Redes Embutidas

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Conceitos Redes Embutidas ou Networks-on-Chip
(NoCs) são uma nova tendência no conceito de
Sistemas Embutidos ou Systems-on-Chip
(SoCs). Sistemas baseados em redes embutidas
podem acomodar múltiplos módulos assíncronos que
compõem os sistemas embutidos mais complexos. As
soluções encontradas em redes embutidas trazem a
concepção de redes de computadores para a
comunicação interna do integrado e melhorias em
comparação com o sistema de barramento
convencional.
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Conceitos Redes Embutidas são um novo paradigma
para comunicação dentro de sistemas VLSI muito
grandes, implementados em um único
encapsulamento. Em um sistema de redes embutidas,
módulos, tais como processadores, memórias e
blocos especializados de IP (Intelectual
Property), trocam informações, utilizando uma
rede como um sub-sistema de transporte para o
tráfego de informação. Uma rede embutida é
contruída a partir de múltiplos elos de dados
ponto-a-ponto, interconectados por chaves
(switches), de tal forma que mensagens podem ser
retransmitidas de qualquer fonte para qualquer
destino, sobre vários elos, tomando decisões de
roteamento nas chaves.
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Conceitos Uma rede embutida pode prover a
separação entre computação e comunicação, suporte
para modularização e reutilização de blocos de IP
através de interfaces padrão, tratar questões de
sincronização, servir como uma plataforma de
teste de sistema e, assim, aumentar a
produtividade. Embora redes embutidas possam
utilizar os conceitos e técnicas de redes de
computadores, é impraticável reutilizar cegamente
características clássicas de redes de
computadores e multiprocessadores simétricos. Em
particular, as chaves de redes embutidas devem
ser pequenas, energeticamente eficientes e
rápidas.
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Conceitos Os algoritmos de roteamento devem ser
implementados por lógica simples e o número de
registradores deve ser mínimo. A topologia da
rede e suas propriedades podem ser específicas
para cada aplicação. Redes embutidas precisam
oferecer qualidade de serviço, isto é, alcançar
os vários requisitos em termos de throughput,
atrasos e prazos. Vários problemas ainda existem
para serem resolvidos em todos os níveis do
físico ao de rede, e por todo o caminho até à
arquitetura do sistema e ao software da aplicação.
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Conceitos O projeto de sistemas embutidos provê
soluções integradas para problemas em
telecomunicações, multimídia e equipamentos
eletrônicos. O sucesso dependerá do uso de um
projeto e de uma tecnologia apropriados, assim
como na habilidade em interconectar componentes
já existentes. Ao final da década, SoCs,
utilizando transistores de 50nm e operando abaixo
de 1V, conterão 4 bilhões de transistores
operando a 10GHz. O maior desafio que os
projetistas desses sistemas terão será em prover
a operação correta e confiável dos componentes
interativos.
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Conceitos As interconexões intra-chip irão
apresentar um fator limitante de desempenho e
consumo de energia. A sincronização com uma única
base de tempo e com distorção (skew)
insignificante será extremamente difícil, senão
impossível. O mais certo paradigma de
sincronização para o futuro consiste em
assincronismo global e sincronismo local, o que
envolve a utilização de diferentes bases de
tempo. Na ausência de uma única base de tempo,
sistemas embutidos se tornam sistemas
distribuídos em um único encapsulamento.
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Conceitos Controle global do tráfego da
informação não deve ter sucesso, porque o sistema
precisa acompanhar os estados de cada
componente. Assim sendo, os componentes irão
iniciar a transferência de dados autonomamente,
de acordo com suas necessidades. A comunicação
global será completamente distribuída, com pouca
ou quase nenhuma coordenação global. À medida que
SoCs se tornam mais complexos, observar a
funcionalidade do sistema com modelos
completamente determinísticos se tornará cada vez
mais difícil.
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Conceitos À medida que se utilizam múltiplas
bases de tempo, falhas de sincronização na
comunicação entre diferentes bases serão raras,
mas inevitáveis. Ruído devido a linha cruzada,
interferência eletromagnética e injeção de cargas
induzida por radiação poderão produzir erros de
dados (perturbações). Logo, transmitir valores
digitais em fios se tornará inconfiável e
não-determinístico.
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Conceitos Outras causas de não-determinismo
incluem projetar componentes com um nível de
abstração muito alto, granularidade grossa e
controle de comunicação distribuído. Criar
sistemas embutidos complexos requer uma abordagem
modular, baseada no componente, tanto para
projeto de hardware quanto de software. A
tecnologia de interconexão será o fator limitante
para alcançar os objetivos operacionais dos
sistemas embutidos. Neste sentido, micro-redes
reconfiguráveis podem oferecer comunicação
eficiente em SoCs.
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Conceitos A rede é a abstração da comunicação
entre componentes e deve satisfazer requisitos de
qualidade de serviço, tais como confiabilidade,
desempenho, limites de energia, sob a limitação
de transmissão de sinal intrinsicamente não
confiável e atrasos significativos de comunicação
através das conexões. O paradigma da microrede em
camadas é uma adaptação do protocolo em camadas
utilizado para abstrair as propriedades
elétricas, lógicas e funcionais do esquema de
interconexão.
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Conceitos O nível de abstração aumenta da camada
física à camada de software.
aplicação sistema
software
transporte rede link de dados
arquitetura e controle
físico
conexão
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Conceitos Os SoCs diferem das redes de
comunicação de longa distância devido à
proximidade local e porque eles exibem menos
não-determinismo. Redes locais, de
alto-desempenho, tais como as desenvolvidas para
multiprocessadores, tem requisitos e limitações
semelhantes. No entanto, características como
limitação de energia e projeto especializado são
únicas em SoCs. Enquanto computação e
armazenamento se beneficiam do aumento da
intergração, através de portas e células de
memória menores, a energia para comunicação
global não diminui.
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Conceitos Projeções baseadas em técnicas de
otimização para conexões globais mostram que a
comunicação embutida irá requerer cada vez mais
consumo de energia. Controle de tráfego na rede
ajuda a controlar o consumo de energia associado
à comunicação. As redes em SoCs podem ser
arquitetadas para a aplicação, diferentemente das
redes de computadores, que procuram ser
padronizadas. Cada camada da microrede pode ser
especializada e otimizada para a aplicação.
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Conceitos Fios são a implementação física dos
canais de comunicação em SoCs e barramentos
funcionam como agrupamento de fios. Nos projetos
atuais, efeitos relacionados a conexões são
parasitas indesejáveis e os projetistas utilizam
técnicas específicas para reduzí-las ou
eliminá-las. O projeto do nível físico deve estar
comprometido em satisfazer métricas de qualidade
e fornecer uma abstração completa das
características do canal para os níveis acima.