Standart-konformes Snapshotting für SystemC Virtuelle Plattformen

The steady increase in complexity of high-end embedded systems goes along with an increasingly complex design process. We are currently still in a transition phase from Hardware-Description Language (HDL) based design towards virtual-platform-based design of embedded systems. As design complexity rises faster than developer productivity a gap forms. Restoring productivity while at the same time managing increased design complexity can also be achieved through focussing on the development of new tools and design methodologies. In most application areas, high-level modelling languages such as SystemC are used in early design phases. In modern software development Continuous Integration (CI) is used to automatically test if a submitted piece of code breaks functionality. Application of the CI concept to embedded system design and testing requires fast build and test execution times from the virtual platform framework. For this use case the ability to save a specific state of a virtual platform becomes necessary. The saving and restoring of specific states of a simulation requires the ability to serialize all data structures within the simulation models. Improving the frameworks and establishing better methods will only help to narrow the design gap, if these changes are introduced with the needs of the engineers and developers in mind. Ultimately, it is their productivity that shall be improved. The ability to save the state of a virtual platform enables developers to run longer test campaigns that can even contain randomized test stimuli. If the saved states are modifiable the developers can inject faulty states into the simulation models. This work contributes an extension to the SoCRocket virtual platform framework to enable snapshotting. The snapshotting extension can be considered a reference implementation as the utilization of current SystemC/TLM standards makes it compatible to other frameworkds. Furthermore, integrating the UVM SystemC library into the framework enables test driven development and fast validation of SystemC/TLM models using snapshots. These extensions narrow the design gap by supporting designers, testers and developers to work more efficiently.Die stetige Steigerung der Komplexität eingebetteter Systeme geht einher mit einer ebenso steigenden Komplexität des Entwurfsprozesses. Wir befinden uns momentan in der Übergangsphase vom Entwurf von eingebetteten Systemen basierend auf Hardware-Beschreibungssprachen hin zum Entwurf ebendieser basierend auf virtuellen Plattformen. Da die Entwurfskomplexität rasanter steigt als die Produktivität der Entwickler, entsteht eine Kluft. Die Produktivität wiederherzustellen und gleichzeitig die gesteigerte Entwurfskomplexität zu bewältigen, kann auch erreicht werden, indem der Fokus auf die Entwicklung neuer Werkzeuge und Entwurfsmethoden gelegt wird. In den meisten Anwendungsgebieten werden Modellierungssprachen auf hoher Ebene, wie zum Beispiel SystemC, in den frühen Entwurfsphasen benutzt. In der modernen Software-Entwicklung wird Continuous Integration (CI) benutzt um automatisiert zu überprüfen, ob eine eingespielte Änderung am Quelltext bestehende Funktionalitäten beeinträchtigt. Die Anwendung des CI-Konzepts auf den Entwurf und das Testen von eingebetteten Systemen fordert schnelle Bau- und Test-Ausführungszeiten von dem genutzten Framework für virtuelle Plattformen. Für diesen Anwendungsfall wird auch die Fähigkeit, einen bestimmten Zustand der virtuellen Plattform zu speichern, erforderlich. Das Speichern und Wiederherstellen der Zustände einer Simulation erfordert die Serialisierung aller Datenstrukturen, die sich in den Simulationsmodellen befinden. Das Verbessern von Frameworks und Etablieren besserer Methodiken hilft nur die Entwurfs-Kluft zu verringern, wenn diese Änderungen mit Berücksichtigung der Bedürfnisse der Entwickler und Ingenieure eingeführt werden. Letztendlich ist es ihre Produktivität, die gesteigert werden soll. Die Fähigkeit den Zustand einer virtuellen Plattform zu speichern, ermöglicht es den Entwicklern, längere Testkampagnen laufen zu lassen, die auch zufällig erzeugte Teststimuli beinhalten können oder, falls die gespeicherten Zustände modifizierbar sind, fehlerbehaftete Zustände in die Simulationsmodelle zu injizieren. Mein mit dieser Arbeit geleisteter Beitrag beinhaltet die Erweiterung des SoCRocket Frameworks um Checkpointing Funktionalität im Sinne einer Referenzimplementierung. Weiterhin ermöglicht die Integration der UVM SystemC Bibliothek in das Framework die Umsetzung der testgetriebenen Entwicklung und schnelle Validierung von SystemC/TLM Modellen mit Hilfe von Snapshots

