Implementação da técnica de software pipelining na rede em chip IPNoSyS

Alongside the advances of technologies, embedded systems are increasingly present in our everyday. Due to increasing demand for functionalities, many tasks are split among processors, requiring more efficient communication architectures, such as networks on chip (NoC). The NoCs are structures that have routers with channel point-to-point interconnect the cores of system on chip (SoC), providing communication. There are several networks on chip in the literature, each with its specific characteristics. Among these, for this work was chosen the Integrated Processing System NoC (IPNoSyS) as a network on chip with different characteristics compared to general NoCs, because their routing components also accumulate processing function, ie, units have functional able to execute instructions. With this new model, packets are processed and routed by the router architecture. This work aims at improving the performance of applications that have repetition, since these applications spend more time in their execution, which occurs through repeated execution of his instructions. Thus, this work proposes to optimize the runtime of these structures by employing a technique of instruction-level parallelism, in order to optimize the resources offered by the architecture. The applications are tested on a dedicated simulator and the results compared with the original version of the architecture, which in turn, implements only packet level parallelism

Projeto de Sistemas Integrados de Propósito Geral Baseados em Redes em Chip Expandindo as Funcionalidades dos Roteadores para Execução de Operações: A plataforma IPNoSys

It bet on the next generation of computers as architecture with multiple processors and/or multicore processors. In this sense there are challenges related to features interconnection, operating frequency, the area on chip, power dissipation, performance and programmability. The mechanism of interconnection and communication it was considered ideal for this type of architecture are the networks-on-chip, due its scalability, reusability and intrinsic parallelism. The networks-on-chip communication is accomplished by transmitting packets that carry data and instructions that represent requests and responses between the processing elements interconnected by the network. The transmission of packets is accomplished as in a pipeline between the routers in the network, from source to destination of the communication, even allowing simultaneous communications between pairs of different sources and destinations. From this fact, it is proposed to transform the entire infrastructure communication of network-on-chip, using the routing mechanisms, arbitration and storage, in a parallel processing system for high performance. In this proposal, the packages are formed by instructions and data that represent the applications, which are executed on routers as well as they are transmitted, using the pipeline and parallel communication transmissions. In contrast, traditional processors are not used, but only single cores that control the access to memory. An implementation of this idea is called IPNoSys (Integrated Processing NoC System), which has an own programming model and a routing algorithm that guarantees the execution of all instructions in the packets, preventing situations of deadlock, livelock and starvation. This architecture provides mechanisms for input and output, interruption and operating system support. As proof of concept was developed a programming environment and a simulator for this architecture in SystemC, which allows configuration of various parameters and to obtain several results to evaluate it

Estudo da viabilidade do desenvolvimento de sistemas integrados baseados em redes em chip sem processadores: sistema IPNoSys

The increase of capacity to integrate transistors permitted to develop completed systems, with several components, in single chip, they are called SoC (System-on-Chip). However, the interconnection subsystem cans influence the scalability of SoCs, like buses, or can be an ad hoc solution, like bus hierarchy. Thus, the ideal interconnection subsystem to SoCs is the Network-on-Chip (NoC). The NoCs permit to use simultaneous point-to-point channels between components and they can be reused in other projects. However, the NoCs can raise the complexity of project, the area in chip and the dissipated power. Thus, it is necessary or to modify the way how to use them or to change the development paradigm. Thus, a system based on NoC is proposed, where the applications are described through packages and performed in each router between source and destination, without traditional processors. To perform applications, independent of number of instructions and of the NoC dimensions, it was developed the spiral complement algorithm, which finds other destination until all instructions has been performed. Therefore, the objective is to study the viability of development that system, denominated IPNoSys system. In this study, it was developed a tool in SystemC, using accurate cycle, to simulate the system that performs applications, which was implemented in a package description language, also developed to this study. Through the simulation tool, several result were obtained that could be used to evaluate the system performance. The methodology used to describe the application corresponds to transform the high level application in data-flow graph that become one or more packages. This methodology was used in three applications: a counter, DCT-2D and float add. The counter was used to evaluate a deadlock solution and to perform parallel application. The DCT was used to compare to STORM platform. Finally, the float add aimed to evaluate the efficiency of the software routine to perform a unimplemented hardware instruction. The results from simulation confirm the viability of development of IPNoSys system. They showed that is possible to perform application described in packages, sequentially or parallelly, without interruptions caused by deadlock, and also showed that the execution time of IPNoSys is more efficient than the STORM platform

