An emulation-based remote laboratory for prototyping digital circuits without FPGA

Abstract

This thesis presents a novel approach to remotely prototyping digital circuits without FPGA-based prototyping boards. Motivated by the cost of FPGA-based prototyping boards and the mobility restrictions caused by the COVID-19 pandemic, the thesis presents an emulation-based platform, Pitanga, aiming to reduce hardware costs while allowing students to prototype digital circuits without being physically present in the laboratories of the educational institution. Instead of a physical prototyping board, the student interacts with a lightweight graphical user interface containing a virtual prototyping board on the computer. The platform uses a clientserver architecture that offloads the student’s computer by running the design and the emulation software on the server-side. This approach is an alternative to FPGAbased remote laboratories. However, the Pitanga platform responds to the students’ stimuli with near-zero latency and employs general-purpose CPUs to emulate the remote physical FPGA-based prototyping board. The Pitanga platform responds with reduced latency because it runs a predictive emulator on the server-side that calculates the output for every possible input state of the virtual prototyping board running on the client-side. The results show that the Pitanga platform can emulate a digital circuit of 72,486 transistors at 1Hz system clock. This complexity is the equivalent of an Intel 8086 implemented in NMOS technology or a 1024-bit counter implemented in CMOS technology. Also, the results show that the predictive emulator is O(n) time.

Esta tese apresenta uma abordagem inovadora para a prototipagem remota de circuitos digitais sem o uso de placas de prototipagem baseadas em FPGA. Motivado pelo custo dessas placas e pelas restrições de mobilidade causadas pela pandemia COVID-19, a tese apresenta a plataforma Pitanga, baseada em emulação, com o objetivo de reduzir os custos de hardware e permitir que os alunos criem protótipos de circuitos digitais sem estar fisicamente presentes nos laboratórios da instituição de ensino. Em vez de uma placa de prototipagem física, o aluno interage com uma interface gráfica de usuário, leve, contendo uma placa de prototipagem virtual no computador. A plataforma utiliza uma arquitetura cliente-servidor que executa o software de design e emulação no lado do servidor, portanto, diminuindo a carga computacional no computador do aluno. Essa abordagem é uma alternativa aos laboratórios remotos baseados em FPGA. A plataforma Pitanga responde com latência próxima de zero aos estímulos dos alunos utilizando CPUs de propósito geral para emular placas de prototipação baseada em FPGA. A redução de latência ocorre porque há um emulador preditivo no lado do servidor que calcula as respostas para todos os possíveis estados de entrada da placa de prototipagem virtual em execução no lado do cliente. Os resultados mostram que a plataforma Pitanga pode emular um circuito digital de 72.486 transistores a 1Hz de clock do sistema. Essa complexidade equivale a um Intel 8086 implementado em tecnologia NMOS ou a um contador de 1024 bits implementado em tecnologia CMOS. Além disso, os resultados mostram que o emulador preditivo possui complexidade O(n).