New Fault Detection, Mitigation and Injection Strategies for Current and Forthcoming Challenges of HW Embedded Designs

Tesis por compendio[EN] Relevance of electronics towards safety of common devices has only been growing, as an ever growing stake of the functionality is assigned to them. But of course, this comes along the constant need for higher performances to fulfill such functionality requirements, while keeping power and budget low. In this scenario, industry is struggling to provide a technology which meets all the performance, power and price specifications, at the cost of an increased vulnerability to several types of known faults or the appearance of new ones. To provide a solution for the new and growing faults in the systems, designers have been using traditional techniques from safety-critical applications, which offer in general suboptimal results. In fact, modern embedded architectures offer the possibility of optimizing the dependability properties by enabling the interaction of hardware, firmware and software levels in the process. However, that point is not yet successfully achieved. Advances in every level towards that direction are much needed if flexible, robust, resilient and cost effective fault tolerance is desired. The work presented here focuses on the hardware level, with the background consideration of a potential integration into a holistic approach. The efforts in this thesis have focused several issues: (i) to introduce additional fault models as required for adequate representativity of physical effects blooming in modern manufacturing technologies, (ii) to provide tools and methods to efficiently inject both the proposed models and classical ones, (iii) to analyze the optimum method for assessing the robustness of the systems by using extensive fault injection and later correlation with higher level layers in an effort to cut development time and cost, (iv) to provide new detection methodologies to cope with challenges modeled by proposed fault models, (v) to propose mitigation strategies focused towards tackling such new threat scenarios and (vi) to devise an automated methodology for the deployment of many fault tolerance mechanisms in a systematic robust way. The outcomes of the thesis constitute a suite of tools and methods to help the designer of critical systems in his task to develop robust, validated, and on-time designs tailored to his application.[ES] La relevancia que la electrónica adquiere en la seguridad de los productos ha crecido inexorablemente, puesto que cada vez ésta copa una mayor influencia en la funcionalidad de los mismos. Pero, por supuesto, este hecho viene acompañado de una necesidad constante de mayores prestaciones para cumplir con los requerimientos funcionales, al tiempo que se mantienen los costes y el consumo en unos niveles reducidos. En este escenario, la industria está realizando esfuerzos para proveer una tecnología que cumpla con todas las especificaciones de potencia, consumo y precio, a costa de un incremento en la vulnerabilidad a múltiples tipos de fallos conocidos o la introducción de nuevos. Para ofrecer una solución a los fallos nuevos y crecientes en los sistemas, los diseñadores han recurrido a técnicas tradicionalmente asociadas a sistemas críticos para la seguridad, que ofrecen en general resultados sub-óptimos. De hecho, las arquitecturas empotradas modernas ofrecen la posibilidad de optimizar las propiedades de confiabilidad al habilitar la interacción de los niveles de hardware, firmware y software en el proceso. No obstante, ese punto no está resulto todavía. Se necesitan avances en todos los niveles en la mencionada dirección para poder alcanzar los objetivos de una tolerancia a fallos flexible, robusta, resiliente y a bajo coste. El trabajo presentado aquí se centra en el nivel de hardware, con la consideración de fondo de una potencial integración en una estrategia holística. Los esfuerzos de esta tesis se han centrado en los siguientes