Lecciones prácticas de desarrollo de aplicaciones móviles en Android

Los avances que se han producido en los últimos años en cuanto a potencia y capacidades de los teléfonos móviles que usamos de manera cotidiana, traen de la mano un auge en la demanda de aplicaciones de todo ámbito: desde aplicaciones generales de consumo, pasando por juegos, hasta aplicaciones que ofrecen soluciones internas a empresas. Existen diferentes sistemas operativos para teléfonos móviles como se explicará más adelante en el capítulo introductorio. En dicho capítulo se da la justificación de por qué en el presente Proyecto Fin de Carrera se centra en el estudio del sistema operativo Android. Primeramente se dará una visión global del estado del arte en cuanto al mundo de aplicaciones móviles se refiere. Se explicarán los pros y contras de cada sistema operativo, detallando el lenguaje de programación utilizado en cada uno de ellos y sus principales características. Después, en el capítulo tres se estudiará con más profundidad el sistema operativo Android, desde su historia y orígenes, hasta los componentes básicos para la creación de una aplicación, pasando por la arquitectura interna del sistema o su máquina virtual. Con esto se pretende que el lector tenga un contexto que le permita comprender los siguientes capítulos, que es donde está el núcleo de este Proyecto Fin de Carrera. El cuarto capítulo trata de una serie de prácticas incrementales, que cubren una gran parte de las posibilidades que ofrece el sistema operativo Android para el desarrollo de aplicaciones. Se ha pretendido que la dificultad vaya de menos a más y que las prácticas se vayan apoyando en las anteriores, para tener al final una única solución que englobe todas las lecciones. El último capítulo quiere englobar el uso de todas las lecciones aprendidas en las lecciones anteriores para crear una aplicación que bien podría ser una aplicación real para un cliente. Se trata de una aplicación que muestra en tiempo real información sobre las cámaras de tráfico de la ciudad de Madrid. ABSTRACT. The improvements that have occurred in recent years in terms of power and capabilities of mobile phones that we use on a daily basis, bring an increment in demand for all kind of applications, from general consumer applications, games or even internal applications that offer solutions to companies. There are different operating systems for mobile phones as will be explained later in the introductory chapter. In that chapter the answer for why this Thesis focuses on the study of the Android operating system is given as well. First an overview of the state of the art about the world of mobile applications will be referred. The pros and cons of each operating system will be explained, detailing the programming language used in each of them and their main characteristics. Then in chapter three will be discussed in more depth the Android operating system, from its history and beginnings to the main components for the creation of an application, to the internal architecture of the system or virtual machine. The goal of chapter three is to give the readers a context that allows them to understand the following chapters, where the core of this Thesis is. The fourth chapter contains a series of incremental practices covering a large part of the potential of the Android operating system for application development. Those practices grow in difficulty and are supported by the previous in order to have at the end a single solution that fits all lessons. The last chapter wants to embrace the use of all the lessons learned in previous lessons to create an application that could well be an actual application for a client. It is an application that displays real-time information off traffic cameras of the city of Madrid.

Virtualización del sistema operativo FreeBSD sobre Xen

El sistema operativo FreeBSD soporta distintos modos de virtualización sobre la plataforma Xen. Cada uno usa una técnicas de virtualización distinta, logrando mayor o menor integración con el hipervisor. Actualmente, están soportados en FreeBSD el modo paravirtualizado, virtualizado asistido por hardware y modos híbridos. Este trabajo consiste fundamentalmente en un estudio práctico de los distintos modos de virtualización Xen soportados en FreeBSD, basándose en pruebas de sintéticas de rendimiento. Se incluye una comparativa con gráficas de los resultados obtenidos mediante un sistema de pruebas automáticas desarrollado en shell script y R. ABSTRACT. The FreeBSD operative system supports several virtualization modes when used over the Xen platform. Each mode uses a different virtualization technique, achieving different level of integration with the hypervisor. Current supported modes on FreeBSD are paravirtualized mode, hardware virtualization assisted and hybrid modes. This work is a survey on FreeBSD virtualization over Xen, focused on performance by benchmark testing all supported virtual machine implementations. The study includes a comparative of the measured test results performed by an automatic testing tool developed on shell and R script.

Integration of embedded data processing algorithms inside PAMELA devices

PAMELA (Phased Array Monitoring for Enhanced Life Assessment) SHMTM System is an integrated embedded ultrasonic guided waves based system consisting of several electronic devices and one system manager controller. The data collected by all PAMELA devices in the system must be transmitted to the controller, who will be responsible for carrying out the advanced signal processing to obtain SHM maps. PAMELA devices consist of hardware based on a Virtex 5 FPGA with a PowerPC 440 running an embedded Linux distribution. Therefore, PAMELA devices, in addition to the capability of performing tests and transmitting the collected data to the controller, have the capability of perform local data processing or pre-processing (reduction, normalization, pattern recognition, feature extraction, etc.). Local data processing decreases the data traffic over the network and allows CPU load of the external computer to be reduced. Even it is possible that PAMELA devices are running autonomously performing scheduled tests, and only communicates with the controller in case of detection of structural damages or when programmed. Each PAMELA device integrates a software management application (SMA) that allows to the developer downloading his own algorithm code and adding the new data processing algorithm to the device. The development of the SMA is done in a virtual machine with an Ubuntu Linux distribution including all necessary software tools to perform the entire cycle of development. Eclipse IDE (Integrated Development Environment) is used to develop the SMA project and to write the code of each data processing algorithm. This paper presents the developed software architecture and describes the necessary steps to add new data processing algorithms to SMA in order to increase the processing capabilities of PAMELA devices.An example of basic damage index estimation using delay and sum algorithm is provided.

