Generic low-latency NoC router architecture for FPGA computing systems

A novel cost-effective and low-latency wormhole router for packet-switched NoC designs, tailored for FPGA, is presented. This has been designed to be scalable at system level to fully exploit the characteristics and constraints of FPGA based systems, rather than custom ASIC technology. A key feature is that it achieves a low packet propagation latency of only two cycles per hop including both router pipeline delay and link traversal delay - a significant enhancement over existing FPGA designs - whilst being very competitive in terms of performance and hardware complexity. It can also be configured in various network topologies including 1-D, 2-D, and 3-D. Detailed design-space exploration has been carried for a range of scaling parameters, with the results of various design trade-offs being presented and discussed. By taking advantage of abundant buildin reconfigurable logic and routing resources, we have been able to create a new scalable on-chip FPGA based router that exhibits high dimensionality and connectivity. The architecture proposed can be easily migrated across many FPGA families to provide flexible, robust and cost-effective NoC solutions suitable for the implementation of high-performance FPGA computing systems. © 2011 IEEE.

A Structured Approach to Simulate Manufacturing System In Virtual Environment

Nowadays, the realization of the Virtual Factory (VF) is the strategic goal of many manufacturing enterprises for the coming years. The industrial scenario is characterized by the dynamics of innovations increment and the product life cycle became shorter. Furthermore products and the corresponding manufacturing processes get more and more complex. Therefore, companies need new methods for the planning of manufacturing systems.
To date, the efforts have focused on the creation of an integrated environment to design and manage the manufacturing process of a new product. The future goal is to integrate Virtual Reality (VR) tools into the Product Lifecycle Management of the manufacturing industries.
In order to realize this goal the authors have conducted a study to perform VF simulation steps for a supplier of Industrial Automation Systems and have provided a structured approach focusing on interaction between simulation software and VR hardware tools in order to simulate both robotic and
manual work cells.
The first results of the study in progress have been carried out in the VR Laboratory of the Competence Regional Centre for the qualification of the Transportation Systems that has been founded by Campania Region.

Enhanced ethernet switching technology for adaptive hard real-time applications: Tecnologia de comutação ethernet melhorada para aplicações adaptativas e críticas de tempo-real