aspectos: (i) la introducción de modelos de fallo adicionales requeridos para la representación adecuada de efectos físicos surgentes en las tecnologías de manufactura actuales, (ii) la provisión de herramientas y métodos para la inyección eficiente de los modelos propuestos y de los clásicos, (iii) el análisis del método óptimo para estudiar la robustez de sistemas mediante el uso de inyección de fallos extensiva, y la posterior correlación con capas de más alto nivel en un esfuerzo por recortar el tiempo y coste de desarrollo, (iv) la provisión de nuevos métodos de detección para cubrir los retos planteados por los modelos de fallo propuestos, (v) la propuesta de estrategias de mitigación enfocadas hacia el tratamiento de dichos escenarios de amenaza y (vi) la introducción de una metodología automatizada de despliegue de diversos mecanismos de tolerancia a fallos de forma robusta y sistemática. Los resultados de la presente tesis constituyen un conjunto de herramientas y métodos para ayudar al diseñador de sistemas críticos en su tarea de desarrollo de diseños robustos, validados y en tiempo adaptados a su aplicación.[CA] La rellevància que l'electrònica adquireix en la seguretat dels productes ha crescut inexorablement, puix cada volta més aquesta abasta una major influència en la funcionalitat dels mateixos. Però, per descomptat, aquest fet ve acompanyat d'un constant necessitat de majors prestacions per acomplir els requeriments funcionals, mentre es mantenen els costos i consums en uns nivells reduïts. Donat aquest escenari, la indústria està fent esforços per proveir una tecnologia que complisca amb totes les especificacions de potència, consum i preu, tot a costa d'un increment en la vulnerabilitat a diversos tipus de fallades conegudes, i a la introducció de nous tipus. Per oferir una solució a les noves i creixents fallades als sistemes, els dissenyadors han recorregut a tècniques tradicionalment associades a sistemes crítics per a la seguretat, que en general oferixen resultats sub-òptims. De fet, les arquitectures empotrades modernes oferixen la possibilitat d'optimitzar les propietats de confiabilitat en habilitar la interacció dels nivells de hardware, firmware i software en el procés. Tot i això eixe punt no està resolt encara. Es necessiten avanços a tots els nivells en l'esmentada direcció per poder assolir els objectius d'una tolerància a fallades flexible, robusta, resilient i a baix cost. El treball ací presentat se centra en el nivell de hardware, amb la consideració de fons d'una potencial integració en una estratègia holística. Els esforços d'esta tesi s'han centrat en els següents aspectes: (i) la introducció de models de fallada addicionals requerits per a la representació adequada d'efectes físics que apareixen en les tecnologies de fabricació actuals, (ii) la provisió de ferramentes i mètodes per a la injecció eficient del models proposats i dels clàssics, (iii) l'anàlisi del mètode òptim per estudiar la robustesa de sistemes mitjançant l'ús d'injecció de fallades extensiva, i la posterior correlació amb capes de més alt nivell en un esforç per retallar el temps i cost de desenvolupament, (iv) la provisió de nous mètodes de detecció per cobrir els reptes plantejats pels models de fallades proposats, (v) la proposta d'estratègies de mitigació enfocades cap al tractament dels esmentats escenaris d'amenaça i (vi) la introducció d'una metodologia automatitzada de desplegament de diversos mecanismes de tolerància a fallades de forma robusta i sistemàtica. Els resultats de la present tesi constitueixen un conjunt de ferramentes i mètodes per ajudar el dissenyador de sistemes crítics en la seua tasca de desenvolupament de dissenys robustos, validats i a temps adaptats a la seua aplicació.Espinosa García, J. (2016). New Fault Detection, Mitigation and Injection Strategies for Current and Forthcoming Challenges of HW Embedded Designs [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/73146TESISCompendi