Utilización de modelos hidráulicos bidimensionales en la determinación del tiempo de concentración

El tiempo de concentración de una cuenca sigue siendo relativamente desconocido para los ingenieros. El procedimiento habitual en un estudio hidrológico es calcularlo según varias fórmulas escogidas entre las existentes para después emplear el valor medio obtenido. De esta media se derivan los demás resultados hidrológicos, resultados que influirán en el futuro dimensionamiento de las infraestructuras. Este trabajo de investigación comenzó con el deseo de conseguir un método más fiable y objetivo que permitiera obtener el tiempo de concentración. Dada la imposibilidad de poner en práctica ensayos hidrológicos en una cuenca física real, ya que no resulta viable monitorizar perfectamente la precipitación ni los caudales de salida, se planteó llevar a cabo los ensayos de forma simulada, con el empleo de modelos hidráulicos bidimensionales de lluvia directa sobre malla 2D de volúmenes finitos. De entre todos los disponibles, se escogió InfoWorks ICM, por su rapidez y facilidad de uso. En una primera fase se efectuó la validación del modelo hidráulico elegido, contrastando los resultados de varias simulaciones con la formulación analítica existente. Posteriormente, se comprobaron los valores de los tiempos de concentración obtenidos con las expresiones referenciadas en la bibliografía, consiguiéndose resultados muy satisfactorios. Una vez verificado, se ejecutaron 690 simulaciones de cuencas tanto naturales como sintéticas, incorporando variaciones de área, pendiente, rugosidad, intensidad y duración de las precipitaciones, a fin de obtener sus tiempos de concentración y retardo. Esta labor se realizó con ayuda de la aceleración del cálculo vectorial que ofrece la tecnología CUDA (Arquitectura Unificada de Dispositivos de Cálculo). Basándose en el análisis dimensional, se agruparon los resultados del tiempo de concentración en monomios adimensionales. Utilizando regresión lineal múltiple, se obtuvo una nueva formulación para el tiempo de concentración. La nueva expresión se contrastó con las formulaciones clásicas, habiéndose obtenido resultados equivalentes. Con la exposición de esta nueva metodología se pretende ayudar al ingeniero en la realización de estudios hidrológicos. Primero porque proporciona datos de manera sencilla y objetiva que se pueden emplear en modelos globales como HEC-HMS. Y segundo porque en sí misma se ha comprobado como una alternativa realmente válida a la metodología hidrológica habitual. Time of concentration remains still fairly imprecise to engineers. A normal hydrological study goes through several formulae, obtaining concentration time as the median value. Most of the remaining hydrologic results will be derived from this value. Those results will determine how future infrastructures will be designed. This research began with the aim to acquire a more reliable and objective method to estimate concentration times. Given the impossibility of carrying out hydrological tests in a real watershed, due to the difficulties related to accurate monitoring of rainfall and derived outflows, a model-based approach was proposed using bidimensional hydraulic simulations of direct rainfall over a 2D finite-volume mesh. Amongst all of the available software packages, InfoWorks ICM was chosen for its speed and ease of use. As a preliminary phase, the selected hydraulic model was validated, checking the outcomes of several simulations over existing analytical formulae. Next, concentration time values were compared to those resulting from expressions referenced in the technical literature. They proved highly satisfactory. Once the model was properly verified, 690 simulations of both natural and synthetic basins were performed, incorporating variations of area, slope, roughness, intensity and duration of rainfall, in order to obtain their concentration and lag times. This job was carried out in a reasonable time lapse with the aid of the parallel computing platform technology CUDA (Compute Unified Device Architecture). Performing dimensional analysis, concentration time results were isolated in dimensionless monomials. Afterwards, a new formulation for the time of concentration was obtained using multiple linear regression. This new expression was checked against classical formulations, obtaining equivalent results. The publication of this new methodology intends to further assist the engineer while carrying out hydrological studies. It is effective to provide global parameters that will feed global models as HEC-HMS on a simple and objective way. It has also been proven as a solid alternative to usual hydrology methodology.