Avaliação da execução de aplicações orientadas à dados na arquitetura de redes em chip IPNoSys

The increasing complexity of integrated circuits has boosted the development of communications architectures like Networks-on-Chip (NoCs), as an architecture; alternative for interconnection of Systems-on-Chip (SoC). Networks-on-Chip complain for component reuse, parallelism and scalability, enhancing reusability in projects of dedicated applications. In the literature, lots of proposals have been made, suggesting different configurations for networks-on-chip architectures. Among all networks-on-chip considered, the architecture of IPNoSys is a non conventional one, since it allows the execution of operations, while the communication process is performed. This study aims to evaluate the execution of data-flow based applications on IPNoSys, focusing on their adaptation against the design constraints. Data-flow based applications are characterized by the flowing of continuous stream of data, on which operations are executed. We expect that these type of applications can be improved when running on IPNoSys, because they have a programming model similar to the execution model of this network. By observing the behavior of these applications when running on IPNoSys, were performed changes in the execution model of the network IPNoSys, allowing the implementation of an instruction level parallelism. For these purposes, analysis of the implementations of dataflow applications were performed and compared

Redes-em-Chip : arquiteturas e modelos para avaliação de área e desempenho

Com o advento dos processos submicrônicos, a capacidade de integração de transistores tem atingido níveis que possibilitam a construção de um sistema completo em uma única pastilha de silício. Esses sistemas, denominados sistemas integrados, baseiam-se no reuso de blocos previamente projetados e verificados, os quais são chamados de núcleos ou blocos de propriedade intelectual. Os sistemas integrados atuais incluem algumas poucas dezenas de núcleos, os quais são interconectados por meio de arquiteturas de comunicação baseadas em estruturas dedicadas de canais ponto-a-ponto ou em estruturas reutilizáveis constituídas por canais multiponto, denominadas barramentos. Os futuros sistemas integrados irão incluir de dezenas a centenas de núcleos em um mesmo chip com até alguns bilhões de transistores, sendo que, para atender às pressões do mercado e amortizar os custos de projeto entre vários sistemas, é importante que todos os seus componentes sejam reutilizáveis, incluindo a arquitetura de comunicação. Das arquiteturas utilizadas atualmente, o barramento é a única que oferece reusabilidade. Porém, o seu desempenho em comunicação e o seu consumo de energia degradam com o crescimento do sistema. Para atender aos requisitos dos futuros sistemas integrados, uma nova alternativa de arquitetura de comunicação tem sido proposta na comunidade acadêmica. Essa arquitetura, denominada rede-em-chip, baseia-se nos conceitos utilizados nas redes de interconexão para computadores paralelos. Esta tese se situa nesse contexto e apresenta uma arquitetura de rede-em-chip e um conjunto de modelos para a avaliação de área e desempenho de arquiteturas de comunicação para sistemas integrados. A arquitetura apresentada é denominada SoCIN (System-on-Chip Interconnection Network) e apresenta como diferencial o fato de poder ser dimensionada de modo a atender a requisitos de custo e desempenho da aplicação alvo. Os modelos desenvolvidos permitem a estimativa em alto nível da área em silício e do desempenho de arquiteturas de comunicação do tipo barramento e rede-em-chip. São apresentados resultados que demonstram a efetividade das redes-em-chip e indicam as condições que definem a aplicabilidade das mesmas.