Trusted SoC Realization for Remote Dynamic IP Integration

Heutzutage bieten field-programmable gate arrays (FPGAs) enorme Rechenleistung und Flexibilität. Zudem sind sie oft auf einem einzigen Chip mit eingebetteten Multicore-Prozessoren, DSP-Engines und Speicher-Controllern integriert. Dadurch sind sie für große und komplexe Anwendungen geeignet. Gleichzeitig führten die Fortschritte auf dem Gebiet der High-Level-Synthese und die Verfügbarkeit standardisierter Schnittstellen (wie etwa das Advanced eXtensible Interface 4) zur Entwicklung spezialisierter und neuartiger Funktionalitäten durch Designhäuser. All dies schuf einen Bedarf für ein Outsourcing der Entwicklung oder die Lizenzierung von FPGA-IPs (Intellectual Property). Ein Pay-per-Use IP-Lizenzierungsmodell, bei dem diese IPs vor allen Marktteilnehmern geschützt sind, kommt den Entwicklern der IPs zugute. Außerdem handelt es sich bei den Entwicklern von FPGA-Systemen in der Regel um kleine bis mittlere Unternehmen, die in Bezug auf die Markteinführungszeit und die Kosten pro Einheit von einem solchen Lizenzierungsmodell profitieren können. Im akademischen Bereich und in der Industrie gibt es mehrere IP-Lizenzierungsmodelle und Schutzlösungen, die eingesetzt werden können, die jedoch mit zahlreichen Sicherheitsproblemen behaftet sind. In einigen Fällen verursachen die vorgeschlagenen Sicherheitsmaßnahmen einen unnötigen Ressourcenaufwand und Einschränkungen für die Systementwickler, d. h., sie können wesentliche Funktionen ihres Geräts nicht nutzen. Darüber hinaus lassen sie zwei funktionale Herausforderungen außer Acht: das Floorplanning der IP auf der programmierbaren Logik (PL) und die Generierung des Endprodukts der IP (Bitstream) unabhängig vom Gesamtdesign. In dieser Arbeit wird ein Pay-per-Use-Lizenzierungsschema vorgeschlagen und unter Verwendung eines security framework (SFW) realisiert, um all diese Herausforderungen anzugehen. Das vorgestellte Schema ist pragmatisch, weniger restriktiv für Systementwickler und bietet Sicherheit gegen IP-Diebstahl. Darüber hinaus werden Maßnahmen ergriffen, um das System vor einem IP zu schützen, das bösartige Schaltkreise enthält. Das „Secure Framework“ umfasst ein vertrauenswürdiges Betriebssystem, ein reichhaltiges Betriebssystem, mehrere unterstützende Komponenten (z. B. TrustZone- Logik, gegen Seitenkanalangriffe (SCA) resistente Entschlüsselungsschaltungen) und Softwarekomponenten, z. B. für die Bitstromanalyse. Ein Gerät, auf dem das SFW läuft, kann als vertrauenswürdiges Gerät betrachtet werden, das direkt mit einem Repository oder einem IP-Core-Entwickler kommunizieren kann, um IPs in verschlüsselter Form zu erwerben. Die Entschlüsselung und Authentifizierung des IPs erfolgt auf dem Gerät, was die Angriffsfläche verringert und es weniger anfällig für IP-Diebstahl macht. Außerdem werden Klartext-IPs in einem geschützten Speicher des vertrauenswürdigen Betriebssystems abgelegt. Das Klartext-IP wird dann analysiert und nur dann auf der programmierbaren Logik konfiguriert, wenn es authentisch ist und keine bösartigen Schaltungen enthält. Die Bitstrom-Analysefunktionalität und die SFW-Unterkomponenten ermöglichen die Partitionierung der PL-Ressourcen in sichere und unsichere Ressourcen, d. h. die Erweiterung desKonzepts der vertrauenswürdigen Ausführungsumgebung (TEE) auf die PL. Dies ist die erste Arbeit, die das TEE-Konzept auf die programmierbare Logik ausweitet. Bei der oben erwähnten SCA-resistenten Entschlüsselungsschaltung handelt es sich um die Implementierung des Advanced Encryption Standard, der so modifiziert wurde, dass er gegen elektromagnetische und stromverbrauchsbedingte Leckagen resistent ist. Das geschützte Design verfügt über zwei Gegenmaßnahmen, wobei die erste auf einer Vielzahl unterschiedler Implementierungsvarianten und veränderlichen Zielpositionen bei der Konfiguration basiert, während die zweite nur unterschiedliche Implementierungsvarianten verwendet. Diese Gegenmaßnahmen sind auch während der Laufzeit skalierbar. Bei der Bewertung werden auch die Auswirkungen der Skalierbarkeit auf den Flächenbedarf und die Sicherheitsstärke berücksichtigt. Darüber hinaus wird die zuvor erwähnte funktionale Herausforderung des IP Floorplanning durch den Vorschlag eines feinkörnigen Automatic Floorplanners angegangen, der auf gemischt-ganzzahliger linearer Programmierung basiert und aktuelle FPGAGenerationen mit größeren und komplexen Bausteine unterstützt. Der Floorplanner bildet eine Reihe von IPs auf dem FPGA ab, indem er präzise rekonfigurierbare Regionen schafft. Dadurch werden die verbleibenden verfügbaren Ressourcen für das Gesamtdesign maximiert. Die zweite funktionale Herausforderung besteht darin, dass die vorhandenen Tools keine native Funktionalität zur Erzeugung von IPs in einer eigenständigen Umgebung bieten. Diese Herausforderung wird durch den Vorschlag eines unabhängigen IP-Generierungsansatzes angegangen. Dieser Ansatz kann von den Marktteilnehmern verwendet werden, um IPs eines Entwurfs unabhängig vom Gesamtentwurf zu generieren, ohne die Kompatibilität der IPs mit dem Gesamtentwurf zu beeinträchtigen

