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Suportando o projeto de arquiteturas Halvesting-aware para aplicações em FPGA

Sistemas computacionais portáteis, como smartphones, tablets, câmeras etc., estão se tornando cada vez mais complexos por implementarem novas funcionalidades que não eram possíveis até alguns anos atrás. Sem conexão contínua à rede elétrica e dependentes de bateria como fonte de energia, torna-se um...

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Main Author: LIMA, Marília Souto Maior de
Other Authors: ARAÚJO, Cristiano Coêlho de
Format: doctoralThesis
Language: por
Published: Universidade Federal de Pernambuco 2018
Subjects:
Engenharia da computação
Energia solar
Online Access: https://repositorio.ufpe.br/handle/123456789/24293
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id ir-123456789-24293
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spelling ir-123456789-242932018-11-12T20:01:33Z Suportando o projeto de arquiteturas Halvesting-aware para aplicações em FPGA LIMA, Marília Souto Maior de ARAÚJO, Cristiano Coêlho de http://lattes.cnpq.br/2639772163652135 http://lattes.cnpq.br/9638500605562489 Engenharia da computação Energia solar Sistemas computacionais portáteis, como smartphones, tablets, câmeras etc., estão se tornando cada vez mais complexos por implementarem novas funcionalidades que não eram possíveis até alguns anos atrás. Sem conexão contínua à rede elétrica e dependentes de bateria como fonte de energia, torna-se um desafio projetar esses sistemas para que sejam capazes de se manterem operacionais durante um longo período de tempo sem recarga. Recentemente, a tecnologia de energy harvesting surgiu como uma forma de superar o problema de fornecimento de energia para este tipo de sistema. O conceito de energy harvesting significa coletar outras formas de energia disponíveis no ambiente e transformá-las em energia elétrica (KANSAL et al., 2007). Porém, para sistemas com energy harvesting, um modelo mais sofisticado é necessário para caracterizar o fornecimento e consumo da energia disponível: como utilizar a energia captada a uma taxa adequada, a fim de manter o sistema funcionando continuamente? Este paradigma foi chamado de “energy neutral operation mode” em (KANSAL et al., 2007) e significa que, durante todo o funcionamento, a energia consumida pelo sistema deve ser inferior à energia disponível, permitindo assim que a sua operação seja contínua e sem desligamento devido à falta de energia. Se por um lado a tecnologia de energy harvesting representa uma alternativa de fornecimento de energia, por outro lado, a complexidade da concepção do projeto aumenta, uma vez que elementos relativos à gestão do consumo de energia e adaptação do desempenho do sistema devem também estar presentes. Como forma de superar esse desafio, neste trabalho é proposto um novo modelo de arquitetura para a concepção de aplicações harvesting-aware em FPGA com o objetivo de reduzir a complexidade adicional de projeto inerente a este tipo de aplicação. A principal contribuição é um modelo de arquitetura capaz de tornar harvesting-aware aplicações síncronas em FPGA que usam energia solar como fonte alternativa de energia. A estratégia adotada consiste em adaptar o consumo de energia do sistema controlando a dissipação de potência dinâmica de acordo com a previsão de energia e os níveis de desempenho definidos pelo projetista. O modelo da arquitetura foi validado com uma implementação em Verilog sintetizável num FPGA Cyclone IV e as suas principais vantagens são: pode ser utilizada num amplo escopo de aplicações, uma vez que foi modelada para controlar sistemas síncronos; causa baixo impacto sobre a concepção do projeto, pois a sua utilização não implica mudanças no código fonte da aplicação. Além disso, a inclusão dos módulos da arquitetura no projeto acarretam um baixo overhead computacional em termos de área ocupada, consumo de energia e tempo de processamento. No estudo de caso apresentado, um conversor de RGB-YCrCb foi utilizado para validar os resultados obtidos através de simulação e medições no FPGA. Portable computing systems, such as smartphones, tablets, handheld cameras etc., are becoming increasingly more complex providing new functionalities that were not possible a few years ago. Dependent on batteries as a power source, and not connected continuously to the main supply, it becomes a challenge to design these systems to be operational for a long period of time. Recently, energy harvesting technology has emerged as a manner with which to tackle the problem of supplying energy to this type of system. The concept of energy harvesting means collecting other forms of energy available within the environment and transforming them into electrical energy (KANSAL et al., 2007). In systems with energy harvesting, a more sophisticated model is required in order to characterize the available energy: how to use the captured energy at an appropriate rate in order to keep the system running continuously? This paradigm has been called the “energy neutral operation mode” in (KANSAL et al., 2007) and means that the energy consumed by the system is less than the energy available throughout its operation, allowing its continuous operation without suffering shut downs due to the lack of energy. If on one hand energy harvesting technology represents an alternative for generating power for portable computing systems, on the other, the complexity of the project design increases, since elements regarding the management of energy consumption and adapting the application performance must be present. This fact becomes even more evident when implementing these systems in hardware. This thesis describes a novel scalable architecture model for the design of harvesting-aware applications on FPGAs. The objective of the proposed approach is to reduce the additional design complexity inherent to this type of design. The main contribution of this work is an architecture model capable of supporting applications on FPGAs that use solar energy to become harvesting aware. The adopted strategy was to adapt the energy consumption of the system by controlling the toggle rate of its signals according to the energy prediction and the performance levels set by the system designer. The architecture model was designed in a Cyclone IV FPGA and its main advantages are: it may be used within a wide range of applications, since it has been modelled to control synchronous systems; it causes a little impact on the project design, as to couple the harvesting-aware subsystem with the the application modules does not imply changes in the application source code. Moreover, the implementation of the architecture model has a low computational overhead in terms of area, power dissipation and processing time. In the case study presented, an RGB-YCrCb Converter was used as an application in order to validate the implementation data, simulation, measurements and results presented in this work. 2018-04-13T21:07:22Z 2018-04-13T21:07:22Z 2015-08-21 doctoralThesis https://repositorio.ufpe.br/handle/123456789/24293 por Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/ Universidade Federal de Pernambuco UFPE Brasil Programa de Pos Graduacao em Ciencia da Computacao
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