System-on-a-Chip (SoC) based Hardware Acceleration in Register Transfer Level (RTL) Design

Today, modern System-on-a-Chip (SoC) systems have grown rapidly due to the increased processing power, while maintaining the size of the hardware circuit. The number of transistors on a chip continues to increase, but current SoC designs may not be able to exploit the potential performance, especially with energy consumption and chip area becoming two major concerns. Traditional SoC designs usually separate software and hardware. Thus, the process of improving the system performance is a complicated task for both software and hardware designers. The aim of this research is to develop hardware acceleration workflow for software applications. Thus, system performance can be improved with constraints of energy consumption and on-chip resource costs. The characteristics of software applications can be identified by using profiling tools. Hardware acceleration can have significant performance improvement for highly mathematical calculations or repeated functions. The performance of SoC systems can then be improved, if the hardware acceleration method is used to accelerate the element that incurs performance overheads. The concepts mentioned in this study can be easily applied to a variety of sophisticated software applications. The contributions of SoC-based hardware acceleration in the hardware-software co-design platform include the following: (1) Software profiling methods are applied to H.264 Coder-Decoder (CODEC) core. The hotspot function of aimed application is identified by using critical attributes such as cycles per loop, loop rounds, etc. (2) Hardware acceleration method based on Field-Programmable Gate Array (FPGA) is used to resolve system bottlenecks and improve system performance. The identified hotspot function is then converted to a hardware accelerator and mapped onto the hardware platform. Two types of hardware acceleration methods – central bus design and co-processor design, are implemented for comparison in the proposed architecture. (3) System specifications, such as performance, energy consumption, and resource costs, are measured and analyzed. The trade-off of these three factors is compared and balanced. Different hardware accelerators are implemented and evaluated based on system requirements. 4) The system verification platform is designed based on Integrated Circuit (IC) workflow. Hardware optimization techniques are used for higher performance and less resource costs. Experimental results show that the proposed hardware acceleration workflow for software applications is an efficient technique. The system can reach 2.8X performance improvements and save 31.84% energy consumption by applying the Bus-IP design. The Co-processor design can have 7.9X performance and save 75.85% energy consumption.

Reconfigurable IEEE1451-FPGA based weblab infrastructure

Weblabs are spreading their influence in Science and Engineering (S&E) courses providing a way to remotely conduct real experiments. Typically, they are implemented by different architectures and infrastructures supported by Instruments and Modules (I&Ms) able to be remotely controlled and observed. Besides the inexistence of a standard solution for implementing weblabs, their reconfiguration is limited to a setup procedure that enables interconnecting a set of preselected I&Ms into an Experiment Under Test (EUT). Moreover, those I&Ms are not able to be replicated or shared by different weblab infrastructures, since they are usually based on hardware platforms. Thus, to overcome these limitations, this paper proposes a standard solution that uses I&Ms embedded into Field-Programmable Gate Array (FPGAs) devices. It is presented an architecture based on the IEEE1451.0 Std. supported by a FPGA-based weblab infrastructure able to be remotely reconfigured with I&Ms, described through standard Hardware Description Language (HDL) files, using a Reconfiguration Tool (RecTool).

Sistema didáctico de baixo custo com FPGA de alta densidade

O uso das Field-Programmable Gate Array tem crescido de forma exponencial. Com isto dito, é importante que os engenheiros electrotécnicos estejam familiarizados com este tipo de tecnologia. Foi com o intuído de passar estas valências para os alunos do ISEP, que surgiu a ideia de criar um sistema didáctico, que permitisse ao alunos aprender a trabalhar com estes dispositivos. O seguinte trabalho iniciou-se com base num estudo das características destes dispositivos e das suas potencialidades, seguido de uma avaliação do que o mercado tem para oferecer. Posteriormente, com base em toda a informação reunida, foi definida a arquitectura do sistema, que levou selecção de dispositivos a incluir no mesmo, e culminando na concepção do esquema eléctrico do sistema e da placa de circuito impresso correspondente ao protótipo do mesmo. As principais directivas para este projecto foram o uso de uma FPGA de alta densidade e a concepção da ferramenta com o custo de projecto o mais reduzido possível.

