível rapidez o que gera a necessidade de que esses sistemas digitais tenham também por característica uma grande flexibilidade. Dentro desse contexto, tem-se as arquiteturas reconfiguráveis em geral e, mais recentemente, os sistemas reconfiguráveis em um único chip como soluções adequadas que podem oferecer desempenho, sendo, ao mesmo tempo, adaptáveis a novos problemas e a classes mais amplas de algoritmos dentro de um dado escopo de aplicação. Este trabalho apresenta o estado-da-arte em relação a arquiteturas reconfiguráveis nos meios acadêmcio e industrial e descreve todas as etapas de desenvolvimento do processador de imagens reconfigurável DRIP (Dynamically Reconfigurable Image Processor), desde suas origens como um processador estático até sua última versão reconfigurável em tempo de execução. O DRIP possui um pipeline composto por 81 processadores elementares. Esses processadores constituem a chave do processo de reconfiguração e possuem a capacidade de computar um grande número de algoritmos de processamento de imagens, mais específicamente dentro do domínio da filtragem digital de imagens. Durante o projeto, foram desenvolvidos uma série de modelos em linguagem de descrição de hardware da arquitetura e também ferramentas de software para auxiliar nos processos de implementação de novos algorimos, geração automática de modelos VHDL e validação das implementações. O desenvolvimento de mecanismos com o objetivo de incluir a possibilidade de reconfiguração dinâmica, naturalmente, introduz overheads na arquitetura. Contudo, o processo de reconfiguração do DRIP-RTR é da ordem de milhões de vezes mais rápido do que na versão estaticamente reconfigurável implementada em FPGAs Altera. Finalizando este trabalho, é apresentado o projeto lógico e elétrico do processador elementar do DRIP, visando uma futura implementação do sistema diretamente como um circuito VLSI.

MoCHA : arquitetura dedicada para a compensação de movimento em decodificadores de vídeo de alta definição, seguindo o padrão H.264

O padrão H.264 foi desenvolvido pelo JVT, que foi formado a partir de uma união entre os especialistas do VCEG da ITU-T e do MPEG da ISO/IEC. O padrão H.264 atingiu seu objetivo de alcançar as mais elevadas taxas de processamento dentre todos os padrões existentes, mas à custa de um grande aumento na complexidade computacional. Este aumento de complexidade impede, pelo menos na tecnologia atual, a utilização de codecs H.264 implementados em software, quando se deseja a decodi cação de vídeos de alta de nição em tempo real. Essa dissertação propõe uma solução arquitetural de hardware, denominada MoCHA, para compensação de movimento do decodi cador de vídeo de alta de nição, segundo o padrão H.264/AVC. A MoCHA está dividida em três blocos principais, a predição dos vetores de movimento, o acesso à memória e o processamento de amostras. A utilização de uma cache para explorar a redundância dos dados nos acessos à mem ória, em conjunto com melhorias propostas, alcançou economia de acessos à memória superior a 60%, para os casos testados. Quando uma penalidade de um ciclo por troca de linha de memória é imposta, a economia de ciclos de acesso supera os 75%. No processamento de amostras, a arquitetura realiza o processamento dos dois blocos, que dão origem ao bloco bi-preditivo, de forma serial. Dessa forma, são economizados recursos de hardware, uma vez que a duplicação da estrutura de processamento não é requerida. A arquitetura foi validada a partir de simulações, utilizando entradas extraídas de seqüências codi cadas. Os dados extraídos, salvos em arquivos, serviam de entrada para a simulação. Os resultados da simulação foram salvos em arquivos e comparados com os resultados extraídos. O processador de amostras do compensador de movimento foi prototipado na placa XUP Virtex-II Pro. A placa possui um FPGA VP30 da família Virtex-II PRO da Xilinx. O processador PowerPC 405, presente no dispositivo, foi usado para implementar um test bench para validar a operação do processador de amostras mapeado para o FPGA. O compensador de movimento para o decodi cador de vídeo H.264 foi descrito em VHDL, num total de 30 arquivos e cerca de 13.500 linhas de código. A descrição foi sintetizada pelo sintetizador Syplify Pro da Symplicity para o dispositivo XC2VP30-7 da Xilinx, consumindo 8.465 slices, 5.671 registradores, 10.835 LUTs, 21 blocos de memó- ria interna e 12 multiplicadores. A latência mínima para processar um macrobloco é de 233 ciclos, enquanto a máxima é de 590, sem considerar misses na cache. A freqüência máxima de operação foi de 100,5 MHz. A arquitetura projetada é capaz de processar, no pior caso, 36,7 quadros HDTV de 1080 por 1920, inteiramente bi-preditivos, por segundo. Para quadros do tipo P, que não utilizam a bi-predição, a capacidade de processamento sobe para 64,3 quadros por segundo. A arquitetura apresentada para o processamento de quadros bi-preditivos e a hierarquia de memória são, até o momento, inéditas na literatura. Os trabalhos relativos a decodi cadores completos não apresentam a solução para esse processamento. Os resultados apresentados tornam a MoCHA uma solução arquitetural capaz de fazer parte de um decodi cador para vídeos de alta definição.