A Framework supporting collaboration on the distributed design of integrated systems

The work described in this thesis aims to support the distributed design of integrated systems and considers specifically the need for collaborative interaction among designers. Particular emphasis was given to issues which were only marginally considered in previous approaches, such as the abstraction of the distribution of design automation resources over the network, the possibility of both synchronous and asynchronous interaction among designers and the support for extensible design data models. Such issues demand a rather complex software infrastructure, as possible solutions must encompass a wide range of software modules: from user interfaces to middleware to databases. To build such structure, several engineering techniques were employed and some original solutions were devised. The core of the proposed solution is based in the joint application of two homonymic technologies: CAD Frameworks and object-oriented frameworks. The former concept was coined in the late 80's within the electronic design automation community and comprehends a layered software environment which aims to support CAD tool developers, CAD administrators/integrators and designers. The latter, developed during the last decade by the software engineering community, is a software architecture model to build extensible and reusable object-oriented software subsystems. In this work, we proposed to create an object-oriented framework which includes extensible sets of design data primitives and design tool building blocks. Such object-oriented framework is included within a CAD Framework, where it plays important roles on typical CAD Framework services such as design data representation and management, versioning, user interfaces, design management and tool integration. The implemented CAD Framework - named Cave2 - followed the classical layered architecture presented by Barnes, Harrison, Newton and Spickelmier, but the possibilities granted by the use of the object-oriented framework foundations allowed a series of improvements which were not available in previous approaches: - object-oriented frameworks are extensible by design, thus this should be also true regarding the implemented sets of design data primitives and design tool building blocks. This means that both the design representation model and the software modules dealing with it can be upgraded or adapted to a particular design methodology, and that such extensions and adaptations will still inherit the architectural and functional aspects implemented in the object-oriented framework foundation; - the design semantics and the design visualization are both part of the object-oriented framework, but in clearly separated models. This allows for different visualization strategies for a given design data set, which gives collaborating parties the flexibility to choose individual visualization settings; - the control of the consistency between semantics and visualization - a particularly important issue in a design environment with multiple views of a single design - is also included in the foundations of the object-oriented framework. Such mechanism is generic enough to be also used by further extensions of the design data model, as it is based on the inversion of control between view and semantics. The view receives the user input and propagates such event to the semantic model, which evaluates if a state change is possible. If positive, it triggers the change of state of both semantics and view. Our approach took advantage of such inversion of control and included an layer between semantics and view to take into account the possibility of multi-view consistency; - to optimize the consistency control mechanism between views and semantics, we propose an event-based approach that captures each discrete interaction of a designer with his/her respective design views. The information about each interaction is encapsulated inside an event object, which may be propagated to the design semantics - and thus to other possible views - according to the consistency policy which is being used. Furthermore, the use of event pools allows for a late synchronization between view and semantics in case of unavailability of a network connection between them; - the use of proxy objects raised significantly the abstraction of the integration of design automation resources, as either remote or local tools and services are accessed through method calls in a local object. The connection to remote tools and services using a look-up protocol also abstracted completely the network location of such resources, allowing for resource addition and removal during runtime; - the implemented CAD Framework is completely based on Java technology, so it relies on the Java Virtual Machine as the layer which grants the independence between the CAD Framework and the operating system. All such improvements contributed to a higher abstraction on the distribution of design automation resources and also introduced a new paradigm for the remote interaction between designers. The resulting CAD Framework is able to support fine-grained collaboration based on events, so every single design update performed by a designer can be propagated to the rest of the design team regardless of their location in the distributed environment. This can increase the group awareness and allow a richer transfer of experiences among them, improving significantly the collaboration potential when compared to previously proposed file-based or record-based approaches. Three different case studies were conducted to validate the proposed approach, each one focusing one a subset of the contributions of this thesis. The first one uses the proxy-based resource distribution architecture to implement a prototyping platform using reconfigurable hardware modules. The second one extends the foundations of the implemented object-oriented framework to support interface-based design. Such extensions - design representation primitives and tool blocks - are used to implement a design entry tool named IBlaDe, which allows the collaborative creation of functional and structural models of integrated systems. The third case study regards the possibility of integration of multimedia metadata to the design data model. Such possibility is explored in the frame of an online educational and training platform.

Método para a otimização de plataformas arquiteturais para sistemas multiprocessados heterogêneos

