A scheduling algorithm for multiport memory minimization in datapath synthesis

Abstract- In this paper, we present a new scheduling algorithms that generates area-efficient register transfer level datapaths with multiport memories. The proposed scheduling algorithm assigns an operation to a specific control step such that maximal sharing of functional units can be achieved with minimal number of memory ports, while satisfying given constraints. We propose a measure of multiport memory cost, MAV (Multiple Access Variable) which is defined as a variable accessed at several control steps, and overall memory cost is reduced by equally distributing the MAVs throughout all the control steps. When compared with previous approaches for several benchmarks available from the literature, the proposed algorithm generates the datapaths with less memory modules and interconnection structures by reflecting the memory cost in the scheduling process

System-on-chip architecture for secure sub-microsecond synchronization systems

213 p.En esta tesis, se pretende abordar los problemas que conlleva la protección cibernética del Precision Time Protocol (PTP). Éste es uno de los protocolos de comunicación más sensibles de entre los considerados por los organismos de estandarización para su aplicación en las futuras Smart Grids o redes eléctricas inteligentes. PTP tiene como misión distribuir una referencia de tiempo desde un dispositivo maestro al resto de dispositivos esclavos, situados dentro de una misma red, de forma muy precisa. El protocolo es altamente vulnerable, ya que introduciendo tan sólo un error de tiempo de un microsegundo, pueden causarse graves problemas en las funciones de protección del equipamiento eléctrico, o incluso detener su funcionamiento. Para ello, se propone una nueva arquitectura System-on-Chip basada en dispositivos reconfigurables, con el objetivo de integrar el protocolo PTP y el conocido estándar de seguridad MACsec para redes Ethernet. La flexibilidad que los modernos dispositivos reconfigurables proporcionan, ha sido aprovechada para el diseño de una arquitectura en la que coexisten procesamiento hardware y software. Los resultados experimentales avalan la viabilidad de utilizar MACsec para proteger la sincronización en entornos industriales, sin degradar la precisión del protocolo

Home Automation and Transparent Data Transmission Using Single-Medium Network Concept

Tämän diplomityön tarkoituksena on esitellä uusi yleiskäyttöinen tietoliikenneverkko läpinäkyvää tiedonsiirtoa ja kotiautomaation ohjaussovelluksia varten. Tietoliikennealusta nimeltään Wiseriver on ubiikki (kaikkialla läsnä oleva) langallinen parikaapeliverkko, joka on suunniteltu vastaamaan kaikenlaisiin yksittäisiin tiedonsiirtotarpeisiin kodeissa ja rakennuksissa. Teknologia perustuu konfiguroitaviin protokollariippumattomiin tiedonvälitysresursseihin, joita kutsutaan käsitteellä virtual wire (virtuaalinen johto). Opinnäyte alkoi yleiskatsauksella vastaavanlaisiin jo markkinoilla oleviin teknologioihin, jonka jälkeen seurasi tarkempi perehtyminen Wiseriver-järjestelmän toiminnassa käytettäviin tiedonvälitysperiaatteisiin. Keskeisin osuus opinnäytteen tekemisessä oli näiden Wiseriver-toimintojen implementointi FPGA:lla. Implementaatio sisälsi RTL-koodausta, simulointia ja logiikkasynteesiä. Kaksi erillistä, mutta samankaltaista FPGA-toteutusta toimivat ohjaimina Wiseriverin isäntä- ja liitäntäsolmuyksiköiden prototyyppiversioissa. Kokonainen Wiseriverin järjestelmäprototyyppi puolestaan toimii perustana kehitettäessä järjestelmää edelleen pilottikohteeseen. Simulaatio- ja testaustyön lopputuloksena syntyi perustoteutus, joka kykenee välittämään läpinäkyvästi Ethernet-pohjaista liikennettä ja hallitsemaan yksinkertaista valo-ohjaussovellusta. Simulaatiotulokset ja ajoitusraportit osoittavat että toteutus toimii myös valmisteilla olevassa prototyyppilaitteistossa. Wiseriver-järjestelmän prototyyppivaihe sisältää useita eri tahtiin eteneviä osakokonaisuuksia sisältäen esimerkiksi piirilevy- ja ohjelmistosuunnittelua. Jatkokehitystä ajatellen on myös jo olemassa suunnitelmia järjestelmän laajentamiseksi edelleen.The purpose of this thesis is to present a new universal communication network for transparent data transmission and control applications used in home automation. The communication platform called Wiseriver is a ubiquitous wired twisted-pair network that is designed to meet all kind of individual data transmission needs in homes and buildings. The technology is based on configurable protocol-independent communication resources called virtual wires. The thesis was started by a general survey to related technologies already existing in the market and then followed by a more specific introduction to transmission principles used in the operation of Wiseriver system. The main contribution of this thesis was to implement these Wiseriver functions with FPGA. The implementation included RTL coding using VHDL, functional simulations and logic syntheses. Two different but similar FPGA designs are used as controllers in master and access node prototype components of Wiseriver. A whole Wiseriver system prototype in turn will be used as groundwork for developing a pilot system. The outcome of the simulation and debugging process was a base design that permits to transmit Ethernet based traffic transparently and handle a simple light control application. Simulation results and timing analyze reports indicate that the design works in completed prototype hardware. Other related developments such as PCB layout and software designs are ongoing during the prototype phase of the whole system. Also several follow-up developments have been already considered for improving the system

