Синтез самопроверяемых схем встроенного контроля на основе метода логического дополнения до равновесного кода «2 из 4»

The article explores the peculiarities of self-checking integrated control circuits synthesis by the Boolean complement method based on the "2-out-of-4'' constant-weight code. The article describes the features of integrated control circuits implementation by the Boolean complement method. It is noted that it is possible to synthesize the structures of discrete devices, which have less structural redundancy than in situation of the control circuit implementation by the method of duplication. The effect in structural redundancy reducing is achieved by minimizing the complexity of the control logic block technical implementation and using checkers that are simpler in their structures than the comparator in the system of duplication. The article proposes a method of the integrated control circuit organization based on determining the values of control functions taking into account the maintenance of testability of elements of addition by modulo two in the Boolean complement block and the checker of the "2-out-of-4" code.Исследуются особенности синтеза самопроверяемых схем встроенного контроля по методу логического дополнения на основе равновесного кода «2 из 4». Описываются особенности реализации схем встроенного контроля по методу логического дополнения. Отмечается возможность синтеза структур дискретных устройств, имеющих меньшую структурную избыточность, чем при реализации схемы контроля по методу дублирования. Эффект в снижении структурной избыточности достигается за счет минимизации сложности технической реализации блока контрольной логики и использования более простых по своим структурам тестеров, чем компаратор в системе дублирования. Предлагается способ организации схемы встроенного контроля, основанный на доопределении значений контрольных функций с учетом обеспечения тестируемости элементов сложения по модулю два в блоке логического дополнения и тестера кода «2 из 4»

Self-Timed Masking: Implementing Masked S-Boxes Without Registers

Masking is one of the most used side-channel protection techniques. However, a secure masking scheme requires additional implementation costs, e.g. random number, and transistor count. Furthermore, glitches and early evaluation can temporally weaken a masked implementation in hardware, creating a potential source of exploitable leakages. Registers are generally used to mitigate these threats, hence increasing the implementation\u27s area and latency. In this work, we show how to design glitch-free masking without registers with the help of the dual-rail encoding and asynchronous logic. This methodology is used to implement low-latency masking with arbitrary protection order. Finally, we present a side-channel evaluation of our first and second order masked AES implementations

ICSEA 2021: the sixteenth international conference on software engineering advances

The Sixteenth International Conference on Software Engineering Advances (ICSEA 2021), held on October 3 - 7, 2021 in Barcelona, Spain, continued a series of events covering a broad spectrum of software-related topics. The conference covered fundamentals on designing, implementing, testing, validating and maintaining various kinds of software. The tracks treated the topics from theory to practice, in terms of methodologies, design, implementation, testing, use cases, tools, and lessons learnt. The conference topics covered classical and advanced methodologies, open source, agile software, as well as software deployment and software economics and education. The conference had the following tracks: Advances in fundamentals for software development Advanced mechanisms for software development Advanced design tools for developing software Software engineering for service computing (SOA and Cloud) Advanced facilities for accessing software Software performance Software security, privacy, safeness Advances in software testing Specialized software advanced applications Web Accessibility Open source software Agile and Lean approaches in software engineering Software deployment and maintenance Software engineering techniques, metrics, and formalisms Software economics, adoption, and education Business technology Improving productivity in research on software engineering Trends and achievements Similar to the previous edition, this event continued to be very competitive in its selection process and very well perceived by the international software engineering community. As such, it is attracting excellent contributions and active participation from all over the world. We were very pleased to receive a large amount of top quality contributions. We take here the opportunity to warmly thank all the members of the ICSEA 2021 technical program committee as well as the numerous reviewers. The creation of such a broad and high quality conference program would not have been possible without their involvement. We also kindly thank all the authors that dedicated much of their time and efforts to contribute to the ICSEA 2021. We truly believe that thanks to all these efforts, the final conference program consists of top quality contributions. This event could also not have been a reality without the support of many individuals, organizations and sponsors. We also gratefully thank the members of the ICSEA 2021 organizing committee for their help in handling the logistics and for their work that is making this professional meeting a success. We hope the ICSEA 2021 was a successful international forum for the exchange of ideas and results between academia and industry and to promote further progress in software engineering research

Runtime-assisted optimizations in the on-chip memory hierarchy