A concepção dos sistemas eletrônicos previstos para o futuro próximo implica em uma atividade multidisciplinar, a qual demanda, para o projeto de sistemas eletrônicos, o uso de métodos e técnicas provenientes de diversos domínios do conhecimento humano. Esses domínios podem variar desde a especificação de aplicações, até a realização física de circuitos integrados. A constante evolução dos processos de fabricação de circuitos integrados permite a criação de circuitos bastante complexos, seja em relação ao número de componentes eletrônicos e de suas inter-relações, seja em relação à heterogeneidade funcional presente nas aplicações alvo, previstas para estes sistemas. Para os próximos anos está prevista a possibilidade da inclusão de mais de um bilhão de transistores em uma única pastilha de silício, inaugurando a era da “gigaescala”. Devido a essa situação, a comunidade científica vem demonstrando preocupação em relação às novas técnicas que se fazem necessárias para a concepção dos “gigacircuitos”. Essas técnicas envolvem o uso de diferentes níveis de abstração na concepção e análise das funcionalidades da aplicação alvo, além de abordagens para explorar o grande espaço de busca, inerente à disponibilidade de um grande número de componentes para a implementação da arquitetura alvo, a qual deve ser otimizada para as restrições de projeto. As idéias apresentadas nesse trabalho vão de encontro à necessidade por novas técnicas para a concepção de circuitos eletrônicos complexos. Este trabalho procura contribuir para que esta classe de circuitos possa tornar-se realidade em um futuro próximo, avalizando a disponibilidade de informação, de entretenimento e de serviços para a sociedade. Para tanto, um novo método é proposto, onde um fluxo de projeto considera as ferramentas necessárias para a exploração do espaço de busca em componentes de processamento e de comunicação, visando à sua otimização. As ferramentas seguem os princípios do projeto baseado em plataformas, onde componentes podem ser reutilizadas para aplicações da mesma classe, em diferentes níveis de abstração. Além disso, os princípios da especificação baseada em interface são considerados, visando explicitar a especificação de funcionalidades heterogêneas para componentes arquiteturais, bem como permitir a avaliação dinâmica do comportamento destes.

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.

Uma proposta para auxiliar a interoperabilidade entre ambientes e ferramentas independentes de CAD para microeletrônica

Os projetos de CIs (Circuitos Integrados) atualmente compreendem muitas tarefas para sua execução. Durante um fluxo de projeto de CI são necessárias ferramentas que lidam com essas diferentes tarefas. Algumas empresas compilam diversas ferramentas em um único ambiente, ou framework, onde tais ferramentas são adaptadas para interagir entre si. O uso desses frameworks é suficiente para muitos projetos, porém podem existir requisitos que obriguem a utilização de ferramentas independentes para suprir deficiências dos ambientes, exigindo a utilização conjunta de ferramentas não projetadas para cooperar. A interoperabilidade entre sistemas computacionais tem se tornado um tópico de extrema importância. Ela possibilita a execução conjunta de ferramentas, diminuindo a necessidade de intervenção humana para tanto. A interoperação entre ferramentas independentes e frameworks é importante não somente para facilitar o uso conjunto de ferramentas, mas também permite que outros tópicos sejam explorados. Entre eles estão o trabalho de equipes geograficamente distantes e a possibilidade de trabalho com grandes quantidades de dados, que são duas questões importantes para microeletrônica. Ainda, a interoperação entre ferramentas independentes e ambientes traz benefícios mútuos: as ferramentas podem utilizar funcionalidades dos ambientes e se adaptar aos fluxos de projeto deles; os ambientes podem ter suas funcionalidades estendidas pela inclusão de novas ferramentas em seu trabalho. Essas questões são especialmente importantes para pequenas empresas ou ferramentas acadêmicas que não têm condições de incorporar em suas ferramentas muitos dos procedimentos que os ambientes oferecem. Este trabalho apresenta uma proposta para auxiliar a interoperação entre ferramentas independentes e frameworks relevantes para a microeletrônica, através de um protocolo inspirado em SOAP (Simple Object Access Protocol), além de oferecer ferramentas de auxílio para a adaptação ao protocolo proposto. A interação com os frameworks é feita através de linguagens script disponibilizadas por eles. Estudos de caso são apresentados para demonstrar a usabilidade da proposta.

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.

Desenvolvimento e otimização de um fotodetector de silício bidimensional sensível à posição

O conhecimento da física de semicondutores foi usado para desenvolver e otimizar um sensor ótico de silício capaz de determinar com precisão a posição bidimensional de incidência de um feixe de luz em sua superfície. O sensor usa o efeito de fototensão lateral para gerar um sinal elétrico de saída que é função da posição de incidência da luz. Tecnologia planar do silício foi usada na fabricação do dispositivo, incluindo implantação iônica, difusão, fotolitografia, deposição de filmes metálicos e crescimento de dielétricos. A caracterização elétrica do sensor inclui medidas estáticas, com a distribuição de portadores em regime estacionário, medidas dinâmicas, onde é analisado o transiente do sinal elétrico e medidas espectroscópicas para analisar a resposta do sensor em função do comprimento de onda da luz incidente. Simulações dos processos de fabricação, parâmetros dos passos tecnológicos, distribuição dos portadores e do potencial elétrico bidimensional no sensor foram usadas para a otimização das características do sensor.

Sintetizador analógico de sinais ortogonais: projeto e construção usando tecnologia CMOS

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Projeto de um Multiplicador Divisor Anal´ogico em tecnologia CMOS para uso em controlador fuzzy tipo-2 intervalar

The main objective of the presented study is the design of a analog multiplier-divider as integrant part of the type-reducer circuit of type-2 fuzzy controller chip. The proposed circuit is a multiplier/divider which operates in current mode, in the CMOS technology with a supply voltage of 1.8 V.The circuit simulation was performed in PSPICE software with simulation model provided by AMS (Austria Mikro Systems International) in CMOS technology 0.35μm