Interfaz software/hardware entre Raspberry Pi y FPGA Spartan-6 y su aplicación a simulación dirigida por eventos

Hoy día vivimos en la sociedad de la tecnología, en la que la mayoría de las cosas cuentan con uno o varios procesadores y es necesario realizar cómputos para hacer más agradable la vida del ser humano. Esta necesidad nos ha brindado la posibilidad de asistir en la historia a un acontecimiento sin precedentes, en el que la cantidad de transistores era duplicada cada dos años, y con ello, mejorada la velocidad de cómputo (Moore, 1965). Tal acontecimiento nos ha llevado a la situación actual, en la que encontramos placas con la capacidad de los computadores de hace años, consumiendo muchísima menos energía y ocupando muchísimo menos espacio, aunque tales prestaciones quedan un poco escasas para lo que se requiere hoy día. De ahí surge la idea de comunicar placas que se complementan en aspectos en las que ambas se ven limitadas. En nuestro proyecto desarrollaremos una interfaz s oftware/hardware para facilitar la comunicación entre dos placas con distintas prestaciones, a saber, una Raspberry Pi modelo A 2012 y una FPGA Spartan XSA3S1000 con placa extendida XStend Board V3.0. Dicha comunicación se basará en el envío y recepción de bits en serie, y será la Raspberry Pi quien marque las fases de la comunicación. El proyecto se divide en dos partes: La primera parte consiste en el desarrollo de un módulo para el kernel de Linux, que se encarga de gestionar las entradas y salidas de datos de la Raspberry Pi cuando se realizan las pertinentes llamadas de write o read. Mediante el control de los GPIO y la gestión de las distintas señales, se realiza la primera fase de la comunicación. La segunda parte consiste en el desarrollo de un diseño en VHDL para la FPGA, mediante el cual se pueda gestionar la recepción, cómputo y posterior envío de bits, de forma que la Raspberry Pi pueda disponer de los datos una vez hayan sido calculados. Ambas partes han sido desarrolladas bajo licencias libres (GPL) para que estén disponibles a cualquier persona interesada en el desarrollo y que deseen su reutilización.

Um método de otimização da relação desempenho/consumo de energia para arquiteturas multi-cores heterogêneas em FPGA

Devido às tendências de crescimento da quantidade de dados processados e a crescente necessidade por computação de alto desempenho, mudanças significativas estão acontecendo no projeto de arquiteturas de computadores. Com isso, tem-se migrado do paradigma sequencial para o paralelo, com centenas ou milhares de núcleos de processamento em um mesmo chip. Dentro desse contexto, o gerenciamento de energia torna-se cada vez mais importante, principalmente em sistemas embarcados, que geralmente são alimentados por baterias. De acordo com a Lei de Moore, o desempenho de um processador dobra a cada 18 meses, porém a capacidade das baterias dobra somente a cada 10 anos. Esta situação provoca uma enorme lacuna, que pode ser amenizada com a utilização de arquiteturas multi-cores heterogêneas. Um desafio fundamental que permanece em aberto para estas arquiteturas é realizar a integração entre desenvolvimento de código embarcado, escalonamento e hardware para gerenciamento de energia. O objetivo geral deste trabalho de doutorado é investigar técnicas para otimização da relação desempenho/consumo de energia em arquiteturas multi-cores heterogêneas single-ISA implementadas em FPGA. Nesse sentido, buscou-se por soluções que obtivessem o melhor desempenho possível a um consumo de energia ótimo. Isto foi feito por meio da combinação de mineração de dados para a análise de softwares baseados em threads aliadas às técnicas tradicionais para gerenciamento de energia, como way-shutdown dinâmico, e uma nova política de escalonamento heterogeneity-aware. Como principais contribuições pode-se citar a combinação de técnicas de gerenciamento de energia em diversos níveis como o nível do hardware, do escalonamento e da compilação; e uma política de escalonamento integrada com uma arquitetura multi-core heterogênea em relação ao tamanho da memória cache L1.

A Survey on FPGA-Based Sensor Systems: Towards Intelligent and Reconfigurable Low-Power Sensors for Computer Vision, Control and Signal Processing

The current trend in the evolution of sensor systems seeks ways to provide more accuracy and resolution, while at the same time decreasing the size and power consumption. The use of Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) provides specific reprogrammable hardware technology that can be properly exploited to obtain a reconfigurable sensor system. This adaptation capability enables the implementation of complex applications using the partial reconfigurability at a very low-power consumption. For highly demanding tasks FPGAs have been favored due to the high efficiency provided by their architectural flexibility (parallelism, on-chip memory, etc.), reconfigurability and superb performance in the development of algorithms. FPGAs have improved the performance of sensor systems and have triggered a clear increase in their use in new fields of application. A new generation of smarter, reconfigurable and lower power consumption sensors is being developed in Spain based on FPGAs. In this paper, a review of these developments is presented, describing as well the FPGA technologies employed by the different research groups and providing an overview of future research within this field.