Feasibility Study of High-Level Synthesis : Implementation of a Real-Time HEVC Intra Encoder on FPGA

High-Level Synthesis (HLS) on automatisoitu suunnitteluprosessi, joka pyrkii parantamaan tuottavuutta perinteisiin suunnittelumenetelmiin verrattuna, nostamalla suunnittelun abstraktiota rekisterisiirtotasolta (RTL) käyttäytymistasolle. Erilaisia kaupallisia HLS-työkaluja on ollut markkinoilla aina 1990-luvulta lähtien, mutta vasta äskettäin ne ovat alkaneet saada hyväksyntää teollisuudessa sekä akateemisessa maailmassa. Hidas käyttöönottoaste on johtunut pääasiassa huonommasta tulosten laadusta (QoR) kuin mitä on ollut mahdollista tavanomaisilla laitteistokuvauskielillä (HDL). Uusimmat HLS-työkalusukupolvet ovat kuitenkin kaventaneet QoR-aukkoa huomattavasti. Tämä väitöskirja tutkii HLS:n soveltuvuutta videokoodekkien kehittämiseen. Se esittelee useita HLS-toteutuksia High Efficiency Video Coding (HEVC) -koodaukselle, joka on keskeinen mahdollistava tekniikka lukuisille nykyaikaisille mediasovelluksille. HEVC kaksinkertaistaa koodaustehokkuuden edeltäjäänsä Advanced Video Coding (AVC) -standardiin verrattuna, saavuttaen silti saman subjektiivisen visuaalisen laadun. Tämä tyypillisesti saavutetaan huomattavalla laskennallisella lisäkustannuksella. Siksi reaaliaikainen HEVC vaatii automatisoituja suunnittelumenetelmiä, joita voidaan käyttää rautatoteutus- (HW ) ja varmennustyön minimoimiseen. Tässä väitöskirjassa ehdotetaan HLS:n käyttöä koko enkooderin suunnitteluprosessissa. Dataintensiivisistä koodaustyökaluista, kuten intra-ennustus ja diskreetit muunnokset, myös enemmän kontrollia vaativiin kokonaisuuksiin, kuten entropiakoodaukseen. Avoimen lähdekoodin Kvazaar HEVC -enkooderin C-lähdekoodia hyödynnetään tässä työssä referenssinä HLS-suunnittelulle sekä toteutuksen varmentamisessa. Suorituskykytulokset saadaan ja raportoidaan ohjelmoitavalla porttimatriisilla (FPGA). Tämän väitöskirjan tärkein tuotos on HEVC intra enkooderin prototyyppi. Prototyyppi koostuu Nokia AirFrame Cloud Server palvelimesta, varustettuna kahdella 2.4 GHz:n 14-ytiminen Intel Xeon prosessorilla, sekä kahdesta Intel Arria 10 GX FPGA kiihdytinkortista, jotka voidaan kytkeä serveriin käyttäen joko peripheral component interconnect express (PCIe) liitäntää tai 40 gigabitin Ethernettiä. Prototyyppijärjestelmä saavuttaa reaaliaikaisen 4K enkoodausnopeuden, jopa 120 kuvaa sekunnissa. Lisäksi järjestelmän suorituskykyä on helppo skaalata paremmaksi lisäämällä järjestelmään käytännössä minkä tahansa määrän verkkoon kytkettäviä FPGA-kortteja. Monimutkaisen HEVC:n tehokas mallinnus ja sen monipuolisten ominaisuuksien mukauttaminen reaaliaikaiselle HW HEVC enkooderille ei ole triviaali tehtävä, koska HW-toteutukset ovat perinteisesti erittäin aikaa vieviä. Tämä väitöskirja osoittaa, että HLS:n avulla pystytään