Controlo de conversores de potência genéricos por FPGA

Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Eletrotécnica Ramo de Automação e Eletrónica Industrial

Algoritmos de detecção de bordas implementados em FPGA

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Controle digital através de dispositivo FPGA aplicado a um retificador trifásico híbrido operando com modulação por histerese variável

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Ottimizzazione di protocolli di trasmissione dati tramite interfaccia usb implementati su fpga

La maggior parte dei moderni dispositivi e macchinari, sia ad uso civile che industriale, utilizzano sistemi elettronici che ne supervisionano e ne controllano il funzionamento. All’ interno di questi apparati è quasi certamente impiegato un sistema di controllo digitale che svolge, anche grazie alle potenzialità oggi raggiunte, compiti che fino a non troppi anni or sono erano dominio dell’ elettronica analogica, si pensi ad esempio ai DSP (Digital Signal Processor) oggi impiegati nei sistemi di telecomunicazione. Nonostante l'elevata potenza di calcolo raggiunta dagli odierni microprocessori/microcontrollori/DSP dedicati alle applicazioni embedded, quando è necessario eseguire elaborazioni complesse, time-critical, dovendo razionalizzare e ottimizzare le risorse a disposizione, come ad esempio spazio consumo e costi, la scelta ricade inevitabilmente sui dispositivi FPGA. I dispositivi FPGA, acronimo di Field Programmable Gate Array, sono circuiti integrati a larga scala d’integrazione (VLSI, Very Large Scale of Integration) che possono essere configurati via software dopo la produzione. Si differenziano dai microprocessori poiché essi non eseguono un software, scritto ad esempio in linguaggio assembly oppure in linguaggio C. Sono invece dotati di risorse hardware generiche e configurabili (denominate Configurable Logic Block oppure Logic Array Block, a seconda del produttore del dispositivo) che per mezzo di un opportuno linguaggio, detto di descrizione hardware (HDL, Hardware Description Language) vengono interconnesse in modo da costituire circuiti logici digitali. In questo modo, è possibile far assumere a questi dispositivi funzionalità logiche qualsiasi, non previste in origine dal progettista del circuito integrato ma realizzabili grazie alle strutture programmabili in esso presenti.

Implémentation sur FPGA de l’algorithme MUSIC sur antenne-réseau expérimentale à 10 GHz

Les techniques des directions d’arrivée (DOA) sont une voie prometteuse pour accroitre la capacité des systèmes et les services de télécommunications en permettant de mieux estimer le canal radio-mobile. Elles permettent aussi de suivre précisément des usagers cellulaires pour orienter les faisceaux d’antennes dans leur direction. S’inscrivant dans ce contexte, ce présent mémoire décrit étape par étape l’implémentation de l’algorithme de haut niveau MUSIC (MUltiple SIgnal Classification) sur une plateforme FPGA afin de déterminer en temps réel l’angle d’arrivée d’une ou des sources incidentes à un réseau d’antennes. Le concept du prototypage rapide des lois de commande (RCP) avec les outils de XilinxTM System generator (XSG) et du MBDK (Model Based Design Kit) de NutaqTM est le concept de développement utilisé. Ce concept se base sur une programmation de code haut niveau à travers des modèles, pour générer automatiquement un code de bas niveau. Une attention particulière est portée sur la méthode choisie pour résoudre le problème de la décomposition en valeurs et vecteurs propres de la matrice complexe de covariance par l’algorithme de Jacobi. L’architecture mise en place implémentant cette dernière dans le FPGA (Field Programmable Gate Array) est détaillée. Par ailleurs, il est prouvé que MUSIC ne peut effectuer une estimation intéressante de la position des sources sans une calibration préalable du réseau d’antennes. Ainsi, la technique de calibration par matrice G utilisée dans ce projet est présentée, en plus de son modèle d’implémentation. Enfin, les résultats expérimentaux du système mis à l’épreuve dans un environnement réel en présence d’une source puis de deux sources fortement corrélées sont illustrés et analysés.