Redes-em-chip de baixo custo

Com as recentes tecnologias de fabricação é possível integrar milhões de transistores em um único chip, permitindo a criação dos chamados System-on-Chip (SoCs), que integram em um único chip um grande número de componentes (tipicamente blocos reutilizáveis conhecidos por núcleos). Quanto mais complexos forem estes sistemas, melhores técnicas de projeto serão necessárias para também reduzir o tempo e custo do projeto. Uma destas técnicas, chamada de Network-on-Chip (NoC), permite melhorar a performance da comunicação entre os núcleos e, ao mesmo tempo, fornecer uma plataforma de comunicação escalável e que pode ser reutilizada para um grande número de sistemas. Uma NoC pode ser definida como uma estrutura de roteadores e canais ponto-a-ponto que interconectam os núcleos de um sistema, provendo o suporte de comunicação entre eles. Os dados são transmitidos pela rede na forma de mensagens, que podem ser divididas em unidades menores chamadas de pacote. Uma das desvantagens desta plataforma de comunicação é o impacto na área do sistema causado pelos roteadores. Dentro deste contexto, este trabalho apresenta uma arquitetura de roteador de baixo custo, com o objetivo de permitir o uso de NoCs em sistemas onde a área do roteador representará um grande impacto no custo do sistema. A arquitetura deste roteador, chamado de Tonga, é baseada em um roteador chamado RASoC, um soft-core para SoCs. Nesta dissertação será apresentada também uma rede heterogênea, baseada na rede SoCIN, e composta por dois tipos de roteadores – RASoC e Tonga. Estes roteadores visam diferentes objetivos: Rasoc alcança uma maior performance comparada ao Tonga, mas ocupa área consideravelmente maior. Potencialmente, uma NoC heterogênea otimizada pode ser desenvolvida combinando estes roteadores, procurando o melhor compromisso entre área e latência. Os modelos desenvolvidos permitem a estimativa de área e do desempenho das arquiteturas de comunicação propostas e são apresentados resultados de performance para algumas aplicações.

Modelagem e simulação de redes em chip sem fio.

O paradigma das redes em chip (NoCs) surgiu a fim de permitir alto grau de integração entre vários núcleos de sistemas em chip (SoCs), cuja comunicação é tradicionalmente baseada em barramentos. As NoCs são definidas como uma estrutura de switches e canais ponto a ponto que interconectam núcleos de propriedades intelectuais (IPs) de um SoC, provendo uma plataforma de comunicação entre os mesmos. As redes em chip sem fio (WiNoCs) são uma abordagem evolucionária do conceito de rede em chip (NoC), a qual possibilita a adoção dos mecanismos de roteamento das NoCs com o uso de tecnologias sem fio, propondo a otimização dos fluxos de tráfego, a redução de conectores e a atuação em conjunto com as NoCs tradicionais, reduzindo a carga nos barramentos. O uso do roteamento dinâmico dentro das redes em chip sem fio permite o desligamento seletivo de partes do hardware, o que reduz a energia consumida. Contudo, a escolha de onde empregar um link sem fio em uma NoC é uma tarefa complexa, dado que os nós são pontes de tráfego os quais não podem ser desligados sem potencialmente quebrar uma rota preestabelecida. Além de fornecer uma visão sobre as arquiteturas de NoCs e do estado da arte do paradigma emergente de WiNoC, este trabalho também propõe um método de avaliação baseado no já consolidado simulador ns-2, cujo objetivo é testar cenários híbridos de NoC e WiNoC. A partir desta abordagem é possível avaliar diferentes parâmetros das WiNoCs associados a aspectos de roteamento, aplicação e número de nós envolvidos em redes hierárquicas. Por meio da análise de tais simulações também é possível investigar qual estratégia de roteamento é mais recomendada para um determinado cenário de utilização, o que é relevante ao se escolher a disposição espacial dos nós em uma NoC. Os experimentos realizados são o estudo da dinâmica de funcionamento dos protocolos ad hoc de roteamento sem fio em uma topologia hierárquica de WiNoC, seguido da análise de tamanho da rede e dos padrões de tráfego na WiNoC.