Following Moore's Law, the number of transistors on chip has been increasing exponentially, which has led to the increasing complexity of modern processors. As a result, the efficient programming of such systems has become more difficult. Many programming models have been developed to answer this issue. Of particular interest are task-based programming models that employ simple annotations to define parallel work in an application. The information available at the level of the runtime systems associated with these programming models offers great potential for improving hardware design. Moreover, due to technological limitations, Moore's Law is predicted to eventually come to an end, so novel paradigms are necessary to maintain the current performance improvement trends. The main goal of this thesis is to exploit the knowledge about a parallel application available at the runtime system level to improve the design of the on-chip memory hierarchy. The coupling of the runtime system and the microprocessor enables a better hardware design without hurting the programmability. The first contribution is a set of insertion policies for shared last-level caches that exploit information about tasks and task data dependencies. The intuition behind this proposal revolves around the observation that parallel threads exhibit different memory access patterns. Even within the same thread, accesses to different variables often follow distinct patterns. The proposed policies insert cache lines into different logical positions depending on the dependency type and task type to which the corresponding memory request belongs. The second proposal optimizes the execution of reductions, defined as a programming pattern that combines input data to form the resulting reduction variable. This is achieved with a runtime-assisted technique for performing reductions in the processor's cache hierarchy. The proposal's goal is to be a universally applicable solution regardless of the reduction variable type, size and access pattern. On the software level, the programming model is extended to let a programmer specify the reduction variables for tasks, as well as the desired cache level where a certain reduction will be performed. The source-to-source compiler and the runtime system are extended to translate and forward this information to the underlying hardware. On the hardware level, private and shared caches are equipped with functional units and the accompanying logic to perform reductions at the cache level. This design avoids unnecessary data movements to the core and back as the data is operated at the place where it resides. The third contribution is a runtime-assisted prioritization scheme for memory requests inside the on-chip memory hierarchy. The proposal is based on the notion of a critical path in the context of parallel codes and a known fact that accelerating critical tasks reduces the execution time of the whole application. In the context of this work, task criticality is observed at a level of a task type as it enables simple annotation by the programmer. The acceleration of critical tasks is achieved by the prioritization of corresponding memory requests in the microprocessor.Siguiendo la ley de Moore, el número de transistores en los chips ha crecido exponencialmente, lo que ha comportado una mayor complejidad en los procesadores modernos y, como resultado, de la dificultad de la programación eficiente de estos sistemas. Se han desarrollado muchos modelos de programación para resolver este problema; un ejemplo particular son los modelos de programación basados en tareas, que emplean anotaciones sencillas para definir los Trabajos paralelos de una aplicación. La información de que disponen los sistemas en tiempo de ejecución (runtime systems) asociada con estos modelos de programación ofrece un enorme potencial para la mejora del diseño del hardware. Por otro lado, las limitaciones tecnológicas hacen que la ley de Moore pueda dejar de cumplirse próximamente, por lo que se necesitan paradigmas nuevos para mantener las tendencias actuales de mejora de rendimiento. El objetivo principal de esta tesis es aprovechar el conocimiento de las aplicaciones paral·leles de que dispone el runtime system para mejorar el diseño de la jerarquía de memoria del chip. El acoplamiento del runtime system junto con el microprocesador permite realizar mejores diseños hardware sin afectar Negativamente en la programabilidad de dichos sistemas. La primera contribución de esta tesis consiste en un conjunto de políticas de inserción para las memorias caché compartidas de último nivel que aprovecha la información de las tareas y las dependencias de datos entre estas. La intuición tras esta propuesta se basa en la observación de que los hilos de ejecución paralelos muestran distintos patrones de acceso a memoria e, incluso dentro del mismo hilo, los accesos a diferentes variables a menudo siguen patrones distintos. Las políticas que se proponen insertan líneas de caché en posiciones lógicas diferentes en función de los tipos de dependencia y tarea a los que corresponde la petición de memoria. La segunda propuesta optimiza la ejecución de las reducciones, que se definen como un patrón de programación que combina datos de entrada para conseguir la variable de reducción como resultado. Esto se consigue mediante una técnica asistida por el runtime system para la realización de reducciones en la jerarquía de la caché del procesador, con el objetivo de ser una solución aplicable de forma universal sin depender del tipo de la variable de la reducción, su tamaño o el patrón de acceso. A nivel de software, el modelo de programación se extiende para que el programador especifique las variables de reducción de las tareas, así como el nivel de caché escogido para que se realice una determinada reducción. El compilador fuente a Fuente (compilador source-to-source) y el runtime ssytem se modifican para que traduzcan y pasen esta información al hardware subyacente, evitando así movimientos de datos innecesarios hacia y desde el núcleo del procesador, al realizarse la operación donde se encuentran los datos de la misma. La tercera contribución proporciona un esquema de priorización asistido por el runtime system para peticiones de memoria dentro de la jerarquía de memoria del chip. La propuesta se basa en la noción de camino crítico en el contexto de los códigos paralelos y en el hecho conocido de que acelerar tareas