Aceleración de Algoritmos en Procesadores Multicore, GPGPU y FPGA

El avance en la potencia de cómputo en nuestros días viene dado por la paralelización del procesamiento, dadas las características que disponen las nuevas arquitecturas de hardware. Utilizar convenientemente este hardware impacta en la aceleración de los algoritmos en ejecución (programas). Sin embargo, convertir de forma adecuada el algoritmo en su forma paralela es complejo, y a su vez, esta forma, es específica para cada tipo de hardware paralelo. En la actualidad los procesadores de uso general más comunes son los multicore, procesadores paralelos, también denominados Symmetric Multi-Processors (SMP). Hoy en día es difícil hallar un procesador para computadoras de escritorio que no tengan algún tipo de paralelismo del caracterizado por los SMP, siendo la tendencia de desarrollo, que cada día nos encontremos con procesadores con mayor numero de cores disponibles. Por otro lado, los dispositivos de procesamiento de video (Graphics Processor Units - GPU), a su vez, han ido desarrollando su potencia de cómputo por medio de disponer de múltiples unidades de procesamiento dentro de su composición electrónica, a tal punto que en la actualidad no es difícil encontrar placas de GPU con capacidad de 200 a 400 hilos de procesamiento paralelo. Estos procesadores son muy veloces y específicos para la tarea que fueron desarrollados, principalmente el procesamiento de video. Sin embargo, como este tipo de procesadores tiene muchos puntos en común con el procesamiento científico, estos dispositivos han ido reorientándose con el nombre de General Processing Graphics Processor Unit (GPGPU). A diferencia de los procesadores SMP señalados anteriormente, las GPGPU no son de propósito general y tienen sus complicaciones para uso general debido al límite en la cantidad de memoria que cada placa puede disponer y al tipo de procesamiento paralelo que debe realizar para poder ser productiva su utilización. Los dispositivos de lógica programable, FPGA, son dispositivos capaces de realizar grandes cantidades de operaciones en paralelo, por lo que pueden ser usados para la implementación de algoritmos específicos, aprovechando el paralelismo que estas ofrecen. Su inconveniente viene derivado de la complejidad para la programación y el testing del algoritmo instanciado en el dispositivo. Ante esta diversidad de procesadores paralelos, el objetivo de nuestro trabajo está enfocado en analizar las características especificas que cada uno de estos tienen, y su impacto en la estructura de los algoritmos para que su utilización pueda obtener rendimientos de procesamiento acordes al número de recursos utilizados y combinarlos de forma tal que su complementación sea benéfica. Específicamente, partiendo desde las características del hardware, determinar las propiedades que el algoritmo paralelo debe tener para poder ser acelerado. Las características de los algoritmos paralelos determinará a su vez cuál de estos nuevos tipos de hardware son los mas adecuados para su instanciación. En particular serán tenidos en cuenta el nivel de dependencia de datos, la necesidad de realizar sincronizaciones durante el procesamiento paralelo, el tamaño de datos a procesar y la complejidad de la programación paralela en cada tipo de hardware.

FPGA implementation of a multi-population PBIL algorithm

Evolutionary-based algorithms play an important role in finding solutions to many problems that are not solved by classical methods, and particularly so for those cases where solutions lie within extreme non-convex multidimensional spaces. The intrinsic parallel structure of evolutionary algorithms are amenable to the simultaneous testing of multiple solutions; this has proved essential to the circumvention of local optima, and such robustness comes with high computational overhead, though custom digital processor use may reduce this cost. This paper presents a new implementation of an old, and almost forgotten, evolutionary algorithm: the population-based incremental learning method. We show that the structure of this algorithm is well suited to implementation within programmable logic, as compared with contemporary genetic algorithms. Further, the inherent concurrency of our FPGA implementation facilitates the integration and testing of micro-populations.

Three Generations of FPGA DAQ Development for the ATLAS Pixel Detector

Thesis (Master's)--University of Washington, 2016-06

An FPGA network architecture for accelerating 3DES - CBC

This paper presents a DES/3DES core that will support cipher block chaining (CBC) and also has a built in keygen that together take up about 10% of the resources in a Xilinx Virtex II 1000-4. The core will achieve up to 200Mbit/s of encryption or decryption. Also presented is a network architecture that will allow these CBC capable 3DES cores to perform their processing in parallel.

Assessing an FPGA implemented MIMO testbed with the use of channel emulator

In this paper, a channel emulator for assessing the performance of MIMO testbed implemented in a field programmable gate array technology is described. The FPGA based MIMO system includes a signal generator, modulation/demodulation and space time coding/decoding modules. The emulator uses information about a wireless channel from computer simulations or actual measurements. In simulations, a single bounce scattering model for an indoor environment is applied. The generated data is stored in the FPGA board. The tests are performed for a 2times2 MIMO system that uses Alamouti scheme for space coding/decoding. The performed tests show proper operation of the FPGA implemented MIMO testbed. Good agreement between the results using measured and simulated channel data is obtained.

Design of MIMO testbed with an FPGA board for fast signal processing

This paper describes the design of a Multiple Input Multiple Output testbed for assessing various MIMO transmission schemes in rich scattering indoor environments. In the undertaken design, a Field Programmable Gate Array (FPGA) board is used for fast processing of Intermediate Frequency signals. At the present stage, the testbed performance is assessed when the channel emulator between transmitter and receiver modules is introduced. Here, the results are presented for the case when a 2x2 Alamouti scheme for space time coding/decoding at transmitter and receiver is used. Various programming details of the FPGA board along with the obtained simulation results are reported

Implementation of a triple modular redundant FPGA based safety critical system for reliable software execution

This paper describes the implementation of a TMR (Triple Modular Redundant) microprocessor system on a FPGA. The system exhibits true redundancy in that three instances of the same processor system (both software and hardware) are executed in parallel. The described system uses software to control external peripherals and a voter is used to output correct results. An error indication is asserted whenever two of the three outputs match or all three outputs disagree. The software has been implemented to conform to a particular safety critical coding guideline/standard which is popular in industry. The system was verified by injecting various faults into it.