Os Sistemas Embarcados Distribuídos (SEDs) estão, hoje em dia, muito difundidos em vastas áreas, desde a automação industrial, a automóveis, aviões, até à distribuição de energia e protecção do meio ambiente. Estes sistemas são, essencialmente, caracterizados pela integração distribuída de aplicações embarcadas, autónomas mas cooperantes, explorando potenciais vantagens em termos de modularidade, facilidade de manutenção, custos de instalação, tolerância a falhas, entre outros. Contudo, o ambiente operacional onde se inserem estes tipos de sistemas pode impor restrições temporais rigorosas, exigindo que o sistema de comunicação subjacente consiga transmitir mensagens com garantias temporais. Contudo, os SEDs apresentam uma crescente complexidade, uma vez que integram subsistemas cada vez mais heterogéneos, quer ao nível do tráfego gerado, quer dos seus requisitos temporais. Em particular, estes subsistemas operam de forma esporádica, isto é, suportam mudanças operacionais de acordo com estímulos exteriores. Estes subsistemas também se reconfiguram dinamicamente de acordo com a actualização dos seus requisitos e, ainda, têm lidar com um número variável de solicitações de outros subsistemas. Assim sendo, o nível de utilização de recursos pode variar e, desta forma, as políticas de alocação estática tornam-se muito ineficientes. Consequentemente, é necessário um sistema de comunicação capaz de suportar com eficácia reconfigurações e adaptações dinâmicas. A tecnologia Ethernet comutada tem vindo a emergir como uma solução sólida para fornecer comunicações de tempo-real no âmbito dos SEDs, como comprovado pelo número de protocolos de tempo-real que foram desenvolvidos na última década. No entanto, nenhum dos protocolos existentes reúne as características necessárias para fornecer uma eficiente utilização da largura de banda e, simultaneamente, para respeitar os requisitos impostos pelos SEDs. Nomeadamente, a capacidade para controlar e policiar tráfego de forma robusta, conjugada com suporte à reconfiguração e adaptação dinâmica, não comprometendo as garantias de tempo-real. Esta dissertação defende a tese de que, pelo melhoramento dos comutadores Ethernet para disponibilizarem mecanismos de reconfiguração e isolamento de tráfego, é possível suportar aplicações de tempo-real críticas, que são adaptáveis ao ambiente onde estão inseridas.Em particular, é mostrado que as técnicas de projecto, baseadas em componentes e apoiadas no escalonamento hierárquico de servidores de tráfego, podem ser integradas nos comutadores Ethernet para alcançar as propriedades desejadas. Como suporte, é fornecida, também, uma solução para instanciar uma hierarquia reconfigurável de servidores de tráfego dentro do comutador, bem como a análise adequada ao modelo de escalonamento. Esta última fornece um limite superior para o tempo de resposta que os pacotes podem sofrer dentro dos servidores de tráfego, com base unicamente no conhecimento de um dado servidor e na hierarquia actual, isto é, sem o conhecimento das especifidades do tráfego dentro dos outros servidores. Finalmente, no âmbito do projecto HaRTES foi construído um protótipo do comutador Ethernet, o qual é baseado no paradigma “Flexible Time-Triggered”, que permite uma junção flexível de uma fase síncrona para o tráfego controlado pelo comutador e uma fase assíncrona que implementa a estrutura hierárquica de servidores referidos anteriormente. Além disso, as várias experiências práticas realizadas permitiram validar as propriedades desejadas e, consequentemente, a tese que fundamenta esta dissertação.

Connectionist approach to PID autotuning

Proportional, Integral and Derivative (PID) regulators are standard building blocks for industrial automation. The popularity of these regulatores comes from their rebust performance in a wide range of operationg conditions, and also from their functional simplicity, which makes them suitable for manual tuning.

A connectionist approach to PID autotuning

Proportional, Integral and Derivative (PID) regulators are standard building blocks for industrial automation. The popularity of these regulators comes from their rebust performance in a wide range of operating conditions, and also from their functional simplicity, which makes them suitable for manual tuning.

A neural network controller

Proportional, Integral and Derivative (PID) regulators are standard building blocks for industrial automation. The popularity of these regulators comes from their rebust performance in a wide range of operating conditions, and also from their functional simplicity, which makes them suitable for manual tuning.

Proposta do modelo 6C Loop Back I/D para o ensino da engenharia no ensino politécnico em modalidade elearning : um estudo exploratório

Trabalho de projecto de mestrado, Educação (Especialização em Educação e Tecnologias Digitais), Universidade de Lisboa, Instituto de Educação, 2014

Optimal fuzzy PID control tuned with genetic algorithms

Fuzzy logic controllers (FLC) are intelligent systems, based on heuristic knowledge, that have been largely applied in numerous areas of everyday life. They can be used to describe a linear or nonlinear system and are suitable when a real system is not known or too difficult to find their model. FLC provide a formal methodology for representing, manipulating and implementing a human heuristic knowledge on how to control a system. These controllers can be seen as artificial decision makers that operate in a closed-loop system, in real time. The main aim of this work was to develop a single optimal fuzzy controller, easily adaptable to a wide range of systems – simple to complex, linear to nonlinear – and able to control all these systems. Due to their efficiency in searching and finding optimal solution for high complexity problems, GAs were used to perform the FLC tuning by finding the best parameters to obtain the best responses. The work was performed using the MATLAB/SIMULINK software. This is a very useful tool that provides an easy way to test and analyse the FLC, the PID and the GAs in the same environment. Therefore, it was proposed a Fuzzy PID controller (FL-PID) type namely, the Fuzzy PD+I. For that, the controller was compared with the classical PID controller tuned with, the heuristic Ziegler-Nichols tuning method, the optimal Zhuang-Atherton tuning method and the GA method itself. The IAE, ISE, ITAE and ITSE criteria, used as the GA fitness functions, were applied to compare the controllers performance used in this work. Overall, and for most systems, the FL-PID results tuned with GAs were very satisfactory. Moreover, in some cases the results were substantially better than for the other PID controllers. The best system responses were obtained with the IAE and ITAE criteria used to tune the FL-PID and PID controllers.