críticas reduce el tiempo de ejecución de la aplicación completa. En el contexto de este trabajo, la criticidad de las tareas se considera a nivel del tipo de tarea ya que permite que el programador las indique mediante anotaciones sencillas. La aceleración de las tareas críticas se consigue priorizando las correspondientes peticiones de memoria en el microprocesador.Seguint la llei de Moore, el nombre de transistors que contenen els xips ha patit un creixement exponencial, fet que ha provocat un augment de la complexitat dels processadors moderns i, per tant, de la dificultat de la programació eficient d’aquests sistemes. Per intentar solucionar-ho, s’han desenvolupat diversos models de programació; un exemple particular en són els models basats en tasques, que fan servir anotacions senzilles per definir treballs paral·lels dins d’una aplicació. La informació que hi ha al nivell dels sistemes en temps d’execució (runtime systems) associada amb aquests models de programació ofereix un gran potencial a l’hora de millorar el disseny del maquinari. D’altra banda, les limitacions tecnològiques fan que la llei de Moore pugui deixar de complir-se properament, per la qual cosa calen nous paradigmes per mantenir les tendències actuals en la millora de rendiment. L’objectiu principal d’aquesta tesi és aprofitar els coneixements que el runtime System té d’una aplicació paral·lela per millorar el disseny de la jerarquia de memòria dins el xip. L’acoblament del runtime system i el microprocessador permet millorar el disseny del maquinari sense malmetre la programabilitat d’aquests sistemes. La primera contribució d’aquesta tesi consisteix en un conjunt de polítiques d’inserció a les memòries cau (cache memories) compartides d’últim nivell que aprofita informació sobre tasques i les dependències de dades entre aquestes. La intuïció que hi ha al darrere d’aquesta proposta es basa en el fet que els fils d’execució paral·lels mostren diferents patrons d’accés a la memòria; fins i tot dins el mateix fil, els accessos a variables diferents sovint segueixen patrons diferents. Les polítiques que s’hi proposen insereixen línies de la memòria cau a diferents ubicacions lògiques en funció dels tipus de dependència i de tasca als quals correspon la petició de memòria. La segona proposta optimitza l’execució de les reduccions, que es defineixen com un patró de programació que combina dades d’entrada per aconseguir la variable de reducció com a resultat. Això s’aconsegueix mitjançant una tècnica assistida pel runtime system per dur a terme reduccions en la jerarquia de la memòria cau del processador, amb l’objectiu que la proposta sigui aplicable de manera universal, sense dependre del tipus de la variable a la qual es realitza la reducció, la seva mida o el patró d’accés. A nivell de programari, es realitza una extensió del model de programació per facilitar que el programador especifiqui les variables de les reduccions que usaran les tasques, així com el nivell de memòria cau desitjat on s’hauria de realitzar una certa reducció. El compilador font a font (compilador source-to-source) i el runtime system s’amplien per traduir i passar aquesta informació al maquinari subjacent. A nivell de maquinari, les memòries cau privades i compartides s’equipen amb unitats funcionals i la lògica corresponent per poder dur a terme les reduccions a la pròpia memòria cau, evitant així moviments de dades innecessaris entre el nucli del processador i la jerarquia de memòria. La tercera contribució proporciona un esquema de priorització assistit pel runtime System per peticions de memòria dins de la jerarquia de memòria del xip. La proposta es basa en la noció de camí crític en el context dels codis paral·lels i en el fet conegut que l’acceleració de les tasques que formen part del camí crític redueix el temps d’execució de l’aplicació sencera. En el context d’aquest treball, la criticitat de les tasques s’observa al nivell del seu tipus ja que permet que el programador les indiqui mitjançant anotacions senzilles. L’acceleració de les tasques crítiques s’aconsegueix prioritzant les corresponents peticions de memòria dins el microprocessador

Metodologia de monitorização do envelhecimento para aplicações de auto-teste embutido

Dissertação de mestrado, Engenharia Eléctrica e Electrónica, Instituto Superior de Engenharia, Universidade do Algarve, 2013The high integration level achieved as well as complexity and performance enhancements in new nanometer technologies make IC (Integrated Circuits) products very difficult to test. Moreover, long term operation brings aging cumulative degradations, due to new processes and materials that lead to emerging defect phenomena and the consequence are products with increased variability in their behaviour, more susceptible to delay-faults and with a reduced expected lifecycle. The main objectives of this thesis are twofold, as explained in the following. First, a new software tool is presented to generate HDL (Hardware Description Language) for BIST (Built-In Self-Test) structures, aiming delay-faults, and inserted the new auto-test functionality in generic sequential CMOS circuits. The BIST methodology used implements a scan based BIST approach, using a new BIST controller to implement the Launch-On-Shift (LOS) and Launch-On-Capture (LOC) delay-fault techniques. Second, it will be shown that multi-VDD tests in circuits with BIST infra-structures can be used to detect gross delay-faults during on-field operations, and consequently can be used as an aging sensor methodology during circuits’ lifecycle. The discrete set of multi-VDD BIST sessions generates a Voltage Signature Collection (VSC) and the presence of a delay-fault (or a physical defect) modifies the VSC collection, allowing the aging sensor capability. The proposed Design for Testability (DFT) method and tool are demonstrated with extensive SPICE simulation using three ITC’99 benchmark circuits.O elevado nível de integração atingida, complexidade, assim como performances melhoradas em novas tecnologias nanométricas tornam os produtos em circuitos integrados tecnológicos