nopeuttamaan kehitysaikaa, tarjoamaan ennen näkemätöntä suunnittelun skaalautuvuutta, ja silti osoittamaan kilpailukykyisiä QoR-arvoja ja absoluuttista suorituskykyä verrattuna olemassa oleviin toteutuksiin.High-Level Synthesis (HLS) is an automated design process that seeks to improve productivity over traditional design methods by increasing design abstraction from register transfer level (RTL) to behavioural level. Various commercial HLS tools have been available on the market since the 1990s, but only recently they have started to gain adoption across industry and academia. The slow adoption rate has mainly stemmed from lower quality of results (QoR) than obtained with conventional hardware description languages (HDLs). However, the latest HLS tool generations have substantially narrowed the QoR gap. This thesis studies the feasibility of HLS in video codec development. It introduces several HLS implementations for High Efficiency Video Coding (HEVC) , that is the key enabling technology for numerous modern media applications. HEVC doubles the coding efficiency over its predecessor Advanced Video Coding (AVC) standard for the same subjective visual quality, but typically at the cost of considerably higher computational complexity. Therefore, real-time HEVC calls for automated design methodologies that can be used to minimize the HW implementation and verification effort. This thesis proposes to use HLS throughout the whole encoder design process. From data-intensive coding tools, like intra prediction and discrete transforms, to more control-oriented tools, such as entropy coding. The C source code of the open-source Kvazaar HEVC encoder serves as a design entry point for the HLS flow, and it is also utilized in design verification. The performance results are gathered with and reported for field programmable gate array (FPGA) . The main contribution of this thesis is an HEVC intra encoder prototype that is built on a Nokia AirFrame Cloud Server equipped with 2.4 GHz dual 14-core Intel Xeon processors and two Intel Arria 10 GX FPGA Development Kits, that can be connected to the server via peripheral component interconnect express (PCIe) generation 3 or 40 Gigabit Ethernet. The proof-of-concept system achieves real-time. 4K coding speed up to 120 fps, which can be further scaled up by adding practically any number of network-connected FPGA cards. Overcoming the complexity of HEVC and customizing its rich features for a real-time HEVC encoder implementation on hardware is not a trivial task, as hardware development has traditionally turned out to be very time-consuming. This thesis shows that HLS is able to boost the development time, provide previously unseen design scalability, and still result in competitive performance and QoR over state-of-the-art hardware implementations

