The IPS fidelity scale as a guideline to implement Supported Employment

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FPGA-based model of an inverted pendulum hardware-in-the-loop simulations

An FPGA-Based Model of an Inverted Pendulum for Hardware-in-the-Loop Simulations consists of a specific study of the SCT Pendulum dynamics in order to find a realistic model and its later implementation in FPGA technology. The design flow is based on Matlab Simulink/Xilinx System Generator, final results having proven this hardware model to be a good substitute for the real pendulum, which makes it an ideal tool for testing controllers in Real-Time and Hardware-in-the-Loop Simulations. -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Este proyecto fin de carrera consiste en un estudio de la dinámica de un péndulo invertido especifico, en este caso, el péndulo invertido utilizado por el departamento System and Circuit Technolgy (SCT) del Heinz Nixdorf Institute en la universidad de Paderborn (Alemania). El objetivo del estudio dinámico es crear un modelo realista de este péndulo invertido, que, posteriormente, será implementado en Hardware usando la tecnología FPGA (Field-Programmable Gate Array). El flujo de diseño utilizado en este modelo esta basado en Matlab Simulink y en Xilinx System Generator. El modelo en Hardware obtenido será un buen sustituto para el péndulo real y, por tanto, será una herramienta perfecta para testear los controladores usando simulaciones Hardware-inthe-Loop en tiempo real.Ingeniería de Telecomunicació

The Customizable Virtual FPGA: Generation, System Integration and Configuration of Application-Specific Heterogeneous FPGA Architectures

In den vergangenen drei Jahrzehnten wurde die Entwicklung von Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) stark von Moore’s Gesetz, Prozesstechnologie (Skalierung) und kommerziellen Märkten beeinflusst. State-of-the-Art FPGAs bewegen sich einerseits dem Allzweck näher, aber andererseits, da FPGAs immer mehr traditionelle Domänen der Anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASICs) ersetzt haben, steigen die Effizienzerwartungen. Mit dem Ende der Dennard-Skalierung können Effizienzsteigerungen nicht mehr auf Technologie-Skalierung allein zurückgreifen. Diese Facetten und Trends in Richtung rekonfigurierbarer System-on-Chips (SoCs) und neuen Low-Power-Anwendungen wie Cyber Physical Systems und Internet of Things erfordern eine bessere Anpassung der Ziel-FPGAs. Neben den Trends für den Mainstream-Einsatz von FPGAs in Produkten des täglichen Bedarfs und Services wird es vor allem bei den jüngsten Entwicklungen, FPGAs in Rechenzentren und Cloud-Services einzusetzen, notwendig sein, eine sofortige Portabilität von Applikationen über aktuelle und zukünftige FPGA-Geräte hinweg zu gewährleisten. In diesem Zusammenhang kann die Hardware-Virtualisierung ein nahtloses Mittel für Plattformunabhängigkeit und Portabilität sein. Ehrlich gesagt stehen die Zwecke der Anpassung und der Virtualisierung eigentlich in einem Konfliktfeld, da die Anpassung für die Effizienzsteigerung vorgesehen ist, während jedoch die Virtualisierung zusätzlichen Flächenaufwand hinzufügt. Die Virtualisierung profitiert aber nicht nur von der Anpassung, sondern fügt auch mehr Flexibilität hinzu, da die Architektur jederzeit verändert werden kann. Diese Besonderheit kann für adaptive Systeme ausgenutzt werden. Sowohl die Anpassung als auch die Virtualisierung von FPGA-Architekturen wurden in der Industrie bisher kaum adressiert. Trotz einiger existierenden akademischen Werke können diese Techniken noch als unerforscht betrachtet werden und sind aufstrebende Forschungsgebiete. Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Generierung von FPGA-Architekturen, die auf eine effiziente Anpassung an die Applikation zugeschnitten sind. Im Gegensatz zum üblichen Ansatz mit kommerziellen FPGAs, bei denen die FPGA-Architektur als gegeben betrachtet wird und die Applikation auf die vorhandenen Ressourcen abgebildet wird, folgt diese Arbeit einem neuen Paradigma, in dem die Applikation oder Applikationsklasse fest steht und die Zielarchitektur auf die effiziente Anpassung an die Applikation zugeschnitten ist. Dies resultiert in angepassten anwendungsspezifischen FPGAs. Die drei Säulen dieser Arbeit sind die Aspekte der Virtualisierung, der Anpassung und des Frameworks. Das zentrale Element ist eine weitgehend parametrierbare virtuelle FPGA-Architektur, die V-FPGA genannt wird, wobei sie als primäres Ziel auf jeden kommerziellen FPGA abgebildet werden kann, während Anwendungen auf der virtuellen Schicht ausgeführt werden. Dies sorgt für Portabilität und Migration auch auf Bitstream-Ebene, da die Spezifikation der virtuellen Schicht bestehen bleibt, während die physische Plattform ausgetauscht werden kann. Darüber hinaus wird diese Technik genutzt, um eine dynamische und partielle Rekonfiguration auf Plattformen zu ermöglichen, die sie nicht nativ unterstützen. Neben der Virtualisierung soll die V-FPGA-Architektur auch als eingebettetes FPGA in ein ASIC integriert werden, das effiziente und dennoch flexible System-on-Chip-Lösungen bietet. Daher werden Zieltechnologie-Abbildungs-Methoden sowohl für Virtualisierung als auch für die physikalische Umsetzung adressiert und ein Beispiel für die physikalische Umsetzung in einem 45 nm Standardzellen Ansatz aufgezeigt. Die hochflexible V-FPGA-Architektur kann mit mehr als 20 Parametern angepasst werden, darunter LUT-Grösse, Clustering, 3D-Stacking, Routing-Struktur und vieles mehr. Die Auswirkungen der Parameter auf Fläche und Leistung der Architektur werden untersucht und eine umfangreiche Analyse von über 1400 Benchmarkläufen zeigt eine hohe Parameterempfindlichkeit bei Abweichungen bis zu ±95, 9% in der Fläche und ±78, 1% in der Leistung, was die hohe Bedeutung von Anpassung für Effizienz aufzeigt. Um die Parameter systematisch an die Bedürfnisse der Applikation anzupassen, wird eine parametrische Entwurfsraum-Explorationsmethode auf der Basis geeigneter Flächen- und Zeitmodellen vorgeschlagen. Eine Herausforderung von angepassten Architekturen ist der Entwurfsaufwand und die Notwendigkeit für angepasste Werkzeuge. Daher umfasst diese Arbeit ein Framework für die Architekturgenerierung, die Entwurfsraumexploration, die Anwendungsabbildung und die Evaluation. Vor allem ist der V-FPGA in einem vollständig synthetisierbaren generischen Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language (VHDL) Code konzipiert, der sehr flexibel ist und die Notwendigkeit für externe Codegeneratoren eliminiert. Systementwickler können von verschiedenen Arten von generischen SoC-Architekturvorlagen profitieren, um die Entwicklungszeit zu reduzieren. Alle notwendigen Konstruktionsschritte für die Applikationsentwicklung und -abbildung auf den V-FPGA werden durch einen Tool-Flow für Entwurfsautomatisierung unterstützt, der eine Sammlung von vorhandenen kommerziellen und akademischen Werkzeugen ausnutzt, die durch geeignete Modelle angepasst und durch ein neues Werkzeug namens V-FPGA-Explorer ergänzt werden. Dieses neue Tool fungiert nicht nur als Back-End-Tool für die Anwendungsabbildung auf dem V-FPGA sondern ist auch ein grafischer Konfigurations- und Layout-Editor, ein Bitstream-Generator, ein Architekturdatei-Generator für die Place & Route Tools, ein Script-Generator und ein Testbenchgenerator. Eine Besonderheit ist die Unterstützung der Just-in-Time-Kompilierung mit schnellen Algorithmen für die In-System Anwendungsabbildung. Die Arbeit schliesst mit einigen Anwendungsfällen aus den Bereichen industrielle Prozessautomatisierung, medizinische Bildgebung, adaptive Systeme und Lehre ab, in denen der V-FPGA eingesetzt wird

