System-on-Chip design of a high performance low power full hardware cabac encoder in H.264/AVC

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH

Decoder Hardware Architecture for HEVC

This chapter provides an overview of the design challenges faced in the implementation of hardware HEVC decoders. These challenges can be attributed to the larger and diverse coding block sizes and transform sizes, the larger interpolation filter for motion compensation, the increased number of steps in intra prediction and the introduction of a new in-loop filter. Several solutions to address these implementation challenges are discussed. As a reference, results for an HEVC decoder test chip are also presented.Texas Instruments Incorporate

Algorithms for compression of high dynamic range images and video

The recent advances in sensor and display technologies have brought upon the High Dynamic Range (HDR) imaging capability. The modern multiple exposure HDR sensors can achieve the dynamic range of 100-120 dB and LED and OLED display devices have contrast ratios of 10^5:1 to 10^6:1. Despite the above advances in technology the image/video compression algorithms and associated hardware are yet based on Standard Dynamic Range (SDR) technology, i.e. they operate within an effective dynamic range of up to 70 dB for 8 bit gamma corrected images. Further the existing infrastructure for content distribution is also designed for SDR, which creates interoperability problems with true HDR capture and display equipment. The current solutions for the above problem include tone mapping the HDR content to fit SDR. However this approach leads to image quality associated problems, when strong dynamic range compression is applied. Even though some HDR-only solutions have been proposed in literature, they are not interoperable with current SDR infrastructure and are thus typically used in closed systems. Given the above observations a research gap was identified in the need for efficient algorithms for the compression of still images and video, which are capable of storing full dynamic range and colour gamut of HDR images and at the same time backward compatible with existing SDR infrastructure. To improve the usability of SDR content it is vital that any such algorithms should accommodate different tone mapping operators, including those that are spatially non-uniform. In the course of the research presented in this thesis a novel two layer CODEC architecture is introduced for both HDR image and video coding. Further a universal and computationally efficient approximation of the tone mapping operator is developed and presented. It is shown that the use of perceptually uniform colourspaces for internal representation of pixel data enables improved compression efficiency of the algorithms. Further proposed novel approaches to the compression of metadata for the tone mapping operator is shown to improve compression performance for low bitrate video content. Multiple compression algorithms are designed, implemented and compared and quality-complexity trade-offs are identified. Finally practical aspects of implementing the developed algorithms are explored by automating the design space exploration flow and integrating the high level systems design framework with domain specific tools for synthesis and simulation of multiprocessor systems. The directions for further work are also presented

The Application Of RISC Processors To Training Simulators

Report on a study of the utility of reduced instruction set computer processors as the control computers in a training simulator. Report includes a master\u27s thesis on detailed hardware design for interfacing transputer hardware to the NeXT computer