Sistema operacional e biblioteca de funções para plataformas MPSOC: um estudo de caso para simuladores de reservatórios

The increasingly request for processing power during last years has pushed integrated circuit industry to look for ways of providing even more processing power with less heat dissipation, power consumption, and chip area. This goal has been achieved increasing the circuit clock, but since there are physical limits of this approach a new solution emerged as the multiprocessor system on chip (MPSoC). This approach demands new tools and basic software infrastructure to take advantage of the inherent parallelism of these architectures. The oil exploration industry has one of its firsts activities the project decision on exploring oil fields, those decisions are aided by reservoir simulations demanding high processing power, the MPSoC may offer greater performance if its parallelism can be well used. This work presents a proposal of a micro-kernel operating system and auxiliary libraries aimed to the STORM MPSoC platform analyzing its influence on the problem of reservoir simulation

Simulação de reservatórios de petróleo em ambiente MPSoC

The constant increase of complexity in computer applications demands the development of more powerful hardware support for them. With processor's operational frequency reaching its limit, the most viable solution is the use of parallelism. Based on parallelism techniques and the progressive growth in the capacity of transistors integration in a single chip is the concept of MPSoCs (Multi-Processor System-on-Chip). MPSoCs will eventually become a cheaper and faster alternative to supercomputers and clusters, and applications developed for these high performance systems will migrate to computers equipped with MP-SoCs containing dozens to hundreds of computation cores. In particular, applications in the area of oil and natural gas exploration are also characterized by the high processing capacity required and would benefit greatly from these high performance systems. This work intends to evaluate a traditional and complex application of the oil and gas industry known as reservoir simulation, developing a solution with integrated computational systems in a single chip, with hundreds of functional unities. For this, as the STORM (MPSoC Directory-Based Platform) platform already has a shared memory model, a new distributed memory model were developed. Also a message passing library has been developed folowing MPI standard

Register Allocation and Optimal Spill code Scheduling in Software Pipelined Loops using 0-1 Integer Linear Programming Formulation

In achieving higher instruction level parallelism, software pipelining increases the register pressure in the loop. The usefulness of the generated schedule may be restricted to cases where the register pressure is less than the available number of registers. Spill instructions need to be introduced otherwise. But scheduling these spill instructions in the compact schedule is a difficult task. Several heuristics have been proposed to schedule spill code. These heuristics may generate more spill code than necessary, and scheduling them may necessitate increasing the initiation interval. We model the problem of register allocation with spill code generation and scheduling in software pipelined loops as a 0-1 integer linear program. The formulation minimizes the increase in initiation interval (II) by optimally placing spill code and simultaneously minimizes the amount of spill code produced. To the best of our knowledge, this is the first integrated formulation for register allocation, optimal spill code generation and scheduling for software pipelined loops. The proposed formulation performs better than the existing heuristics by preventing an increase in II in 11.11% of the loops and generating 18.48% less spill code on average among the loops extracted from Perfect Club and SPEC benchmarks with a moderate increase in compilation time.

Reuse-based test planning for core-based systems-on-chip

Electronic applications are currently developed under the reuse-based paradigm. This design methodology presents several advantages for the reduction of the design complexity, but brings new challenges for the test of the final circuit. The access to embedded cores, the integration of several test methods, and the optimization of the several cost factors are just a few of the several problems that need to be tackled during test planning. Within this context, this thesis proposes two test planning approaches that aim at reducing the test costs of a core-based system by means of hardware reuse and integration of the test planning into the design flow. The first approach considers systems whose cores are connected directly or through a functional bus. The test planning method consists of a comprehensive model that includes the definition of a multi-mode access mechanism inside the chip and a search algorithm for the exploration of the design space. The access mechanism model considers the reuse of functional connections as well as partial test buses, cores transparency, and other bypass modes. The test schedule is defined in conjunction with the access mechanism so that good trade-offs among the costs of pins, area, and test time can be sought. Furthermore, system power constraints are also considered. This expansion of concerns makes it possible an efficient, yet fine-grained search, in the huge design space of a reuse-based environment. Experimental results clearly show the variety of trade-offs that can be explored using the proposed model, and its effectiveness on optimizing the system test plan. Networks-on-chip are likely to become the main communication platform of systemson- chip. Thus, the second approach presented in this work proposes the reuse of the on-chip network for the test of the cores embedded into the systems that use this communication platform. A power-aware test scheduling algorithm aiming at exploiting the network characteristics to minimize the system test time is presented. The reuse strategy is evaluated considering a number of system configurations, such as different positions of the cores in the network, power consumption constraints and number of interfaces with the tester. Experimental results show that the parallelization capability of the network can be exploited to reduce the system test time, whereas area and pin overhead are strongly minimized. In this manuscript, the main problems of the test of core-based systems are firstly identified and the current solutions are discussed. The problems being tackled by this thesis are then listed and the test planning approaches are detailed. Both test planning techniques are validated for the recently released ITC’02 SoC Test Benchmarks, and further compared to other test planning methods of the literature. This comparison confirms the efficiency of the proposed methods.