STRICT: a language and tool set for the design of very large scale integrated circuits

PhD ThesisAn essential requirement for the design of large VLSI circuits is a design methodology which would allow the designer to overcome the complexity and correctness issues associated with the building of such circuits. We propose that many of the problems of the design of large circuits can be solved by using a formal design notation based upon the functional programming paradigm, that embodies design concepts that have been used extensively as the framework for software construction. The design notation should permit parallel, sequential, and recursive decompositions of a design into smaller components, and it should allow large circuits to be constructed from simpler circuits that can be embedded in a design in a modular fashion. Consistency checking should be provided as early as possible in a design. Such a methodology would structure the design of a circuit in much the same way that procedures, classes, and control structures may be used to structure large software systems. However, such a design notation must be supported by tools which automatically check the consistency of the design, if the methodology is to be practical. In principle, the methodology should impose constraints upon circuit design to reduce errors and provide' correctness by construction' . It should be possible to generate efficient and correct circuits, by providing a route to a large variety of design tools commonly found in design systems: simulators, automatic placement and routing tools, module generators, schematic capture tools, and formal verification and synthesis tools

A framework for fine-grain synthesis optimization of operational amplifiers

This thesis presents a cell-level framework for Operational Amplifiers Synthesis (OASYN) coupling both circuit design and layout. For circuit design, the tool applies a corner-driven optimization, accounting for on-chip performance variations. By exploring the process, voltage, and temperature variations space, the tool extracts design worst case solution. The tool undergoes sensitivity analysis along with Pareto-optimality to achieve required specifications. For layout phase, OASYN generates a DRC proved automated layout based on a sized circuit-level description. Morata et al. (1996) introduced an elegant representation of block placement called sequence pair for general floorplans (SP). Like TCG and BSG, but unlike O-tree, B*tree, and CBL, SP is P-admissible. Unlike SP, TCG supports incremental update during operation and keeps the information of the boundary modules as well as their relative positions in the representation. Block placement algorithms that are based on SP use heuristic optimization algorithms, e.g., simulated annealing where generation of large number of sequence pairs are required. Therefore a fast algorithm is needed to generate sequence pairs after each solution perturbation. The thesis presents a new simple and efficient O(n) runtime algorithm for fast realization of incremental update for cost evaluation. The algorithm integrates sequence pair and transitive closure graph advantages into TCG-S* a superior topology update scheme which facilitates the search for optimum desired floorplan. Experiments show that TCG-S* is better than existing works in terms of area utilization and convergence speed. Routing-aware placement is implemented in OASYN, handling symmetry constraints, e.g., interdigitization, common centroid, along with congestion elimination and the enhancement of placement routability