muito difíceis de testar. Para além disso, a operação a longo prazo produz degradações cumulativas pelo envelhecimento dos circuitos, devido a novos processos e materiais que conduzem a novos defeitos e a consequência são produtos com maior variabilidade no seu funcionamento, mais susceptíveis às faltas de atraso e com um tempo de vida menor. Os principais objectivos desta tese são dois, como explicado em seguida. Primeiro, é apresentada uma nova ferramenta de software para gerar estruturas de auto-teste integrado (BIST, Built-In Self-Test) descritas em linguagens de descrição de hardware (HDL, Hardware Description Language), com o objectivo de detectar faltas de atraso, e inserir a nova funcionalidade de auto-teste em circuitos genéricos sequenciais CMOS. A metodologia de BIST utilizada implementa um procedimento baseado em caminhos de deslocamento, utilizando um novo controlador de BIST para implementar técnicas de faltas de atraso, como Launch-On-Shift (LOS) e Launch-On-Capture (LOC). Segundo, irá ser mostrado que testes multi-VDD em circuitos com infra-estruturas de BIST podem ser usados para detectar faltas de atraso grosseiras durante a operação no terreno e, consequentemente, pode ser usado como uma metodologia de sensor de envelhecimento durante o tempo de vida dos circuitos. Um número discreto de sessões BIST multi-VDD geram uma Colecção de Assinaturas de Tensão (Voltage Signature Collection, VSC) e a presença de uma falta de atraso (ou um defeito físico) faz modificar a colecção VSC, comportando-se como sensor de envelhecimento. O trabalho foi iniciado com o estudo do estado da arte nesta área. Assim, foram estudadas e apresentadas no capítulo 2 as principais técnicas de DfT (Design for Testability) disponíveis e utilizadas pela indústria, nomeadamente, as técnicas de SP (Scan Path), de BIST e as técnicas de scan para delay-faults, LOS e LOC. No capítulo 3, ainda referente ao estudo sobre o estado da arte, é apresentado o estudo sobre os fenómenos que provocam o envelhecimento dos circuitos digitais, nomeadamente o NBTI (Negative Bias Temperature Instability), que é considerado o factor mais relevante no envelhecimento de circuitos integrados (especialmente em nanotecnologias). Em seguida, iniciou-se o desenvolvimento do primeiro objectivo. Relativamente a este assunto, começou-se por definir qual o comportamento das estruturas de BIST e como se iriam interligar. O comportamento foi descrito, bloco a bloco, em VHDL comportamental, ao nível RTL (Register Transfer Level). Esta descrição foi então validada por simulação, utilizando a ferramenta ModelSim. Posteriormente, esta descrição comportamental foi sintetizada através da ferramenta Synopsys, com a colaboração do INESC-ID em Lisboa (instituição parceira nestes trabalhos de investigação), e foi obtida uma netlist ao nível de porta lógica, que foi guardada utilizando a linguagem de descrição de hardware Verilog. Assim, obtiveram-se dois tipos de descrição dos circuitos BIST: uma comportamental, em VHDL, e outra estrutural, em Verilog (esta descrição estrutural em Verilog irá permitir, posteriormente, fazer a simulação e análise de envelhecimento). A nova estrutura de BIST obtida é baseada no modelo clássico de BIST, mas apresenta algumas alterações, nomeadamente ao nível da geração de vectores de teste e no controlo e aplicação desses vectores ao circuito. Estas modificações têm como objectivo aumentar a detecção de faltas e permitir o teste de faltas de atraso. É composto por três blocos denominados LFSRs (Linear Feedback Shift Registers), um utilizado para gerar os vectores pseudo-aleatórios para as entradas primárias do circuito, outro para gerar os vectores para a entrada do scan path, e o último utilizado como contador para controlar o número de bits introduzidos no scan path. Relativamente ao controlador, este foi especificamente desenhado para controlar um teste com estratégia de test-per-scan (ou seja, um teste baseado no caminho de varrimento existente no circuito) e tem uma codificação de estados que permite implementar as estratégias de teste de faltas de atraso, Launch-On-Shift (LOS) e Launch-On-Capture (LOC). Na secção de saída do novo modelo de BIST, o processo de compactação usa o mesmo princípio do modelo tradicional, utilizando neste caso um MISR (Multiple Input Signature Register). Ainda relativamente ao primeiro objectivo, seguiu-se o desenvolvimento da ferramenta BISTGen, para automatizar a geração das estruturas de BIST atrás mencionadas, nos dois tipos de descrição, e automaticamente inserir estas estruturas num circuito de teste (CUT, Circuit Under Test). A aplicação de software deve permitir o manuseamento de dois tipos de informação relativa ao circuito: descrição do circuito pelo seu comportamento, em VHDL, e descrição do circuito pela sua estrutura, em Verilog. Deve ter como saída a descrição de hardware supra citada, inserindo todos os blocos integrantes da estrutura num só ficheiro, contendo apenas um dos tipos de linguagem (Verilog ou VHDL), escolhida previamente pelo utilizador. No caso dos LFSRs e do MISR, o programa deve permitir ao utilizador a escolha de LFSRs do tipo linear ou do tipo modular (também conhecidos por fibonacci ou galois), e deve também possuir suporte para automaticamente seleccionar de uma base de dados quais as realimentações necessárias que conduzem à definição do polinómio primitivo para o LFSR. Será necessário ainda criar uma estrutura em base de dados para gerir os nomes e o número de entradas e saídas do circuito submetido a teste, a que chamamos CUT, de forma a simplificar o processo de renomeação que o utilizador poderá ter de efectuar. Dar a conhecer ao programa os nomes das entradas e saídas do CUT é de relevante importância, uma vez que a atribuição de nomes para as entradas e saídas pode vir em qualquer língua ou dialecto, não coincidindo com os nomes padrão normalmente atribuídos. Relativamente às duas linguagens que o programa recebe através do CUT na sua entrada, no caso VHDL após inserir BIST o ficheiro final terá sempre uma estrutura semelhante, qualquer que seja o ficheiro a ser tratado, variando