Método de inversão matricial rápido GSGR para vectoring em sistemas xDSL, com implementação em chip DSP

Este trabalho apresenta um método rápido de inversão de matrizes densas, e uma possível aplicação com métodos de Vectoring, em pré-codificação e cancelamento de crosstalk de sistemas xDSL. A família de tecnologias xDSL utiliza os pares trançados de fios de cobre telefônicos como meio físico para transmitir dados digitais. O crosstalk é a principal causa de degradação de sinais na mais nova geração de sistemas xDSL, o G.fast, e para combatê-lo são utilizadas técnicas de pré-codificação e cancelamento, chamadas de Vectoring. O método proposto, chamado de GSGR, consiste em uma abordagem diferente para o método clássico de Squared Givens Rotations (SGR), adequado a implementações em plataformas embarcadas de processamento digital de sinais. Foram realizados testes comparativos do método GSGR com métodos diretos clássicos de inversão, utilizando uma plataforma digital multicore baseada no chip TI DSP TMS320C6670 e a plataforma de software Matlab. Os resultados dos testes de inversão de matrizes usando dados reais e dados simulados mostraram que o GSGR foi superior em velocidade de execução sem apresentar perdas significativas de acurácia para a aplicação em sistemas xDSL.

Software baseado em rede neural artificial desenvolvido por meio de algoritmo genético para a classificação morfológica de blastocistos bovinos

Pós-graduação em Biociências - FCLAS

Arquitetura computacional para redes orgânicas e heterogêneas: plano de controle do sistema operacional swarm.

Computational Swarms (enxames computacionais), consistindo da integração de sensores e atuadores inteligentes no nosso mundo conectado, possibilitam uma extensão da info-esfera no mundo físico. Nós chamamos esta info-esfera extendida, cíber-física, de Swarm. Este trabalho propõe uma visão de Swarm onde dispositivos computacionais cooperam dinâmica e oportunisticamente, gerando redes orgânicas e heterogêneas. A tese apresenta uma arquitetura computacional do Plano de Controle do Sistema Operacional do Swarm, que é uma camada de software distribuída embarcada em todos os dispositivos que fazem parte do Swarm, responsável por gerenciar recursos, definindo atores, como descrever e utilizar serviços e recursos (como divulgá-los e descobrí-los, como realizar transações, adaptações de conteúdos e cooperação multiagentes). O projeto da arquitetura foi iniciado com uma revisão da caracterização do conceito de Swarm, revisitando a definição de termos e estabelecendo uma terminologia para ser utilizada. Requisitos e desafios foram identificados e uma visão operacional foi proposta. Esta visão operacional foi exercitada com casos de uso e os elementos arquiteturais foram extraídos dela e organizados em uma arquitetura. A arquitetura foi testada com os casos de uso, gerando revisões do sistema. Cada um dos elementos arquiteturais requereram revisões do estado da arte. Uma prova de conceito do Plano de Controle foi implementada e uma demonstração foi proposta e implementada. A demonstração selecionada foi o Smart Jukebox, que exercita os aspectos distribuídos e a dinamicidade do sistema proposto. Este trabalho apresenta a visão do Swarm computacional e apresenta uma plataforma aplicável na prática. A evolução desta arquitetura pode ser a base de uma rede global, heterogênea e orgânica de redes de dispositivos computacionais alavancando a integração de sistemas cíber-físicos na núvem permitindo a cooperação de sistemas escaláveis e flexíveis, interoperando para alcançar objetivos comuns.