Predictable mapping of streaming applications on multiprocessors

Het ontwerp van nieuwe consumentenelektronica wordt voortdurend complexer omdat er steeds meer functionaliteit in deze apparaten ge¨integreerd wordt. Een voorspelbaar ontwerptraject is nodig om deze complexiteit te beheersen. Het resultaat van dit ontwerptraject zou een systeem moeten zijn, waarin iedere applicatie zijn eigen taken binnen een strikte tijdslimiet kan uitvoeren, onafhankelijk van andere applicaties die hetzelfde systeem gebruiken. Dit vereist dat het tijdsgedrag van de hardware, de software, evenals hun interactie kan worden voorspeld. Er wordt vaak voorgesteld om een heterogeen multi-processor systeem (MPSoC) te gebruiken in moderne elektronische systemen. Een MP-SoC heeft voor veel applicaties een goede verhouding tussen rekenkracht en energiegebruik. Onchip netwerken (NoCs) worden voorgesteld als interconnect in deze systemen. Een NoC is schaalbaar en het biedt garanties wat betreft de hoeveelheid tijd die er nodig is om gegevens te communiceren tussen verschillende processoren en geheugens. Door het NoC te combineren met een voorspelbare strategie om de processoren en geheugens te delen, ontstaat een hardware platform met een voorspelbaar tijdsgedrag. Om een voorspelbaar systeem te verkrijgen moet ook het tijdsgedrag van een applicatie die wordt uitgevoerd op het platform voorspelbaar en analyseerbaar zijn. Het Synchronous Dataflow (SDF) model is erg geschikt voor het modelleren van applicaties die werken met gegevensstromen. Het model kan vele ontwerpbeslissingen modelleren en het is mogelijk om tijdens het ontwerptraject het tijdsgedrag van het systeem te analyseren. Dit proefschrift probeert om applicaties die gemodelleerd zijn met SDF grafen op een zodanige manier af te beelden op een NoC-gebaseerd MP-SoC, dat garanties op het tijdsgedrag van individuele applicaties gegeven kunnen worden. De doorstroomsnelheid van een applicatie is vaak een van de belangrijkste eisen bij het ontwerpen van systemen voor applicaties die werken met gegevensstromen. Deze doorstroomsnelheid wordt in hoge mate be¨invloed door de beschikbare ruimte om resultaten (gegevens) op te slaan. De opslagruimte in een SDF graaf wordt gemodelleerd door de pijlen in de graaf. Het probleem is dat er een vaste grootte voor de opslagruimte aan de pijlen van een SDF graaf moet worden toegewezen. Deze grootte moet zodanig worden gekozen dat de vereiste doorstroomsnelheid van het systeem gehaald wordt, terwijl de benodigde opslagruimte geminimaliseerd wordt. De eerste belangrijkste bijdrage van dit proefschrift is een techniek om de minimale opslagruimte voor iedere mogelijke doorstroomsnelheid van een applicatie te vinden. Ondanks de theoretische complexiteit van dit probleem presteert de techniek in praktijk goed. Doordat de techniek alle mogelijke minimale combinaties van opslagruimte en doorstroomsnelheid vindt, is het mogelijk om met situaties om te gaan waarin nog niet alle ontwerpbeslissingen zijn genomen. De ontwerpbeslissingen om twee taken van een applicatie op ´e´en processor uit te voeren, zou bijvoorbeeld de doorstroomsnelheid kunnen be¨invloeden. Hierdoor is er een onzekerheid in het begin van het ontwerptraject tussen de berekende doorstroomsnelheid en de doorstroomsnelheid die daadwerkelijk gerealiseerd kan worden als alle ontwerpbeslissingen zijn genomen. Tijdens het ontwerptraject moeten de taken waaruit een applicatie is opgebouwd toegewezen worden aan de verschillende processoren en geheugens in het systeem. Indien meerdere taken een processor delen, moet ook de volgorde bepaald worden waarin deze taken worden uitgevoerd. Een belangrijke bijdrage van dit proefschrift is een techniek die deze toewijzing uitvoert en die de volgorde bepaalt waarin taken worden uitgevoerd. Bestaande technieken kunnen alleen omgaan met taken die een ´e´en-op-´e´en relatie met elkaar hebben, dat wil zeggen, taken die een gelijk aantal keren uitgevoerd worden. In een SDF graaf kunnen ook complexere relaties worden uitgedrukt. Deze relaties kunnen omgeschreven worden naar een ´e´en-op-´e´en relatie, maar dat kan leiden tot een exponenti¨ele groei van het aantal taken in de graaf. Hierdoor kan het onmogelijk worden om in een beperkte tijd alle taken aan de processoren toe te wijzen en om de volgorde te bepalen waarin deze taken worden uitgevoerd. De techniek die in dit proefschrift wordt gepresenteerd, kan omgaan met de complexe relaties tussen taken in een SDF graaf zonder de vertaling naar de ´e´en-op-´e´en relaties te maken. Dit is mogelijk dankzij een nieuwe, effici¨ente techniek om de doorstroomsnelheid van SDF grafen te bepalen. Nadat de taken van een applicatie toegewezen zijn aan de processoren in het hardware platform moet de communicatie tussen deze taken op het NoC gepland worden. In deze planning moet voor ieder bericht dat tussen de taken wordt verstuurd, worden bepaald welke route er gebruikt wordt en wanneer de communicatie gestart wordt. Dit proefschrift introduceert drie strategie¨en voor het versturen van berichten met een strikte tijdslimiet. Alle drie de strategie¨en maken maximaal gebruik van de beschikbare vrijheid die moderne NoCs bieden. Experimenten tonen aan dat deze strategie¨en hierdoor effici¨enter omgaan met de beschikbare hardware dan bestaande strategie¨en. Naast deze strategie¨en wordt er een techniek gepresenteerd om uit de ontwerpbeslissingen die gemaakt zijn tijdens het toewijzen van taken aan de processoren alle tijdslimieten af te leiden waarbinnen de berichten over het NoC gecommuniceerd moeten worden. Deze techniek koppelt de eerder genoemde techniek voor het toewijzen van taken aan processoren aan de drie strategie¨en om berichten te versturen over het NoC. Tenslotte worden de verschillende technieken die in dit proefschrift worden ge¨introduceerd gecombineerd tot een compleet ontwerptraject. Het startpunt is een SDF graaf die een applicatie modelleert en een NoC-gebaseerd MP-SoC platform met een voorspelbaar tijdsgedrag. Het doel van het ontwerptraject is het op een zodanige manier afbeelden van de applicatie op het platform dat de doorstroomsnelheid van de applicatie gegarandeerd kan worden. Daarnaast probeert het ontwerptraject de hoeveelheid hardware die gebruikt wordt te minimaliseren. Er wordt een experiment gepresenteerd waarin drie verschillende multimedia applicaties (H.263 encoder/decoder en een MP3 decoder) op een NoCgebaseerd MP-SoC worden afgebeeld. Dit experiment toont aan dat de technieken die in dit proefschrift worden voorgesteld, gebruikt kunnen worden voor het ontwerpen van systemen met een voorspelbaar tijdsgedrag. Hiermee is het voorgestelde ontwerptraject het eerste traject dat een met een SDF-gemodelleerde applicatie op een NoC-gebaseerd MP-SoC kan afbeelden, terwijl er garanties worden gegeven over de doorstroomsnelheid van de applicatie

