Microcomputador re-configurável em FPGA para ensino de Arquitetura de Computadores na Ciência da Computação

O ensino prático de Arquitetura de Computadores estimula o desenvolvimento tecnológico de hardware no Brasil. Por isso, este artigo propõe um método para o ensino prático de Arquitetura de Computadores na Ciência da Computação. Esse método usa uma arquitetura de microcomputador re-configurável em FPGA, para o ensino dessa disciplina na Computação. Pelo método, microcomputadores são desenvolvidos a partir de uma arquitetura de microcomputador básica de dois bits descrita em esquema elétrico e em VHDL. Os resultados apresentados indicam que o método proposto antecipa o ensino prático de Arquitetura de Computadores para o início das atividades da disciplina e contribui formando recursos humanos especializados no desenvolvimento tecnológico de hardware no País

SIMULADOR DE UCP COM SUPORTE À MEMÓRIA CACHE E PIPELINE

Um problema comum em disciplinas de arquitetura de computadores é a dinâmica real dos processos que ocorrem internamente em hardware. O funcionamento de uma UCP, por exemplo, é algo complexo e sua compreensão é fundamental para utilização de seus recursos. Este trabalho contribui com o desenvolvimento de um simulador de UCP com suporte à memória cache e pipeline. São apresentados os resultados obtidos com a ferramenta desenvolvida, e que a utilização do simulador pode ser muito útil como apoio em disciplinas de arquitetura de computadores, melhorando o entendimento por parte dos alunos

Concepção e validação de arquitetura robusta baseada em soft processors para uso em computadores de bordo de satélites artificiais

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2013.A flexibilidade introduzida pela utilização de FPGAs (Field Programmable Gate Array) SRAM comerciais em aplicações embarcadas, faz com que esta tecnologia se torne uma alternativa atraente para aplicações militares e espaciais. No presente trabalho, foi desenvolvido um Computador de Bordo utilizando soft processor embarcado em um FPGA do tipo SRAM. O Computador de Bordo é baseado em requisitos funcionais especificados pelo Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) para o Computador de Bordo a ser utilizado em suas futuras missões. Módulos de software e hardware foram implementados visando executar as principais funcionalidades de um Computador de Bordo. No entanto, os avanços oriundos de tecnologias nanométricas trazem uma maior vulnerabilidade dos componentes eletrônicos a efeitos de radiação. Em aplicações críticas é importante que técnicas de tolerância a falhas sejam utilizadas para aumentar o grau de confiabilidade das aplicações. Com o intuito de mitigar falhas causadas pela radiação a qual computadores de bordo são expostos no espaço, uma técnica de tolerância a falhas não intrusiva foi desenvolvida. A técnica proposta visa aplicar mecanismos de detecção de falhas utilizando um monitor de barramento para comparar os dados de saída de um soft processor principal com seu módulo redundante. Caso os dados sejam diferentes, um sinal de erro é gerado, iniciando a estratégia de tolerância a falhas. A técnica proposta se mostrou eficiente quando comparada a técnicas do estado da arte como a Redundância Tripla (Triple Modular Redundancy, TMR) e Tolerância a Falhas em Hardware Implementadas em Software (Software Implemented Hardware Fault Tolerance, SIHFT) para identificação de falhas simples em tempo de execução com menor ocupação de área e sem alterar o desempenho da aplicação.Abstract : The flexibility introduced by Commercial Off The Shelf (COTS) SRAM based FPGAs in on-board system designs make them an attractive option for military and aerospace applications. However, the advances towards the nanometer technology come together with a higher vulnerability of integrated circuits to radiation perturbations. In mission critical applications it is important to improve the reliability of applications by using fault-tolerance techniques. In this work, the concept of an On-Board Computer (OBC) system aiming a soft-processor embedded on a SRAM based FPGA is proposed. The OBC comply with functional requirements of the Brazilian Institute of Space Research (INPE) for the OBC that will be employed in future missions. Modules of software and hardware were implemented in order to execute the main capabilities of the OBC. In order to mitigate the faults caused by radiation on the space environment, a non-intrusive fault tolerance technique has been developed. The proposed technique targets soft processors (e.g. LEON3), and its detection mechanism uses a Bus Monitor to compare output data of a main soft-processor with its redundant module. In case of a mismatch, an error signal is activated, triggering the proposed fault tolerance strategy. This approach shows to be more efficient than the state-of-the-art Triple Modular Redundancy (TMR) and Software Implemented Hardware Fault Tolerance (SIHFT) approaches in order to detect and to correct faults on the fly with low area overhead and with no major performance penalties