apenas com o hardware apresentado pelo CUT. No entanto, para o caso Verilog a situação será diferente, uma vez que o programa tem de permitir que o ficheiro final gerado possa surgir de duas formas dependendo da escolha desejada. A primeira forma que o software deve permitir para o caso Verilog é gerar um ficheiro contendo módulos, de uma forma semelhante ao que acontece no caso VHDL. No entanto, deve permitir também a obtenção, caso o utilizador solicite, de um ficheiro unificado, sem sub-módulos nos blocos, para que o ficheiro final contenha apenas uma única estrutura, facilitando a sua simulação e análise de envelhecimento nas etapas seguintes. Relativamente ao segundo objectivo, com base no trabalho anterior já efectuado em metodologias para detectar faltas de delay em circuitos com BIST, foi definida uma metodologia de teste para, durante a vida útil dos circuitos, permitir avaliar como vão envelhecendo, tratando-se assim de uma metodologia de monitorização de envelhecimento para circuitos com BIST. Um aspecto fundamental para a realização deste segundo objectivo é podermos prever como o circuito vai envelhecer. Para realizar esta tarefa, sempre subjectiva, utilizou-se uma ferramenta desenvolvida no ISE-UAlg em outra tese de mestrado anterior a esta, a ferramenta AgingCalc. Esta ferramenta inicia-se com a definição, por parte do utilizador, das probabilidades de operação das entradas primárias do circuito (probabilidades de cada entrada estar a ‘0’ ou a ‘1’). De notar que este é o processo subjectivo existente na análise de envelhecimento, já que é impossível prever como um circuito irá ser utilizado. Com base nestas probabilidades de operação, o programa utiliza a estrutura do circuito para calcular, numa primeira instância, as probabilidades dos nós do circuito estarem a ‘0’ ou a ‘1’, e numa segunda instância as probabilidades de cada transístor PMOS estar ligado e com o seu canal em stress (com uma tensão negativa aplicada à tensão VGS e um campo eléctrico aplicado ao dieléctrico da porta). Utilizando fórmulas definidas na literatura para modelação do parâmetro Vth (tensão limiar de condução) do transístor de acordo com um envelhecimento produzido pelo efeito NBTI (Negative Bias Temperature Instability), o programa calcula, para cada ano ou tempo de envelhecimento a considerar, as variações ocorridas no Vth de cada transístor PMOS, com base nas probabilidades e condições de operação previamente definidas, obtendo um novo Vth para cada transístor (os valores prováveis para os transístores envelhecidos). Em seguida, o programa instancia o simulador HSPICE para simular as portas lógicas do circuito, utilizando uma descrição que contém os Vth calculados. Esta simulação permite calcular os atrasos em cada porta para cada ano de envelhecimento considerado, podendo em seguida calcular e obter a previsão para o envelhecimento de cada caminho combinatório do circuito. É de notar que, embora a previsão de envelhecimento seja subjectiva, pois depende de uma previsão de operação, é possível definir diferentes probabilidades de operação de forma a estabelecer limites prováveis para o envelhecimento de cada caminho. Tendo uma ferramenta que permite prever como o circuito irá envelhecer, é possível utilizá-la para modificar a estrutura do circuito e introduzir faltas de delay produzidas pelo envelhecimento por NBTI ao longo dos anos de operação (modelados pelo Vth dos transístores PMOS). Assim, no capítulo 5 irá ser mostrado que testes multi-VDD em circuitos com infra-estruturas de BIST podem ser usados para detectar faltas de atraso grosseiras durante a operação no terreno, podendo em alguns casos identificar variações provocadas pelo envelhecimento em caminhos curtos, e consequentemente, estes testes podem ser usados como uma metodologia de sensor de envelhecimento durante o tempo de vida dos circuitos. Um número discreto de sessões BIST multi-VDD geram uma Colecção de Assinaturas de Tensão (Voltage Signature Collection, VSC) e a presença de uma falta de atraso (ou um defeito físico) faz modificar a colecção VSC, comportando-se como sensor de envelhecimento. O objectivo será, especificando, fazer variar a tensão de alimentação, baixando o seu valor dentro de um determinado intervalo e submetendo o circuito a sucessivas sessões de BIST para cada valor de tensão, até que o circuito retorne uma assinatura diferente da esperada. Este procedimento de simulação será feito para uma maturidade de até 20 anos, podendo o incremento não ser unitário. Na realidade os circuitos nos primeiros anos de vida em termos estatísticos não sofrem envelhecimento a ponto de causar falhas por esse efeito. As falhas que podem acelerar o processo de envelhecimento estão relacionadas com defeitos significativos no processo de fabrico mas que ainda assim não são suficientes para no início do seu ciclo de vida fazer o circuito falhar, tornando-se efectivas após algum tempo de utilização. Os métodos e ferramentas propostos de DfT são demonstrados com extensas simulações VHDL e SPICE, utilizando circuitos de referência

Combining SOA and BPM Technologies for Cross-System Process Automation

This paper summarizes the results of an industry case study that introduced a cross-system business process automation solution based on a combination of SOA and BPM standard technologies (i.e., BPMN, BPEL, WSDL). Besides discussing major weaknesses of the existing, custom-built, solution and comparing them against experiences with the developed prototype, the paper presents a course of action for transforming the current solution into the proposed solution. This includes a general approach, consisting of four distinct steps, as well as specific action items that are to be performed for every step. The discussion also covers language and tool support and challenges arising from the transformation

Reconfigurable Computing Based on Commercial FPGAs. Solutions for the Design and Implementation of Partially Reconfigurable Systems = Computación reconfigurable basada en FPGAs comerciales. Soluciones para el diseño e implementación de sistemas parcialmente reconfigurables.

