Implementation and Analysis of Adaptive Spectrum Sensing

The electromagnetic spectrum is a finite resource that has become increasingly crowded as the day-to-day operation of the world has become increasingly reliant on wireless devices. With the growing deployment of the Internet-of-Things (IoT), 5G Networks, and broadband internet systems, the available spectrum for radar applications has been reduced and instances of interference across all device types have increased. To mitigate this problem going forward, devices need to be better able to intelligently access the spectrum based on the presence of other users. A cognitive radio or radar system functions by using adaptive spectrum sensing to detect existing users in the frequency band and adapt to use ’open’ spectrum bands. To ensure the predictable performance of the system and systems that it shares spectrum with, it must detect new users and adapt without interrupting its operation or interfering with the other users. Because modern communications networks can update their spectrum utilization on a sub-millisecond timescale, the critical detection and adaption phase must operate in real-time. This work presents an implementation of a fast spectrum sensing (FSS) algo- rithm deployed on the field-programmable gate array (FPGA) of an Ettus USRP software-defined radio. This implementation allows for microsecond scale updates of the environment’s spectrum availability. Unfortunately, this FSS algorithm is limited by its knowledge of the spectrum, which is ever-changing. To help improve the system’s dynamic performance a new adaptive detection algorithm is proposed to replace the static threshold of the first implementation. The new detection algo- rithm is a constant false alarm rate (CFAR) inspired detector which allows a cogni- tive sensor to work in a dynamic environment without a-priori information about the spectrum. Combining the FSS algorithm with dynamic signal detection allows the cognitive radio system to adapt to the ever-changing environment without requiring extensive ’listen before talk’ periods before operation

Design and Programming Methods for Reconfigurable Multi-Core Architectures using a Network-on-Chip-Centric Approach

A current trend in the semiconductor industry is the use of Multi-Processor Systems-on-Chip (MPSoCs) for a wide variety of applications such as image processing, automotive, multimedia, and robotic systems. Most applications gain performance advantages by executing parallel tasks on multiple processors due to the inherent parallelism. Moreover, heterogeneous structures provide high performance/energy efficiency, since application-specific processing elements (PEs) can be exploited. The increasing number of heterogeneous PEs leads to challenging communication requirements. To overcome this challenge, Networks-on-Chip (NoCs) have emerged as scalable on-chip interconnect. Nevertheless, NoCs have to deal with many design parameters such as virtual channels, routing algorithms and buffering techniques to fulfill the system requirements. This thesis highly contributes to the state-of-the-art of FPGA-based MPSoCs and NoCs. In the following, the three major contributions are introduced. As a first major contribution, a novel router concept is presented that efficiently utilizes communication times by performing sequences of arithmetic operations on the data that is transferred. The internal input buffers of the routers are exchanged with processing units that are capable of executing operations. Two different architectures of such processing units are presented. The first architecture provides multiply and accumulate operations which are often used in signal processing applications. The second architecture introduced as Application-Specific Instruction Set Routers (ASIRs) contains a processing unit capable of executing any operation and hence, it is not limited to multiply and accumulate operations. An internal processing core located in ASIRs can be developed in C/C++ using high-level synthesis. The second major contribution comprises application and performance explorations of the novel router concept. Models that approximate the achievable speedup and the end-to-end latency of ASIRs are derived and discussed to show the benefits in terms of performance. Furthermore, two applications using an ASIR-based MPSoC are implemented and evaluated on a Xilinx Zynq SoC. The first application is an image processing algorithm consisting of a Sobel filter, an RGB-to-Grayscale conversion, and a threshold operation. The second application is a system that helps visually impaired people by navigating them through unknown indoor environments. A Light Detection and Ranging (LIDAR) sensor scans the environment, while Inertial Measurement Units (IMUs) measure the orientation of the user to generate an audio signal that makes the distance as well as the orientation of obstacles audible. This application consists of multiple parallel tasks that are mapped to an ASIR-based MPSoC. Both applications show the performance advantages of ASIRs compared to a conventional NoC-based MPSoC. Furthermore, dynamic partial reconfiguration in terms of relocation and security aspects are investigated. The third major contribution refers to development and programming methodologies of NoC-based MPSoCs. A software-defined approach is presented that combines the design and programming of heterogeneous MPSoCs. In addition, a Kahn-Process-Network (KPN) –based model is designed to describe parallel applications for MPSoCs using ASIRs. The KPN-based model is extended to support not only the mapping of tasks to NoC-based MPSoCs but also the mapping to ASIR-based MPSoCs. A static mapping methodology is presented that assigns tasks to ASIRs and processors for a given KPN-model. The impact of external hardware components such as sensors, actuators and accelerators connected to the processors is also discussed which makes the approach of high interest for embedded systems