Comparing parallel algorithms for van der waals energy with cell-list technique for protein structure prediction / Comparando algoritmos paralelos para energia de van der waals com técnica de lista de células para predição de estrutura de proteína

The discovery of the structure of a protein is a difficult and expensive task, because it requires minimizing different energies related to them. The van der Waals energy hás the most expensive evaluation in this context, and computational methods have been developed in this way, such as Genetic Algorithm (GA) and cell-list technique, which reduces its the complexity from O(n2) to O(n). Even with the support of GA and cell lists, the van der Waals energy evaluation still requires a long computing time, even for a small protein. Parallel Computing is capable to reduce the runtime to predict the structure of proteins. Parallel algorithms in such context are usually specific for one programming model and computer architecture, resulting in limited speedups. This paper compares the runtime of three distinct parallel algorithms for the evaluation of an ab initio and full-atom approach based on GA and cell-list technique, in order to minimize the van der Waals energy. The three parallel algorithms are in C and use one of these programming models: MPI, OpenMP or hybrid (MPI+Open MP). Our results show that van der Waals Energy are executed faster and with better speedups when using hybrid and more flexible parallel algorithms to predict the structure of larger proteins. We also show that for small proteins the communication of MPI imposes a high overhead for the parallel execution and, thus the Open MP presents a better relation cost x benefit in such cases

SIMAEAC: UM SIMULADOR ACADÊMINCO PARA ENSINO DE ARQUITETURA DE COMPUTADORES

Simulation techniques to support teaching and research have been increasingly used. Through simulation we can predict the behavior of systems before they are created, enabling the prediction of failure and possible improvements on them. This paper presents a simulator based on the graphic processor 8085 that has the objective of easing the teaching-learning computer architecture, by viewing the steps and dynamics of the functional units during an instruction.Técnicas de simulação para apoio ao ensino e à pesquisa têm sido cada vez mais empregadas. Através de simuladores podemos prever o comportamento de sistemas antes mesmo de serem criados, viabilizando a previsão de falhas e possibilitando melhorias nos mesmos. Este trabalho apresenta um simulador gráfico baseado no processador 8085 que visa facilitar o processo de ensino-aprendizagem de arquitetura de computadores, através da visualização dos passos e da dinâmica das unidades funcionais no decorrer da execução de uma instrução

Modelo de sistema operacional básico para ensino na Ciência da Computação

A inclusão de atividades práticas no ensino de Sistemas Operacionais facilita a aprendizagem, porém incorpora novos desafios à disciplina, por exemplo, desenvolver novos sistemas operacionais. Propõe-se neste artigo um modelo de referência de núcleo de sistema operacional básico, que contribui para estudantes compreenderem mais claramente aspectos relacionados ao desenvolvimento prático de sistemas operacionais. Para tanto apresenta-se o Modelo de Sistema Operacional Básico (MSOB), desenvolvido em linguagem de alto nível, que serve como modelo de referência para o desenvolvimento de sistemas operacionais. Os resultados alcançados com sua aplicação revelaram aumento da compreensão nos estudantes, com impacto positivo no ensino prático de Sistemas Operacionais

Sistema embarcado de diagnóstico de eletrocardiograma utilizando fuzzy clustering e correlação.