Sistemas de supervisão e controlo de autómatos: soluções baseadas em OPC E IEC 60870-5-104

Atualmente, no segmento metro-ferroviário, há uma tendência para que todos os equipamentos que constituem os sistemas auxiliares de uma estação (escadas mecânicas, elevadores, bloqueadores, validadores de bilhética, ventiladores, bombas, entre outros) sejam dotados de inteligência. Tipicamente, um conjunto de equipamentos são ligados a um autómato que permite o controlo local e remoto e é vulgar que, sendo de fabricantes diferentes, suportem tecnologias distintas. Um sistema de supervisão que permita o acesso à informação disponibilizada por cada um dos autómatos, ou à atuação sobre um deles, terá por isso que implementar e suportar diversos protocolos de comunicação de forma a não ficar limitado a um tipo de tecnologia. De forma a diminuir os custos de desenvolvimento e operação de um sistema de supervisão e controlo e facilitar a integração de novos equipamentos, com diferentes características, têm sido procuradas soluções que garantam uma mais fácil comunicação entre os diversos módulos intervenientes. Nesta dissertação são implementadas soluções baseadas em clientes OPC-DA e OPC-AE e no protocolo IEC 60870-5-104, permitindo que os sistemas de supervisão e de controlo comuniquem com os equipamentos através destes três módulos. Os principais aspectos inovadores estão associados à implementação de uma arquitetura multiprotocolo usando as novas tendências de supervisão e controlo baseadas em soluções distribuídas.

FPGA-based architecture for hyperspectral unmixing

This paper proposes an FPGA-based architecture for onboard hyperspectral unmixing. This method based on the Vertex Component Analysis (VCA) has several advantages, namely it is unsupervised, fully automatic, and it works without dimensionality reduction (DR) pre-processing step. The architecture has been designed for a low cost Xilinx Zynq board with a Zynq-7020 SoC FPGA based on the Artix-7 FPGA programmable logic and tested using real hyperspectral datasets. Experimental results indicate that the proposed implementation can achieve real-time processing, while maintaining the methods accuracy, which indicate the potential of the proposed platform to implement high-performance, low cost embedded systems.

Verification and FPGA circuits of a block-2 fast path-based predictor

This paper formally derives a new path-based neural branch prediction algorithm (FPP) into blocks of size two for a lower hardware solution while maintaining similar input-output characteristic to the algorithm. The blocked solution, here referred to as B2P algorithm, is obtained using graph theory and retiming methods. Verification approaches were exercised to show that prediction performances obtained from the FPP and B2P algorithms differ within one mis-prediction per thousand instructions using a known framework for branch prediction evaluation. For a chosen FPGA device, circuits generated from the B2P algorithm showed average area savings of over 25% against circuits for the FPP algorithm with similar time performances thus making the proposed blocked predictor superior from a practical viewpoint.

Experiences applying OVM 2.0 to an 8B/10B RTL design

The SystemVerilog implementation of the Open Verification Methodology (OVM) is exercised on an 8b/10b RTL open core design in the hope of being a simple yet complete exercise to expose the key features of OVM. Emphasis is put onto the actual usage of the verification components rather than a complete verification flow aiming at being of help to readers unfamiliar with OVM seeking to apply the methodology to their own designs. A link that takes you to the complete code is given to reinforce this aim. We found the methodology easy to use but intimidating at first glance specially for someone with little experience in object oriented programming. However it is clear to see the flexibility, portability and reusability of verification code once you manage to give some first steps.