Driving the Network-on-Chip Revolution to Remove the Interconnect Bottleneck in Nanoscale Multi-Processor Systems-on-Chip

The sustained demand for faster, more powerful chips has been met by the availability of chip manufacturing processes allowing for the integration of increasing numbers of computation units onto a single die. The resulting outcome, especially in the embedded domain, has often been called SYSTEM-ON-CHIP (SoC) or MULTI-PROCESSOR SYSTEM-ON-CHIP (MP-SoC). MPSoC design brings to the foreground a large number of challenges, one of the most prominent of which is the design of the chip interconnection. With a number of on-chip blocks presently ranging in the tens, and quickly approaching the hundreds, the novel issue of how to best provide on-chip communication resources is clearly felt. NETWORKS-ON-CHIPS (NoCs) are the most comprehensive and scalable answer to this design concern. By bringing large-scale networking concepts to the on-chip domain, they guarantee a structured answer to present and future communication requirements. The point-to-point connection and packet switching paradigms they involve are also of great help in minimizing wiring overhead and physical routing issues. However, as with any technology of recent inception, NoC design is still an evolving discipline. Several main areas of interest require deep investigation for NoCs to become viable solutions: • The design of the NoC architecture needs to strike the best tradeoff among performance, features and the tight area and power constraints of the onchip domain. • Simulation and verification infrastructure must be put in place to explore, validate and optimize the NoC performance. • NoCs offer a huge design space, thanks to their extreme customizability in terms of topology and architectural parameters. Design tools are needed to prune this space and pick the best solutions. • Even more so given their global, distributed nature, it is essential to evaluate the physical implementation of NoCs to evaluate their suitability for next-generation designs and their area and power costs. This dissertation performs a design space exploration of network-on-chip architectures, in order to point-out the trade-offs associated with the design of each individual network building blocks and with the design of network topology overall. The design space exploration is preceded by a comparative analysis of state-of-the-art interconnect fabrics with themselves and with early networkon- chip prototypes. The ultimate objective is to point out the key advantages that NoC realizations provide with respect to state-of-the-art communication infrastructures and to point out the challenges that lie ahead in order to make this new interconnect technology come true. Among these latter, technologyrelated challenges are emerging that call for dedicated design techniques at all levels of the design hierarchy. In particular, leakage power dissipation, containment of process variations and of their effects. The achievement of the above objectives was enabled by means of a NoC simulation environment for cycleaccurate modelling and simulation and by means of a back-end facility for the study of NoC physical implementation effects. Overall, all the results provided by this work have been validated on actual silicon layout