Esta tesis doctoral está enmarcada en el campo de investigación de la computación reconfigurable. Este campo ha experimentado un crecimiento abrumador en los últimos años como resultado de la evolución de los dispositivos reconfigurables, donde las Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) son el máximo exponente desde el punto de vista comercial. De forma tradicional las empresas de electrónica han seleccionado las FPGAs como prototipos iníciales de productos de altas prestaciones. Luego el sistema final es integrado en Application Specific Integrated Circuits (ASICs) que se producen en grandes volúmenes perimiendo amortiza su alto coste de diseño y producción y aprovechando la ventaja del bajo coste por unidad. Por otro lado, los DSPs (Digital Signal Processing) y los microprocesadores han sido preferidos por su bajo coste ante las FPGAs el campo de los dispositivos con menores requisitos de cómputo. En los últimos años, este panorama está sufriendo una serie de cambios. Ahora el mercado busca mas soluciones “reconfigurables” ya que permiten reducir el tiempo de salida del producto al mercado (time-to-market), aumentar el tiempo del producto en el mercado (time-in-market) y además cubren los amplios requisitos de cómputo. El cambio que se observa, se debe a que los dispositivos programables han evolucionado de simples estructuras programables a complejas plataformas reconfigurables. Las FPGAs del estado de la técnica han alcanzado un grado de integración muy alto y además ahora contienen, dentro de su arquitectura programable, microprocesadores y lógica específica de procesamiento digital de señal. Otro factor sumamente importante para el cambio es que las FPGAs permiten el diseño de dispositivos cuyo hardware pueden ser adaptado, o actualizado, una vez que el producto ya esta entregado e instalado, obteniendo así una flexibilidad en el hardware comparable con la del software, donde la actualización postventa de los sistemas es una práctica muy explotada de cara a la reducción de costes y la salida rápida al mercado. Por otro lado, y sobre todo en el ámbito académico, existen dispositivos reconfigurables con distinta granularidad que permites alcanzar altas prestaciones en comparación con las FPGAs comerciales de grano fino (comparable con la de los ASICs), pero están restringidas a una aplicación o grupo de aplicaciones. A pesar de que los dispositivos reconfigurables propietarios ofrecen muchas ventajas, esta opción ha sido descartada en la presente tesis debido a que, desde el punto de vista industrial requieren, aparte del diseño del ASIC reconfigurable, el desarrollo de un entorno de diseño completo. Todo esto conlleva a un elevado coste de recursos, además del alejamiento de las propuestas de la industria. La presente tesis se ha centrado en proporcionar soluciones para dispositivos comerciales, FPGAs de grano fino, con la finalidad de aprovechar las herramientas existentes y mantener las soluciones propuestas lo más cerca posible de la industria. Los dispositivos reconfigurables proporcionan diversos métodos de reconfiguración, siendo el más atractivo la reconfiguración parcial y dinámica, ya que permite adaptar el dispositivo sin interrumpir su funcionamiento y crear dispositivos auto-adaptables. Este tipo de reconfiguración será el objeto de estudio de la tesis doctoral. La reconfiguración parcial permite tener una serie de tareas hardware (módulos que se ubican en la estructura reconfigurable) ejecutándose paralelamente en la FPGA y sustituir un bloque por otro, dependiendo de las necesidades del sistema, sin alterar el funcionamiento del resto de bloques. Esta idea básica en teoría brinda la flexibilidad del software al hardware, que combinado con su paralelismo implícito hace del sistema reconfigurable una potente herramienta que puede dar pie a la creación de sistemas adaptables o incluso autoadaptativos, supercomputadores reconfigurables y hardware bio-inspirado entre otros. Por otro lado, a pesar que algunos proveedores de FPGAs permiten la reconfiguración parcial, el uso de esta técnica aún está restringido al ámbito académico y a sistemas muy básicos. El trabajo de investigación descrito dentro de la presente tesis doctoral ha tenido por objeto el estudio de diversos aspectos de los sistemas parcialmente reconfigurables, la identificación de las principales deficiencias de las soluciones existentes y la propuesta de nuevas soluciones originales. Como resultado del estudio del estado del arte se ha visto que las soluciones existentes son poco flexibles y la escalabilidad de los sistemas que se pueden diseñar es reducida. Por ello las propuestas originales de esta tesis tienen como objetivo permitir el diseño e implementación de sistemas parcialmente reconfigurables con alta escalabilidad y flexibilidad. La tesis principal del trabajo de investigación ha sido basada en la idea que para obtener una mayor flexibilidad de los sistemas se debe desligar el diseño del sistema reconfigurable del diseño de los cores que serán consumidos por dicho sistema. La tesis doctoral ha contribuido proponiendo mejores soluciones a nivel de arquitectura, flujos de diseño y herramientas que han permitido el diseño e implementación de diversos sistemas parcialmente reconfigurables con distinto grado de flexibilidad y escalabilidad. La flexibilidad y la escalabilidad son términos que en los sistemas reconfigurables se pueden asociar a diversos aspectos. Dentro de esta tesis la flexibilidad está asociada principalmente a la diversidad de cores o tareas hardware que pueden ser consumidos o integrados en un sistema ya definido, mientras que la escalabilidad está referida al número de cores que pueden coexistir en el sistema y ser reconfigurados independientemente. Para poder diseñar sistemas flexibles y escalables, estas características deben estar cubiertas en distintos niveles. Más en detalle dentro de la presente tesis, desde el punto de vista de la arquitectura, la flexibilidad está cubierta por la posibilidad de posicionar libremente cores en una arquitectura escalable predefinida. Desde el punto de vista del sistema, la flexibilidad está reflejada por la posibilidad de no sólo de modificar o reconfigurar un core del sistema hardware, sino también de modificar las comunicaciones internas del mismo. Desde el punto de vista del dispositivo, la flexibilidad está garantizada por la transparencia en el proceso de reconfiguración. Por último, la flexibilidad en el proceso de diseño está cubierta por la definición de herramientas y flujos de diseño que permiten por un lado desligar el diseño del sistema reconfigurable del diseño de los cores para el sistema, y por otro lado que diseñadores sin conocimientos detallados de reconfiguración parcial puedan diseñar cores. Dentro de la tesis doctoral se presentan cuatro dispositivos reconfigurable integrados en distintos entornos y con distinto grado de flexibilidad que corresponde al grado de aprovechamiento de las aportaciones originales de la tesis. Las principales aportaciones de la tesis doctoral, relacionadas a cada uno de los aspectos mencionados en el párrafo anterior, y tratados en distintas partes de la tesis se resumen a continuación destacando en la medida de lo posible las diferencias con