Analysis of asynchronous routers for network-on-chip applications

Asynchronous circuit design has been conventionally regarded as a valid alternative to synchronous logic due to its potential for low consumption of resources, power and delay. This includes areas such as the communication infrastructure of modern multi core processors, the so-called Network-on-Chip (NoC) paradigm on which this thesis focus on. In recent times, the transistor downscaling and the increasing clock frequencies have pushed synchronous design to high static power and delay. As a result, the interest for asynchronous integrated routers and links has re-emerged, especially in fields with ultra-low power requirements such as embedded systems. In this thesis, we construct an asynchronous router using Verilog code based on architectures found in the literature. We analyze the functionality of each of the building blocks and verify the operation of the implemented routing algorithm and arbitration mechanism. In the future, the results obtained here are expected to enable a complete implementation of the router in Verilog and its posterior analysis of its scalability

Comparative Analysis of Real-Time Industrial Ethernet Protocols : ModbusTCP Protocol Implementation

Industrial Ethernet Communication protocols for Real-Time communication is the focus of research in a variety of different industrial Applications. The subject of thesis study is a comprehensive analysis of Industrial Ethernet protocols used in safety-critical real-time environment, comparing these based on performance, safety, diagnostics and error detection features, topology preference, cost incurred and openness of the protocol. The protocols chosen for this comparisons are ModbusTCP, EtherNet/IP, Ethernet Powerlink, Profinet IO, EtherCAT®, Sercos III, and CC-LINK IE, because they are most relevant for real-time applications and they have a widespread global presence in a lot of industrial applications. The industry in focus here is the spacecraft industry, which is a perfect example of a real-time safety-critical environment, where the protocols need to perform under harsh conditions, such as vibrations, exposure to radiation , extreme temperatures and low atmospheric pressure, and have strict timing requirements. The communication protocols for this environment are held to very high standards of performance and communication accuracy. The challenge here is to implement a protocol that can provide deterministic, real-time communication in such extreme conditions. The protocol in focus here is the ModbusTCP protocol , that is implemented on the ESBO-DS Stratospheric Balloon project to establish a communication link with the pointing system on board. ModbusTCP is chosen for this application because it is reliable, has a large support base, it is easy to implement, transparent and extremely interoperable. All these benefits along with providing real-time communication on a space-based application gives us a good reason to continuing the use of ModbusTCP here. The conclusion of the comparison of the selected real-time communication Industrial Ethernet protocols is that there is no “best ” protocol, and the choice of protocol depends on the application in focus. EtherCAT, SERCOS III and PROFINET IRT are all powerful hard real-time protocols, but require dedicated and expensive hardware for implementation. CC-Link IE is also a popular hard real-time protocol that uses special hardware and is well-established in the East Asian countries. Ethernet/IP and ModbusTCP control a large market share in the Industrial Communication domain in addition to providing good performance easily available tools. Ethernet Powerlink is open and provides both implementation and specification royalty free on its organisations website.Industriella Ethernet-kommunikationsprotokoll för realtidskommunikation är fokus för forskning inom en mängd olika industriella tillämpningar. Ämnet för avhandlingsstudien är en omfattande analys av industriella Ethernet-protokoll som används i säkerhetskritiska realtidsmiljöer, som jämför dessa baserat på prestanda, säkerhet, diagnostik och feldetekteringsfunktioner, topologipreferenser, uppkomna kostnader och protokollets öppenhet. De valda protokollen för dessa jämförelser är ModbusTCP, EtherNet/IP, Ethernet Powerlink, Profinet IO, EtherCAT®, Sercos III och CC-LINK IE, eftersom de är mest relevanta för realtidsapplikationer och de har en utbredd global närvaro i många industriella tillämpningar. Branschen i fokus här är rymdfarkostindustrin, som är ett perfekt exempel på en realtidssäkerhetskritisk miljö, där protokollen måste fungera under tuffa förhållanden, såsom vibrationer, exponering för strålning, extrema temperaturer och lågt atmosfärstryck, och har strikta tidskrav. Kommunikationsprotokollen för denna miljö håller mycket höga standarder för prestanda och kommunikationsnoggrannhet. Utmaningen här är att implementera ett protokoll som kan tillhandahålla deterministisk kommunikation i realtid under sådana extrema förhållanden. Protokollet i fokus här är ModbusTCP-protokollet, som är implementerat i ESBO-DS Stratospheric Balloon-projektet för att upprätta en kommunikationslänk med peksystemet ombord. ModbusTCP är vald för denna applikation eftersom den är pålitlig, har en stor supportbas, den är lätt att implementera, transparent och extremt driftskompatibel. Alla dessa fördelar tillsammans med att tillhandahålla realtidskommunikation på en rymdbaserad applikation ger oss en god anledning att fortsätta använda ModbusTCP här. Slutsatsen av jämförelsen av de valda realtidskommunikationens Industrial Ethernet-protokoll är att det inte finns något bästaprotokoll, och valet av protokoll beror på applikationen i fokus. EtherCAT, SERCOS III och PROFINET IRT är alla kraftfulla hårda realtidsprotokoll, men kräver dedikerad och dyr hårdvara för implementering. CC-Link IE är också ett populärt hårt realtidsprotokoll som använder speciell hårdvara och är väletablerat i de östasiatiska länderna. Ethernet/IP och ModbusTCP kontrollerar en stor marknadsandel inom industriell kommunikationsdomän förutom att de tillhandahåller bra prestanda lättillgängliga verktyg. Ethernet Powerlink är öppet och tillhandahåller både implementering och specifikation royaltyfritt på sin organisations webbplats