A High Performance Advanced Encryption Standard (AES) Encrypted On-Chip Bus Architecture for Internet-of-Things (IoT) System-on-Chips (SoC)

With industry expectations of billions of Internet-connected things, commonly referred to as the IoT, we see a growing demand for high-performance on-chip bus architectures with the following attributes: small scale, low energy, high security, and highly configurable structures for integration, verification, and performance estimation. Our research thus mainly focuses on addressing these key problems and finding the balance among all these requirements that often work against each other. First of all, we proposed a low-cost and low-power System-on-Chips (SoCs) architecture (IBUS) that can frame data transfers differently. The IBUS protocol provides two novel transfer modes – the block and state modes, and is also backward compatible with the conventional linear mode. In order to evaluate the bus performance automatically and accurately, we also proposed an evaluation methodology based on the standard circuit design flow. Experimental results show that the IBUS based design uses the least hardware resource and reduces energy consumption to a half of an AMBA Advanced High-Performance Bus (AHB) and Advanced eXensible Interface (AXI). Additionally, the valid bandwidth of the IBUS based design is 2.3 and 1.6 times, respectively, compared with the AHB and AXI based implementations. As IoT advances, privacy and security issues become top tier concerns in addition to the high performance requirement of embedded chips. To leverage limited resources for tiny size chips and overhead cost for complex security mechanisms, we further proposed an advanced IBUS architecture to provide a structural support for the block-based AES algorithm. Our results show that the IBUS based AES-encrypted design costs less in terms of hardware resource and dynamic energy (60.2%), and achieves higher throughput (x1.6) compared with AXI. Effectively dealing with the automation in design and verification for mixed-signal integrated circuits is a critical problem, particularly when the bus architecture is new. Therefore, we further proposed a configurable and synthesizable IBUS design methodology. The flexible structure, together with bus wrappers, direct memory access (DMA), AES engine, memory controller, several mixed-signal verification intellectual properties (VIPs), and bus performance models (BPMs), forms the basic for integrated circuit design, allowing engineers to integrate application-specific modules and other peripherals to create complex SoCs

Implementing video compression algorithms on reconfigurable devices

The increasing density offered by Field Programmable Gate Arrays(FPGA), coupled with their short design cycle, has made them a popular choice for implementing a wide range of algorithms and complete systems. In this thesis the implementation of video compression algorithms on FPGAs is studied. Two areas are specifically focused on; the integration of a video encoder into a complete system and the power consumption of FPGA based video encoders. Two FPGA based video compression systems are described, one which targets surveillance applications and one which targets video conferencing applications. The FPGA video surveillance system makes use of a novel memory format to improve the efficiency with which input video sequences can be loaded over the system bus. The power consumption of a FPGA video encoder is analyzed. The results indicating that the motion estimation encoder stage requires the most power consumption. An algorithm, which reuses the intra prediction results generated during the encoding process, is then proposed to reduce the power consumed on an FPGA video encoder’s external memory bus. Finally, the power reduction algorithm is implemented within an FPGA video encoder. Results are given showing that, in addition to reducing power on the external memory bus, the algorithm also reduces power in the motion estimation stage of a FPGA based video encoder