A self-healing real-time system based on run-time self-reconfiguration

The new generations of SRAM-based FPGA (field programmable gate array) devices are the preferred choice for the implementation of reconfigurable computing platforms intended to accelerate processing in real-time systems. However, FPGA's vulnerability to hard and soft errors is a major weakness to robust configurable system design. In this paper, a novel built-in self-healing (BISH) methodology, based on run-time self-reconfiguration, is proposed. A soft microprocessor core implemented in the FPGA is responsible for the management and execution of all the BISH procedures. Fault detection and diagnosis is followed by repairing actions, taking advantage of the dynamic reconfiguration features offered by new FPGA families. Meanwhile, modular redundancy assures that the system still works correctly

Projeto e implementação de um pré-regulador de fator de potência com controlo digital

Hoje em dia as fontes de alimentação possuem correção do fator de potência, devido às diversas normas regulamentares existentes, que introduziram grandes restrições no que respeita à distorção harmónica (THD) e fator de potência (FP). Este trabalho trata da análise, desenvolvimento e implementação de um Pré-Regulador de fator de potência com controlo digital. O controlo digital de conversores com recurso a processamento digital de sinal tem vindo a ser ao longo dos últimos anos, objeto de investigação e desenvolvimento, estando constantemente a surgirem modificações nas topologias existentes. Esta dissertação tem como objetivo estudar e implementar um Pré-Regulador Retificador Boost e o respetivo controlo digital. O controlo do conversor é feito através da técnica dos valores médios instantâneos da corrente de entrada, desenvolvido através da linguagem de descrição de hardware VHDL (VHSIC HDL – Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language) e implementado num dispositivo FPGA (Field Programmable Gate Array) Spartan-3E. Neste trabalho são apresentadas análises matemáticas, para a obtenção das funções de transferência pertinentes ao projeto dos controladores. Para efetuar este controlo é necessário adquirir os sinais da corrente de entrada, tensão de entrada e tensão de saída. O sinal resultante do módulo de controlo é um sinal de PWM com valor de fator de ciclo variável ao longo do tempo. O projeto é simulado e validado através da plataforma MatLab/Simulink e PSIM, onde são apresentados resultados para o regime permanente e para transitórios da carga e da tensão de alimentação. Finalmente, o Pré-Regulador Retificador Boost controlado de forma digital é implementado em laboratório. Os resultados experimentais são apresentados para validar a metodologia e o projeto desenvolvidos.

Conceção de um tutorial de Iniciação ao co-projeto de Hardware/software

A crescente evolução dos dispositivos contendo circuitos integrados, em especial os FPGAs (Field Programmable Logic Arrays) e atualmente os System on a chip (SoCs) baseados em FPGAs, juntamente com a evolução das ferramentas, tem deixado um espaço entre o lançamento e a produção de materiais didáticos que auxiliem os engenheiros no Co- Projecto de hardware/software a partir dessas tecnologias. Com o intuito de auxiliar na redução desse intervalo temporal, o presente trabalho apresenta o desenvolvimento de documentos (tutoriais) direcionados a duas tecnologias recentes: a ferramenta de desenvolvimento de hardware/software VIVADO; e o SoC Zynq-7000, Z-7010, ambos desenvolvidos pela Xilinx. Os documentos produzidos são baseados num projeto básico totalmente implementado em lógica programável e do mesmo projeto implementado através do processador programável embarcado, para que seja possível avaliar o fluxo de projeto da ferramenta para um projeto totalmente implementado em hardware e o fluxo de projeto para o mesmo projeto implementado numa estrutura de harware/software.

Diseño de sistemas de comunicaciones de alta velocidad. Design of high-speed communication systems.

El crecimiento exponencial del tráfico de datos es uno de los mayores desafíos que enfrentan actualmente los sistemas de comunicaciones, debiendo los mismos ser capaces de soportar velocidades de procesamiento de datos cada vez mas altas. En particular, el consumo de potencia se ha transformado en uno de los parámetros de diseño más críticos, generando la necesidad de investigar el uso de nuevas arquitecturas y algoritmos para el procesamiento digital de la información. Por otro lado, el análisis y evaluación de nuevas técnicas de procesamiento presenta dificultades dadas las altas velocidades a las que deben operar, resultando frecuentemente ineficiente el uso de la simulación basada en software como método. En este contexto, el uso de electrónica programable ofrece una oportunidad a bajo costo donde no solo se evaluan nuevas técnicas de diseño de alta velocidad sino también se valida su implementación en desarrollos tecnológicos. El presente proyecto tiene como objetivo principal el estudio y desarrollo de nuevas arquitecturas y algoritmos en electrónica programable para el procesamiento de datos a alta velocidad. El método a utilizar será la programación en dispositivos FPGA (Field-Programmable Gate Array) que ofrecen una buena relación costo-beneficio y gran flexibilidad para integrarse con otros dispositivos de comunicaciones. Para la etapas de diseño, simulación y programación se utilizaran herramientas CAD (Computer-Aided Design) orientadas a sistemas electrónicos digitales. El proyecto beneficiara a estudiantes de grado y postgrado de carreras afines a la informática y las telecomunicaciones, contribuyendo al desarrollo de proyectos finales y tesis doctorales. Los resultados del proyecto serán publicados en conferencias y/o revistas nacionales e internacionales y divulgados a través de charlas de difusión y/o encuentros. El proyecto se enmarca dentro de un área de gran importancia para la Provincia de Córdoba, como lo es la informática y las telecomunicaciones, y promete generar conocimiento de gran valor agregado que pueda ser transferido a empresas tecnológicas de la Provincia de Córdoba a través de consultorias o desarrollos de productos.