Este trabalho visa demonstrar a viabilidade e o desenvolvimento de um sistema embarcado de identificação de doenças cardíacas. O propósito do sistema é a aquisição de sinais cardíacos, originados de um eletrocardiograma conectado a um paciente, e a apresentação de um provável diagnóstico. Para isso algumas técnicas de processamento de sinais são utilizadas. O sistema recebe os sinais de derivações de um eletrocardiograma, transmitido por sensores posicionados em pontos específicos no corpo do paciente. Estes sinais são filtrados e processados de forma que na saída, deste sistema, seja exibido o possível diagnóstico do paciente em análise. Para o funcionamento deste sistema será apresentada uma alternativa, visando melhorar seu funcionamento, que é a utilização do processo de Fuzzy Clustering, numa tradução direta: amostragem nebulosa, entretanto como esta nomenclatura não está consolidada o nome original será utilizado. Este processo de Fuzzy Clustering permite extrair as principais características de um sinal de entrada e, através destas características, fornece regras que podem ser utilizadas em vários tipos de aplicações de controle e tomadas de decisões. Este trabalho demonstra a possibilidade de utilização deste processo para gerar os pontos que representam as características principais de um sinal de eletrocardiograma. Para comprovar a funcionalidade do sistema, foi utilizado o método de correlação para comparar e obter o grau de similaridade entre o sinal em análise e os sinais de um banco de dados com o diagnóstico médico conhecido. A comparação que obtiver maior grau de similaridade, será reconhecida como o possível diagnóstico para o paciente. O sistema foi implantado em uma placa XILINX Spartan®-3A Starter FPGA. Sendo a FPGA (Field-programmable gate array) configurada com o Microblaze® Soft-Core vi Processor - XILINX Embeded Processor. Foram feitos testes reais deste sistema, utilizando uma base de dados pública, e os resultados foram comparados com figuras de méritos de outros trabalhos que utilizam outras técnicas para obter o diagnóstico de um paciente. Também foram verificados outros fatores, da implantação em hardware dedicado, que tornam este sistema mais eficiente utilizando as técnicas empregadas

A computational environment to support the teaching of structure processing

Orientador: José Raimundo de OliveiraDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de ComputaçãoResumo: A tecnologia dos processadores tem crescido rapidamente nos últimos anos. Em contrapartida, o ensino de arquitetura de computadores tem dificuldade de acompanhar esta evolução. Os livros textos e as aulas ainda utilizam de recursos estáticos que precisam de longas explicações. Esta dinâmica torna-se incompatível, inclusive, com as experiências, como usuários, de muitos alunos. Este trabalho propõe o desenvolvimento de um ambiente computacional (framework) para apoio ao ensino de arquitetura de processamento, denominado MODPRO. A ideia é dispor de módulos que possam ser interligados formando diversas possíveis estruturas de processamento. Desta maneira, o professor pode desenvolver junto aos alunos e expor de forma visual (utilizando de animações) desde componentes básicos até estruturas de processamento mais avançadas. O MODPRO é composto por um simulador, denominado SIMPRO o qual exibe de forma animada, passo a passo, ou em tempo real, o fluxo de dados e de sinais dentro da estrutura de processamento estudada. O SIMPRO foi desenvolvido em linguagem Javascript e utiliza recursos de Cascading Style Sheets, podendo, ainda, ser acessado pela web. O MODPRO ainda é composto por um emulador, chamado EMUPRO que contém os mesmos módulos do SIMPRO. O seu diferencial está relacionado ao fato de ter sido totalmente desenvolvido em hardware, utilizando a ferramenta QUARTUS II da Altera. Com este recurso, os alunos podem, em laboratório, validar a estrutura desenvolvida em classe. Por serem modulares, tanto o simulador SIMPRO quanto o emulador EMUPRO permitem que novos recursos (módulos) possam ser adicionados, permitindo assim, o ensino e o estudo de diferentes estruturas de processamentoAbstract: The processor technology has grown rapidly in recent years. In constrast, the teaching of computer architectures has difficulties to follow such evolution. The books and the classes still use static resources which need long explanations. This dynamic becomes incompatible with the experiences desirable for most students. This work proposes the development of a computational environment (framework) to support the teaching of processing architecture, which is called MODPRO. The idea is to have modules that can be connected together forming several possible processing structures. Therefore, the professor can develop different scenarios with the students and expose in a visual way (using animation features), from basic components to more advanced processing structures. The MODPRO consists of a simulator, called SIMPRO which displays (in an animated form), step by step or in real-time, the data flow and the signal processing within the structure being studied. The SIMPRO was developed in JavaScript language, uses Cascading Style Sheets and can be accessed via web. The MODPRO also consistes in an emulator called EMUPRO, which contains the same modules of SIMPRO. Its differential is related to the fact that it has been developed entirely in hardware, using the development environment QUARTUS II from Altera. Basically, with the features of MODPRO, the students can validate, in laboratory, the frameworks and the processing structures developed during the classes. Because they are modular, both the simulator SIMPRO and the emulator EMUPRO allow the addition of new features (modules), besides allowing the teaching and the study of different processing structuresMestradoEngenharia de ComputaçãoMestre em Engenharia Elétric