Towards an embedded board-level tester: study of a configurable test processor

The demand for electronic systems with more features, higher performance, and less power consumption increases continuously. This is a real challenge for design and test engineers because they have to deal with electronic systems with ever-increasing complexity maintaining production and test costs low and meeting critical time to market deadlines. For a test engineer working at the board-level, this means that manufacturing defects must be detected as soon as possible and at a low cost. However, the use of classical test techniques for testing modern printed circuit boards is not sufficient, and in the worst case these techniques cannot be used at all. This is mainly due to modern packaging technologies, a high device density, and high operation frequencies of modern printed circuit boards. This leads to very long test times, low fault coverage, and high test costs. This dissertation addresses these issues and proposes an FPGA-based test approach for printed circuit boards. The concept is based on a configurable test processor that is temporarily implemented in the on-board FPGA and provides the corresponding mechanisms to communicate to external test equipment and co-processors implemented in the FPGA. This embedded test approach provides the flexibility to implement test functions either in the external test equipment or in the FPGA. In this manner, tests are executed at-speed increasing the fault coverage, test times are reduced, and the test system can be adapted automatically to the properties of the FPGA and devices located on the board. An essential part of the FPGA-based test approach deals with the development of a test processor. In this dissertation the required properties of the processor are discussed, and it is shown that the adaptation to the specific test scenario plays a very important role for the optimization. For this purpose, the test processor is equipped with configuration parameters at the instruction set architecture and microarchitecture level. Additionally, an automatic generation process for the test system and for the computation of some of the processor’s configuration parameters is proposed. The automatic generation process uses as input a model known as the device under test model (DUT-M). In order to evaluate the entire FPGA-based test approach and the viability of a processor for testing printed circuit boards, the developed test system is used to test interconnections to two different devices: a static random memory (SRAM) and a liquid crystal display (LCD). Experiments were conducted in order to determine the resource utilization of the processor and FPGA-based test system and to measure test time when different test functions are implemented in the external test equipment or the FPGA. It has been shown that the introduced approach is suitable to test printed circuit boards and that the test processor represents a realistic alternative for testing at board-level.Der Bedarf an elektronischen Systemen mit zusätzlichen Merkmalen, höherer Leistung und geringerem Energieverbrauch nimmt ständig zu. Dies stellt eine erhebliche Herausforderung für Entwicklungs- und Testingenieure dar, weil sie sich mit