Towards the development of flexible, reliable, reconfigurable, and high-performance imaging systems

Current FPGAs can implement large systems because of the high density of reconfigurable logic resources in a single chip. FPGAs are comprehensive devices that combine flexibility and high performance in the same platform compared to other platform such as General-Purpose Processors (GPPs) and Application Specific Integrated Circuits (ASICs). The flexibility of modern FPGAs is further enhanced by introducing Dynamic Partial Reconfiguration (DPR) feature, which allows for changing the functionality of part of the system while other parts are functioning. FPGAs became an important platform for digital image processing applications because of the aforementioned features. They can fulfil the need of efficient and flexible platforms that execute imaging tasks efficiently as well as the reliably with low power, high performance and high flexibility. The use of FPGAs as accelerators for image processing outperforms most of the current solutions. Current FPGA solutions can to load part of the imaging application that needs high computational power on dedicated reconfigurable hardware accelerators while other parts are working on the traditional solution to increase the system performance. Moreover, the use of the DPR feature enhances the flexibility of image processing further by swapping accelerators in and out at run-time. The use of fault mitigation techniques in FPGAs enables imaging applications to operate in harsh environments following the fact that FPGAs are sensitive to radiation and extreme conditions. The aim of this thesis is to present a platform for efficient implementations of imaging tasks. The research uses FPGAs as the key component of this platform and uses the concept of DPR to increase the performance, flexibility, to reduce the power dissipation and to expand the cycle of possible imaging applications. In this context, it proposes the use of FPGAs to accelerate the Image Processing Pipeline (IPP) stages, the core part of most imaging devices. The thesis has a number of novel concepts. The first novel concept is the use of FPGA hardware environment and DPR feature to increase the parallelism and achieve high flexibility. The concept also increases the performance and reduces the power consumption and area utilisation. Based on this concept, the following implementations are presented in this thesis: An implementation of Adams Hamilton Demosaicing algorithm for camera colour interpolation, which exploits the FPGA parallelism to outperform other equivalents. In addition, an implementation of Automatic White Balance (AWB), another IPP stage that employs DPR feature to prove the mentioned novelty aspects. Another novel concept in this thesis is presented in chapter 6, which uses DPR feature to develop a novel flexible imaging system that requires less logic and can be implemented in small FPGAs. The system can be employed as a template for any imaging application with no limitation. Moreover, discussed in this thesis is a novel reliable version of the imaging system that adopts novel techniques including scrubbing, Built-In Self Test (BIST), and Triple Modular Redundancy (TMR) to detect and correct errors using the Internal Configuration Access Port (ICAP) primitive. These techniques exploit the datapath-based nature of the implemented imaging system to improve the system's overall reliability. The thesis presents a proposal for integrating the imaging system with the Robust Reliable Reconfigurable Real-Time Heterogeneous Operating System (R4THOS) to get the best out of the system. The proposal shows the suitability of the proposed DPR imaging system to be used as part of the core system of autonomous cars because of its unbounded flexibility. These novel works are presented in a number of publications as shown in section 1.3 later in this thesis

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

Dynamically reconfigurable architecture for embedded computer vision systems

The objective of this research work is to design, develop and implement a new architecture which integrates on the same chip all the processing levels of a complete Computer Vision system, so that the execution is efficient without compromising the power consumption while keeping a reduced cost. For this purpose, an analysis and classification of different mathematical operations and algorithms commonly used in Computer Vision are carried out, as well as a in-depth review of the image processing capabilities of current-generation hardware devices. This permits to determine the requirements and the key aspects for an efficient architecture. A representative set of algorithms is employed as benchmark to evaluate the proposed architecture, which is implemented on an FPGA-based system-on-chip. Finally, the prototype is compared to other related approaches in order to determine its advantages and weaknesses