SoC-FPGA-pohjainen integraatiotestausalusta

The complexity of designing SoCs is rapidly increasing and the development of software has a major impact on the overall design cost. Traditionally, the software development could only start after the hardware was complete. Prototyping has brought a left-shift to the software development flow. Prototypes are models of the hardware and they can be developed in different abstraction levels. With high abstraction level prototypes application development can start in parallel with the hardware design. As the project goes further, more accurate prototypes can be made and the software development can move down to be more hardware centric. When both hardware and software design are finished, integration testing between them needs to be done. For this, a hardware accurate prototype is needed to ensure the correct operation with the final silicon implementation. This HW/SW integration testing can be done with FPGA prototypes. The final Register Transfer Level (RTL) description is synthesized to the FPGA fabric and it is connected to a processor so the software can access the hardware under test. By using an SoC FPGA that has a processor and the FPGA in the same chip, the physical connection between the processor and the FPGA is already available, reducing the development effort required. In this thesis an SoC FPGA evaluation kit is used to build a test bench for integration testing for a project that has its RTL design complete. In the test bench, two hardware Designs Under Test (DUT) are connected to each other and additional testing blocks are connected to them: a test pattern generator, an error generator and data capture logic. The DUTs were controlled with the software drivers under test and the correctness of test data through the DUTs was observed. The test bench proved to be a viable option for integration testing. Running test cases was fast with the test bench and the test bench was built in short time , allowing an early start of integration testing after the RTL is released

Cost-Efficient Soft-Error Resiliency for ASIP-based Embedded Systems

Recent decades have witnessed the rapid growth of embedded systems. At present, embedded systems are widely applied in a broad range of critical applications including automotive electronics, telecommunication, healthcare, industrial electronics, consumer electronics military and aerospace. Human society will continue to be greatly transformed by the pervasive deployment of embedded systems. Consequently, substantial amount of efforts from both industry and academic communities have contributed to the research and development of embedded systems. Application-specific instruction-set processor (ASIP) is one of the key advances in embedded processor technology, and a crucial component in some embedded systems. Soft errors have been directly observed since the 1970s. As devices scale, the exponential increase in the integration of computing systems occurs, which leads to correspondingly decrease in the reliability of computing systems. Today, major research forums state that soft errors are one of the major design technology challenges at and beyond the 22 nm technology node. Therefore, a large number of soft-error solutions, including error detection and recovery, have been proposed from differing perspectives. Nonetheless, most of the existing solutions are designed for general or high-performance systems which are different to embedded systems. For embedded systems, the soft-error solutions must be cost-efficient, which requires the tailoring of the processor architecture with respect to the feature of the target application. This thesis embodies a series of explorations for cost-efficient soft-error solutions for ASIP-based embedded systems. In this exploration, five major solutions are proposed. The first proposed solution realizes checkpoint recovery in ASIPs. By generating customized instructions, ASIP-implemented checkpoint recovery can perform at a finer granularity than what was previously possible. The fault-free performance overhead of this solution is only 1.45% on average. The recovery delay is only 62 cycles at the worst case. The area and leakage power overheads are 44.4% and 45.6% on average. The second solution explores utilizing two primitive error recovery techniques jointly. This solution includes three application-specific optimization methodologies. This solution generates the optimized error-resilient ASIPs, based on the characteristics of primitive error recovery techniques, static reliability analysis and design constraints. The resultant ASIP can be configured to perform at runtime according to the optimized recovery scheme. This solution can strategically enhance cost-efficiency for error recovery. In order to guarantee cost-efficiency in unpredictable runtime situations, the third solution explores runtime adaptation for error recovery. This solution aims to budget and adapt the error recovery operations, so as to spend the resources intelligently and to tolerate adverse influences of runtime variations. The resultant ASIP can make runtime decisions to determine the activation of spatial and temporal redundancies, according to the runtime situations. At the best case, this solution can achieve almost 50x reliability gain over the state of the art solutions. Given the increasing demand for multi-core computing systems, the last two proposed solutions target error recovery in multi-core ASIPs. The first solution of these two explores ASIP-implemented fine-grained process migration. This solution is a key infrastructure, which allows cost-efficient task management, for realizing cost-efficient soft-error recovery in multi-core ASIPs. The average time cost is only 289 machine cycles to perform process migration. The last solution explores using dynamic and adaptive mapping to assign heterogeneous recovery operations to the tasks in the multi-core context. This solution allows each individual ASIP-based processing core to dynamically adapt its specific error recovery functionality according to the corresponding task's characteristics, in terms of soft error vulnerability and execution time deadline. This solution can significantly improve the reliability of the system by almost two times, with graceful constraint penalty, in comparison to the state-of-the-art counterparts