respecto al estado del arte: Se ha definido una metodología de diseño de Arquitecturas Virtuales (abstracción de la arquitectura física de la FPGA que incluye la distribución de los recursos programables en slots y la forma de interconexión de los slots). La metodología, propuesta originalmente en esta tesis, permite el diseño de sistemas reconfigurables con alta flexibilidad y escalabilidad comparadas con el estado del arte. Una solución a la adaptación de las comunicaciones internas en los sistemas reconfigurables llamada DRNoC (Dynamic Reconfigurable NoC). La solución original abarca diversos aspectos e incluye la definición de una arquitectura de interconexión para los sistemas reconfigurables basada en redes en chip (Network on Chip - NoC), la definición de métodos de reconfiguración y el direccionamiento interno del sistema, y de forma más específica para las comunicaciones basadas en redes, la definición de un formato de tramas y la arquitectura de los enrutadores. La principal diferencia de la solución propuesta con el estado del arte es que DRNoC no restringe la comunicación únicamente a NoCs y permite la definición de cualquier tipo de esquema de comunicación (NoC, punto a punto, punto a multipunto, bus, o una combinación de las anteriores) y además, permite que varios esquemas de comunicación coexistan en el mismo sistema y que funcionen de forma independiente. De esta forma la solución propuesta brinda una mayor flexibilidad que las ya existentes. Se ha propuesto una solución para la manipulación de los ficheros de configuración para las FPGA del tipo Virtex II/Pro que es la más completa comparada con el estado del arte. Asimismo, una serie de herramientas que permiten la generación y extracción de cores para sistemas reconfigurables basados en FPGA Virtex II que ha sido la primera solución existente para estas FPGA. Un flujo de diseño para cores basado en plantillas que permite el diseño de cores hardware sin ser un experto en reconfiguración parcial y sin conocer los detalles del sistema final en el que se implementará el core. El diseño, implementación y prueba de un sistema parcialmente reconfigurable basado en FPGAs comerciales de grano fino para redes de sensores. La primera aproximación existente en el estado del arte al uso de los sistemas parcialmente reconfigurables en las redes de sensores. La integración de un sistema reconfigurable en un entorno cliente-servidor que incluye un original sistema de control de la reconfiguración. Una solución para la depuración de los sistemas reconfigurables. Un sistema de emulación y prototipado rápido de las comunicaciones dentro de un chip basado originalmente en la idea de la reutilización de cores hardware por medio de la técnica de reconfiguración parcial. Como conclusión global del trabajo de investigación realizado cabe destacar que la presente tesis ha dado lugar a la creación y consolidación de una línea de investigación en el grupo de electrónica digital del Centro de Electrónica Industrial que actualmente se encuentra entre las más activas y de mayor importancia. Además, el trabajo de investigación y la divulgación de las aportaciones originales han permitido que el centro de investigación pase a formar parte del estado del arte de los sistemas parcialmente reconfigurables. The thesis is enclosed in the research area of reconfigurable computing which, in the last years, has experienced a remarkable growth as a result of the impressive evolution of reconfigurable devices. In this area, Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) are the most outstanding representative from the commercial point of view. Traditionally FPGAs have been used for prototyping, in previous to the final Application Specific Integrated Circuit (ASIC) design stages. However, the interest in the integration of FPGAs in final products has been growing in the last years. FPGAs are preferred for small production volumes, where the ASIC masks high cost is unaffordable and also in products where time-to-market is a priority, and waiting for a complete ASIC design cycle is not desirable. State of the art FPGAs are highly integrated electronic circuits, composed of tens of millions of system gates, with competitive speed, performance and configurability. These devices have evolved from simple gate arrays to complex platforms that include embedded memory, multipliers and even microprocessors and digital signal processing elements. Additionally, the fine grain nature of the reconfigurable arrays, make FPGAs suitable for a broad set of application domains. On the other side, and mostly in the academic community, there are custom reconfigurable devices with different granularity levels that permit to achieve higher performance, compared to commercial FPGAs, but for a certain application domain. Although there are very good solutions in the academic state of the art, their main drawback from the industry point of view is that they require specific design environments and also, that the efforts and resources needed for designing such solutions are very high. This thesis work is focused on providing solutions that target commercial fine grain reconfigurable devices, FPGAs, in order to take advantage of existing tools and to keep the proposed solutions closer to the industry. Today FPGAs provide different reconfiguration options. Among them, the most challenging one is partial reconfiguration. This feature has special interest, as it permits system updates on the fly once the device is deployed, without the need of stopping it and without theoretical loss of performance. Partial reconfiguration is also an attractive feature because it permits to allocate different tasks/cores running in parallel in the device and change them on the fly as needed without disturbing other tasks/cores. This basic idea, brings software-like flexibility to hardware which, in combination with its inherited parallelism, opens the door for a broad amount of possibilities and applications, like runtime adaptive super-computing, adaptive embedded software ii accelerators, bio-inspired, self-reconfigurable and self-arrangeable systems. However, even though some commercial FPGAs provide partial reconfiguration features, its utilization is still in its early stages and it is not well supported by FPGA vendors, making its exploitation in real electronic systems very difficult. Therefore, there are several academic groups working to provide alternative solutions for the design and implementation of partially reconfigurable systems based on commercial FPGAs that intend to stimulate their integration and use in the industry. This research work intents to study different aspects of partially reconfigurable system on-chip and contribute with flexibility improvements. The main idea that will be followed along the thesis is that the design of reconfigurable systems will be considered an independent process from the design of cores that will be consumed by the system. This approach involves the design of flexible and scalable partial runtime reconfigurable systems, where most of the thesis contribution will be focused. More in detail, this thesis will contribute to improve architecture solutions, design tools and design flows of partially reconfigurable systems