Optimización de Arquitecturas de Procesamiento Digital de Señales en Lógica Programable para Aplicaciones en Vuelos No Tripulados

En dispositivos electrónicos de última generación destinados a funciones de comunicación o control automático, los algoritmos de procesamiento digital de señales trasladados al hardware han ocupado un lugar fundamental. Es decir el estado de arte en el área de las comunicaciones y control puede resumirse en algoritmos basados en procesamiento digital de señales. Las implementaciones digitales de estos algoritmos han sido estudiadas en áreas de la informática desde hace tiempo. Sin embargo, aunque el incremento en la complejidad de los algoritmos modernos permite alcanzar desempeños atractivos en aplicaciones específicas, a su vez impone restricciones en la velocidad de operación que han motivado el diseño directamente en hardware de arquitecturas para alto rendimiento. En este contexto, los circuitos electrónicos basados en lógica programable, principalmente los basados en FPGA (Field-Programmable Gate Array), permiten obtener medidas de desempeño altamente confiables que proporcionan el acercamiento necesario hacia el diseño electrónico de circuitos para aplicaciones específicas “ASIC-VLSI” (Application Specific Integrated Circuit - Very Large Scale Integration). En este proyecto se analiza el diseño y la implementación de aquitecturas electrónicas para el procesamiento digital de señales, con el objeto de obtener medidas reales sobre el comportamiento del canal inalámbrico y su influencia sobre la estimación y el control de trayectoria en vehículos aéreos no tripulados (UAV, Unmanned Aerial Vehicle). Para esto se propone analizar un dispositivo híbrido basado en microcontroladores y circuitos FPGA y sobre este mismo dispositivo implementar mediante algoritmo un control de trayectoria que permita mantener un punto fijo en el centro del cuadro de una cámara de video a bordo de un UAV, que sea eficiente en términos de velocidad de operación, dimensiones y consumo de energía.

Comparison and Evaluation of Eddy Current Sensors

In the work eddy current sensors are described and evaluated. Theoretical part includes physical basics of the eddy currents, overview of available commercial products and technologies. Industrial sensors operation was assessed based on several working modes. Apart from this, the model was created in Matlab Simulink with Xilinx Blockset and then translated into a Xilinx ISE Design Suite compatible project. The performance of the resulting implementation was compared to the existing implementation in the Xilinx Spartan 3 FPGA board with the custom made sensor. Additionally, an introduction to FPGAs and VHDL is presented.

Exploring carrier agents in swarm-array computing

How can a bridge be built between autonomic computing approaches and parallel computing systems? The work reported in this paper is motivated towards bridging this gap by proposing a swarm-array computing approach based on ‘Intelligent Agents’ to achieve autonomy for distributed parallel computing systems. In the proposed approach, a task to be executed on parallel computing cores is carried onto a computing core by carrier agents that can seamlessly transfer between processing cores in the event of a predicted failure. The cognitive capabilities of the carrier agents on a parallel processing core serves in achieving the self-ware objectives of autonomic computing, hence applying autonomic computing concepts for the benefit of parallel computing systems. The feasibility of the proposed approach is validated by simulation studies using a multi-agent simulator on an FPGA (Field-Programmable Gate Array) and experimental studies using MPI (Message Passing Interface) on a computer cluster. Preliminary results confirm that applying autonomic computing principles to parallel computing systems is beneficial.