elektronischen Systemen mit einer steigenden Komplexität zu befassen haben. Außerdem müssen die Herstellungs- und Testkosten gering bleiben und die Produkteinführungsfristen so kurz wie möglich gehalten werden. Daraus folgt, dass ein Testingenieur, der auf Leiterplatten-Ebene arbeitet, die Herstellungsfehler so früh wie möglich entdecken und dabei möglichst niedrige Kosten verursachen soll. Allerdings sind die klassischen Testmethoden nicht in der Lage, die Anforderungen von modernen Leiterplatten zu erfüllen und im schlimmsten Fall können diese Testmethoden überhaupt nicht verwendet werden. Dies liegt vor allem an modernen Gehäuse-Technologien, der hohen Bauteildichte und den hohen Arbeitsfrequenzen von modernen Leiterplatten. Das führt zu sehr langen Testzeiten, geringer Testabdeckung und hohen Testkosten. Die Dissertation greift diese Problematik auf und liefert einen FPGA-basierten Testansatz für Leiterplatten. Das Konzept beruht auf einem konfigurierbaren Testprozessor, welcher im On-Board-FPGA temporär implementiert wird und die entsprechenden Mechanismen für die Kommunikation mit der externen Testeinrichtung und Co-Prozessoren im FPGA bereitstellt. Dadurch ist es möglich Testfunktionen flexibel entweder auf der externen Testeinrichtung oder auf dem FPGA zu implementieren. Auf diese Weise werden Tests at-speed ausgeführt, um die Testabdeckung zu erhöhen. Außerdem wird die Testzeit verkürzt und das Testsystem automatisch an die Eigenschaften des FPGAs und anderer Bauteile auf der Leiterplatte angepasst. Ein wesentlicher Teil des FPGA-basierten Testansatzes umfasst die Entwicklung eines Testprozessors. In dieser Dissertation wird über die benötigten Eigenschaften des Prozessors diskutiert und es wird gezeigt, dass die Anpassung des Prozessors an den spezifischen Testfall von großer Bedeutung für die Optimierung ist. Zu diesem Zweck wird der Prozessor mit Konfigurationsparametern auf der Befehlssatzarchitektur-Ebene und Mikroarchitektur-Ebene ausgerüstet. Außerdem wird ein automatischer Generierungsprozess für die Realisierung des Testsystems und für die Berechnung einer Untergruppe von Konfigurationsparametern des Prozessors vorgestellt. Der automatische Generierungsprozess benutzt als Eingangsinformation ein Modell des Prüflings (device under test model, DUT-M). Das entwickelte Testsystem wurde zum Testen von Leiterplatten für Verbindungen zwischen dem FPGA und zwei Bauteilen verwendet, um den FPGA-basierten Testansatz und die Durchführbarkeit des Testprozessors für das Testen auf Leiterplatte-Ebene zu evaluieren. Die zwei Bauteile sind ein Speicher mit direktem Zugriff (static random-access memory, SRAM) und eine Flüssigkristallanzeige (liquid crystal display, LCD). Die Experimente wurden durchgeführt, um den Ressourcenverbrauch des Prozessors und Testsystems festzustellen und um die Testzeit zu messen. Dies geschah durch die Implementierung von unterschiedlichen Testfunktionen auf der externen Testeinrichtung und dem FPGA. Dadurch konnte gezeigt werden, dass der FPGA-basierte Ansatz für das Testen von Leiterplatten geeignet ist und dass der Testprozessor eine realistische Alternative für das Testen auf Leiterplatten-Ebene ist

Algorithms and architectures for the multirate additive synthesis of musical tones