for commercial FPGAs and provide systems with higher flexibility and scalability. Flexibility and scalability in a reconfigurable system are terms that can be related to several aspects. In this thesis flexibility is mainly related to the diversity of tasks or cores a system can consume, while scalability is connected to the number of cores that can run in parallel and be independently reconfigured. Flexibility and scalability have to be covered by the system at different levels and the work presented in this thesis will contribute in all the specific levels. More in detail, from an architectural point of view, flexibility is reflected by the possibility of freely loading tasks or cores in a defined, scalable architecture. From the system point of view, flexibility is related to the possibility of modifying not only the system functionality by loading different tasks, but also to adapt the on-chip communications. From the device point of view, flexibility is reflected by the reconfiguration process transparency and, from the design point of view, it is oriented to the definition of design tools and flows that will permit, as far as possible, non specialized designers to design cores for a partially reconfigurable system and without knowing the system details. All the original proposed solutions, in each individual aspect, will be compared with the state of the art and complete systems solutions will be designed and will be integrated in different application domains in order to validate the thesis proposals. In order to achieve better understanding of the thesis and to facilitate the comparison with some, selected, related work, the thesis structure is not traditional. Instead of including a state of the art and a result Chapter, each Chapter is focused on a specific aspect of partially reconfigurable system design and includes state of the art and result sections. The first chapter, Chapter 1, introduces the main concepts to be used in the thesis. Chapter 2 is focused on reconfigurable systems architectures, contributing with architecture solutions and a design method. Chapter 3 proposes a solution that enhances the features of the architectures defined in Chapter 2, and provides more flexibility to the entire system by extending reconfiguration to the on-chip communication. Chapter 4 is related to the design flows and tools, where contributions are made in both aspects and the proposed solutions are compared with the state of the Abstract and Thesis Organization iii art. Complete systems, with different independency levels, are presented in Chapter 5 in order to validate the thesis contributions. Conclusions, a summary of contributions and the future work are included in Chapter 6. A more detailed description of each Chapter content is presented below: Chapter 1 provides an introduction to the reconfigurable systems based on FPGAs topic, by first defining the place of FPGAs in the electronic industry and afterwards, introducing the main concepts to be used along the thesis. Although the focus is put on commercial reconfigurable devices, some custom reconfigurable systems are also described in order to have a complete view of the options in reconfigurable devices. The Chapter discuses the thesis main topic, related to partial runtime reconfigurable systems, highlighting its main advantages and disadvantages and, introducing some of the approaches to be followed in this thesis. The main term introduced in this Chapter, associated to reconfigurable systems architectures, is ”Virtual Architecture”. The term defines the architecture of the partially reconfigurable system and how the different regions it is composed of are interconnected. A brief summary of the thesis main goals is included at the end of the Chapter. The main topic of Chapter 2 is related to reconfigurable systems architectures design. The Chapter includes a specific state of the art section that reviews some existing architecture solutions. After that, a general method for virtual architectures design, an original thesis contribution, is presented in detail. Afterwards, the method is applied to the design of general one dimensional (1D) and two dimensional (2D) architectures for Xilinx Virtex II/Pro FPGAs and, as an example, following the specific steps of the method, two 1D, bus based, architectures are designed. The architecture buses are compared with two state of the art solutions in terms of area and performance in the results section of the same Chapter. Chapter 3 is focused on reconfigurable systems on-chip communication issues, where the need of adaptability is the main topic. Again, a state of the art description of some 2D reconfigurable systems is presented at the beginning of the Chapter and, afterwards, an original solution, called Dynamic Reconfigurable NoC (DRNoC), is proposed. This solution covers different aspects. First, an architecture oriented to support adaptability in the on-chip communications is originally proposed. The architecture is mapped to a Virtex II FPGA by modifying a virtual architecture from the general ones presented in Chapter 2. Second, two types of reconfigurations that span through different levels of the OSI communication model are originally proposed. Third, a set of Network on Chip models, focused on the communication adaptability are designed and/or adapted and presented in the Chapter, along with an original NoC packet format and router architecture. These models are mapped to the DRNoC architecture and implementation cost parameters are defined and used to evaluate different implementation options. Regarding the architecture reconfigurability, it is important to remark that along the entire Chapter, intermediate test of possible partial reconfigurations and test results are included. At the end of the Chapter, the proposed architecture is compared with the state of the art using a set of structural parameters taken from a reference work and complemented with others defined in the Chapter. Chapter 4, focuses on the design tools and flows for partially reconfigurable systems. Again, an overview of the state of the art is included at the beginning of the Chapter. Abstract and Thesis Organization iv Afterwards, an original software solution for Virtex II configuration files (bitstreams) manipulations is presented. The first part of the solution is a study of the Virtex II/Pro FPGA bitstream format, used to define a set of equations for accessing a specific bitstream resource (at register or block level). Based on these equations, a set of tools for bitstream manipulation that target resource restricted devices are originally presented. Also, a design flow, based on systems and virtual architectures templates, which permits a straightforward core design by non partial reconfiguration experts and without knowing the system details, is originally proposed. In Chapter 5 four reconfigurable systems with different flexibility level, which corresponds to the level of the thesis proposals exploitation, are presented. The selected application domains attempt to demonstrate different advantages of the use of partial runtime reconfigurable systems and therefore are mainly a proof of concept. The first domain belongs to the wireless sensor networks, where t