Idade digital: cultura assistida digitalmente

This essay seeks to reflect on the effects of digital age or digitality in the culture and the system’s of art. To do so, we will first seek to parody what is known as computer aided design (CAD) systems. In its early days, computer effects have definitely affected the fields of engineering, architecture, statistics, and design, which, from this first period, are altered in their modes of design and production. Nowadays, digitally assisted culture is the phenomenon where all socio-cultural and artistic processes, in one way or another, are affected by digital technologies. Access modes, choose materials, structural calculations for large contemporary art shows, and network dissemination, among others. In this sense, cybernetic and digital systems pervade our daily routine, eliminating any possibility of existence apart from them. In this reflection is questioned the possibility of a “digital age” landmark that ultimately changes the directions of culture and art, both in the reflections, and in the practices. Thus, concepts like the system are proposed not only as symbolic systems, but as a property derived from cybernetic theory that interferes with feedback processes in the field of art and culture. Models for spectator behavior, emergence of styles and modes of production in contemporary art that follow the demands of art markets. Shows designed for specific spaces, meeting the demands of audiences and sponsors. Digital cyber systems become part of the way art exists as a system that is increasingly adapting to cyber-digital culture.Este ensayo busca reflexionar sobre los efectos de la era digital o la digitalidad en la cultura y el sistema del arte. Para hacerlo, primero buscaremos parodiar lo que se conoce como sistemas de diseño asistido por computadora (CAD). En sus primeros días, los efectos informáticos definitivamente han afectado los campos de la ingeniería, la arquitectura, las estadísticas y el diseño, que, desde este primer período, se alteraron en sus modos de diseño y producción. Hoy en día, la cultura con asistencia digital es el fenómeno en el que todos los procesos socioculturales y artísticos, de una forma u otra, se ven afectados por las tecnologías digitales. Modos de acceso, elegir materiales, cálculos estructurales para grandes exposiciones de arte contemporáneo y difusión en red, entre otros. En este sentido, los sistemas cibernéticos y digitales impregnan nuestra rutina diaria, eliminando cualquier posibilidad de existencia aparte de ellos. En esta reflexión se cuestiona la posibilidad de un hito de la “era digital” que finalmente cambie las direcciones de la cultura y el arte, tanto en las reflexiones como en las prácticas. Por lo tanto, conceptos como el sistema, son propuestos no sólo como sistemas simbólicos, sino como una propiedad derivada de la teoría cibernética que interfiere en los procesos de retroalimentación en el campo del arte y la cultura. Modelos para el comportamiento del espectador, surgimiento de estilos y modos de producción en el arte contemporáneo que siguen las demandas de los mercados del arte. Espectáculos diseñados para espacios específicos, que satisfacen las demandas de audiencias y patrocinadores. Los sistemas cibernéticos digitales se convierten en parte de la forma en que el arte existe como un sistema que se adapta cada vez más a la cultura ciber digital.Este ensaio busca refletir sobre os efeitos da idade digital ou digitalidade na cultura e no sistema da arte. Para tanto, buscaremos primeiramente parodiar o que é conhecido como sistemas CAD (Computer Aided Design). Em seus primórdios, os efeitos do computador afetaram definitivamente os campos da engenharia, da arquitetura, da estatística e do design, que a partir deste período são alterados em seus modos de concepção e produção. Atualmente, a cultura assistida digitalmente é o fenômeno onde todos os processos socioculturais e artísticos, de uma maneira ou outra, encontram-se afetados pelas tecnologias digitais. Modo de acesso, escolha materiais, cálculos estruturais para grandes mostras de arte contemporânea, divulgação via rede entre outros. Neste sentido, os sistemas cibernéticos e digitais permeiam de forma ubíqua nosso cotidiano eliminando qualquer possibilidade de existência apartada dos mesmos. Nesta reflexão é questionada a possibilidade de uma “idade digital” marco que altera derradeiramente os rumos da cultura e da arte, tanto nas reflexões, quantos nas práticas. Assim, conceitos como o de sistema são propostos não somente como sistemas simbólicos, mas como uma propriedade oriunda da teoria cibernética que interfere com processos de retroalimentação no próprio campo da arte e da cultura. Modelos de comportamento do espectador, emergência de estilos e modos de produção na arte contemporânea que seguem as demandas dos mercados de arte. Mostras pensadas para espaços específicos, atendendo demandas de públicos e patrocinadores. Os sistemas cibernéticos digitais passam a fazer parte do modo como a arte existe como um sistema que vem, cada vez mais, se adequando a cultura cibernético-digital