In classical Additive Synthesis (AS), the output signal is the sum of a large number of independently controllable sinusoidal partials. The advantages of AS for music synthesis are well known as is the high computational cost. This thesis is concerned with the computational optimisation of AS by multirate DSP techniques. In note-based music synthesis, the expected bounds of the frequency trajectory of each partial in a finite lifecycle tone determine critical time-invariant partial-specific sample rates which are lower than the conventional rate (in excess of 40kHz) resulting in computational savings. Scheduling and interpolation (to suppress quantisation noise) for many sample rates is required, leading to the concept of Multirate Additive Synthesis (MAS) where these overheads are minimised by synthesis filterbanks which quantise the set of available sample rates. Alternative AS optimisations are also appraised. It is shown that a hierarchical interpretation of the QMF filterbank preserves AS generality and permits efficient context-specific adaptation of computation to required note dynamics. Practical QMF implementation and the modifications necessary for MAS are discussed. QMF transition widths can be logically excluded from the MAS paradigm, at a cost. Therefore a novel filterbank is evaluated where transition widths are physically excluded. Benchmarking of a hypothetical orchestral synthesis application provides a tentative quantitative analysis of the performance improvement of MAS over AS. The mapping of MAS into VLSI is opened by a review of sine computation techniques. Then the functional specification and high-level design of a conceptual MAS Coprocessor (MASC) is developed which functions with high autonomy in a loosely-coupled master- slave configuration with a Host CPU which executes filterbanks in software. Standard hardware optimisation techniques are used, such as pipelining, based upon the principle of an application-specific memory hierarchy which maximises MASC throughput

System-on-chip architecture for secure sub-microsecond synchronization systems

213 p.En esta tesis, se pretende abordar los problemas que conlleva la protección cibernética del Precision Time Protocol (PTP). Éste es uno de los protocolos de comunicación más sensibles de entre los considerados por los organismos de estandarización para su aplicación en las futuras Smart Grids o redes eléctricas inteligentes. PTP tiene como misión distribuir una referencia de tiempo desde un dispositivo maestro al resto de dispositivos esclavos, situados dentro de una misma red, de forma muy precisa. El protocolo es altamente vulnerable, ya que introduciendo tan sólo un error de tiempo de un microsegundo, pueden causarse graves problemas en las funciones de protección del equipamiento eléctrico, o incluso detener su funcionamiento. Para ello, se propone una nueva arquitectura System-on-Chip basada en dispositivos reconfigurables, con el objetivo de integrar el protocolo PTP y el conocido estándar de seguridad MACsec para redes Ethernet. La flexibilidad que los modernos dispositivos reconfigurables proporcionan, ha sido aprovechada para el diseño de una arquitectura en la que coexisten procesamiento hardware y software. Los resultados experimentales avalan la viabilidad de utilizar MACsec para proteger la sincronización en entornos industriales, sin degradar la precisión del protocolo

System-on-chip architecture for secure sub-microsecond synchronization systems

213 p.En esta tesis, se pretende abordar los problemas que conlleva la protección cibernética del Precision Time Protocol (PTP). Éste es uno de los protocolos de comunicación más sensibles de entre los considerados por los organismos de estandarización para su aplicación en las futuras Smart Grids o redes eléctricas inteligentes. PTP tiene como misión distribuir una referencia de tiempo desde un dispositivo maestro al resto de dispositivos esclavos, situados dentro de una misma red, de forma muy precisa. El protocolo es altamente vulnerable, ya que introduciendo tan sólo un error de tiempo de un microsegundo, pueden causarse graves problemas en las funciones de protección del equipamiento eléctrico, o incluso detener su funcionamiento. Para ello, se propone una nueva arquitectura System-on-Chip basada en dispositivos reconfigurables, con el objetivo de integrar el protocolo PTP y el conocido estándar de seguridad MACsec para redes Ethernet. La flexibilidad que los modernos dispositivos reconfigurables proporcionan, ha sido aprovechada para el diseño de una arquitectura en la que coexisten procesamiento hardware y software. Los resultados experimentales avalan la viabilidad de utilizar MACsec para proteger la sincronización en entornos industriales, sin degradar la precisión del protocolo