Implementation of a software defined radio on FPGAs using system generator

The aim of this thesis is to implement a Software Defined Radio based wireless communication system using a Xilinx Spartan 3E Field Programmable Gate Array. Software Defined Radio refers to the class of reprogrammable radios in which the same piece of hardware can perform different functions at different times. Xilinx’s System Generator for Digital Signal Processor tool is used to simulate and implement AM modulation on the Spartan 3E Starter Board. The aim of this thesis is to implement a Software Defined Radio based wireless communication system using a Xilinx Spartan 3E Field Programmable Gate Array. Software Defined Radio refers to the class of reprogrammable radios in which the same piece of hardware can perform different functions at different times. Xilinx’s System Generator for Digital Signal Processor tool is used to simulate and implement AM modulation on the Spartan 3E Starter Board

Reconfigurable Computing Systems for Robotics using a Component-Oriented Approach

Robotic platforms are becoming more complex due to the wide range of modern applications, including multiple heterogeneous sensors and actuators. In order to comply with real-time and power-consumption constraints, these systems need to process a large amount of heterogeneous data from multiple sensors and take action (via actuators), which represents a problem as the resources of these systems have limitations in memory storage, bandwidth, and computational power. Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) are programmable logic devices that offer high-speed parallel processing. FPGAs are particularly well-suited for applications that require real-time processing, high bandwidth, and low latency. One of the fundamental advantages of FPGAs is their flexibility in designing hardware tailored to specific needs, making them adaptable to a wide range of applications. They can be programmed to pre-process data close to sensors, which reduces the amount of data that needs to be transferred to other computing resources, improving overall system efficiency. Additionally, the reprogrammability of FPGAs enables them to be repurposed for different applications, providing a cost-effective solution that needs to adapt quickly to changing demands. FPGAs' performance per watt is close to that of Application-Specific Integrated Circuits (ASICs), with the added advantage of being reprogrammable. Despite all the advantages of FPGAs (e.g., energy efficiency, computing capabilities), the robotics community has not fully included them so far as part of their systems for several reasons. First, designing FPGA-based solutions requires hardware knowledge and longer development times as their programmability is more challenging than Central Processing Units (CPUs) or Graphics Processing Units (GPUs). Second, porting a robotics application (or parts of it) from software to an accelerator requires adequate interfaces between software and FPGAs. Third, the robotics workflow is already complex on its own, combining several fields such as mechanics, electronics, and software. There have been partial contributions in the state-of-the-art for FPGAs as part of robotics systems. However, a study of FPGAs as a whole for robotics systems is missing in the literature, which is the primary goal of this dissertation. Three main objectives have been established to accomplish this. (1) Define all components required for an FPGAs-based system for robotics applications as a whole. (2) Establish how all the defined components are related. (3) With the help of Model-Driven Engineering (MDE) techniques, generate these components, deploy them, and integrate them into existing solutions. The component-oriented approach proposed in this dissertation provides a proper solution for designing and implementing FPGA-based designs for robotics applications. The modular architecture, the tool 'FPGA Interfaces for Robotics Middlewares' (FIRM), and the toolchain 'FPGA Architectures for Robotics' (FAR) provide a set of tools and a comprehensive design process that enables the development of complex FPGA-based designs more straightforwardly and efficiently. The component-oriented approach contributed to the state-of-the-art in FPGA-based designs significantly for robotics applications and helps to promote their wider adoption and use by specialists with little FPGA knowledge