Gestión dinámica de redes de sensores y actuadores

Este proyecto fin de carrera tiene como finalidad el diseño y la implementación de un sistema de monitorización y gestión dinámica de redes de sensores y actuadores inalámbricos (Wireless Sensor and Actuator Networks – WSAN) en base a la información de configuración almacenada en una base de datos sobre la cual un motor de detección vigila posibles cambios. Este motor informará de los cambios a la herramienta de gestión y monitorización de la WSAN para que sean llevados a cabo en la red desplegada. Este trabajo se enmarca en otro más amplio cuya finalidad es la demostración de la posibilidad de reconfigurar dinámicamente una WSAN utilizando los mecanismos propios de las Líneas de Productos Software Dinámicos (DSPL, por sus siglas en inglés). Se ha diseñado e implementado el software que proporciona los métodos necesarios para la comunicación y actuación sobre la red de sensores y actuadores inalámbricos, además de permitir el control de cada uno de los dispositivos pertenecientes a dicha red y que los dispositivos se incorporen a dicha red de manera autónoma. El desarrollo y pruebas de este proyecto fin de carrera se ha realizado utilizando una máquina virtual sobre la que se ha configurado convenientemente una plataforma que incluye un emulador de red de sensores y actuadores de tecnología SunSpot (Solarium) y todas las herramientas de desarrollo y ejecución necesarias (entre ellas, SunSpot SDK 6.0 y NetBeans). Esta máquina virtual ejecuta un sistema operativo Unix (Ubuntu Server 12.4) y facilita el rápido despliegue de las herramientas implementadas así como la integración de las mismas en desarrollos más amplios. En esta memoria se describe todo el proceso de diseño e implementación del software desarrollado, las conclusiones obtenidas de su ejecución y una guía de usuario para su despliegue y manejo. ABSTRACT. The aim of this project is the design and implementation of a system to monitor and dynamically manage a wireless sensor and actuator network (WSAN) in consistence with the configuration information stored in a database whose changes are monitored by a so-called monitoring engine. This engine informs the management and monitoring tool about the changes, in order for these to be carried out on the deployed network. This project is a part of a broader one aimed at demonstrating the ability to dynamically reconfigure a WSAN using the mechanisms of the Dynamic Software Product Lines (DSPL). A software has been designed and implemented which provides the methods to communicate with and actuate on the WSAN. It also allows to control each of the devices, as well as their autonomous incorporation to the network. Development and testing of this project was done using a virtual machine that has a conveniently configured platform which includes a SunSpot technology WSAN emulator (Solarium) as well as all the necessary development and implementation tools (including SunSpot 6.0 SDK and NetBeans). This virtual machine runs a Unix (Ubuntu Server 12.4) operating system and makes it easy to rapidly deploy the implemented tools and to integrate them into broader developments. This document explains the whole process of designing and implementing the software, the conclusions of execution and a user's manual.

And-or parallel prolog: a recomputation based approach

We argüe that in order to exploit both Independent And- and Or-parallelism in Prolog programs there is advantage in recomputing some of the independent goals, as opposed to all their solutions being reused. We present an abstract model, called the Composition-Tree, for representing and-or parallelism in Prolog Programs. The Composition-tree closely mirrors sequential Prolog execution by recomputing some independent goals rather than fully re-using them. We also outline two environment representation techniques for And-Or parallel execution of full Prolog based on the Composition-tree model abstraction. We argüe that these techniques have advantages over earlier proposals for exploiting and-or parallelism in Prolog.

An abstract machine based execution model for computer architecture design and efficient implementation of logic programs in parallel.

The term "Logic Programming" refers to a variety of computer languages and execution models which are based on the traditional concept of Symbolic Logic. The expressive power of these languages offers promise to be of great assistance in facing the programming challenges of present and future symbolic processing applications in Artificial Intelligence, Knowledge-based systems, and many other areas of computing. The sequential execution speed of logic programs has been greatly improved since the advent of the first interpreters. However, higher inference speeds are still required in order to meet the demands of applications such as those contemplated for next generation computer systems. The execution of logic programs in parallel is currently considered a promising strategy for attaining such inference speeds. Logic Programming in turn appears as a suitable programming paradigm for parallel architectures because of the many opportunities for parallel execution present in the implementation of logic programs. This dissertation presents an efficient parallel execution model for logic programs. The model is described from the source language level down to an "Abstract Machine" level suitable for direct implementation on existing parallel systems or for the design of special purpose parallel architectures. Few assumptions are made at the source language level and therefore the techniques developed and the general Abstract Machine design are applicable to a variety of logic (and also functional) languages. These techniques offer efficient solutions to several areas of parallel Logic Programming implementation previously considered problematic or a source of considerable overhead, such as the detection and handling of variable binding conflicts in AND-Parallelism, the specification of control and management of the execution tree, the treatment of distributed backtracking, and goal scheduling and memory management issues, etc. A parallel Abstract Machine design is offered, specifying data areas, operation, and a suitable instruction set. This design is based on extending to a parallel environment the techniques introduced by the Warren Abstract Machine, which have already made very fast and space efficient sequential systems a reality. Therefore, the model herein presented is capable of retaining sequential execution speed similar to that of high performance sequential systems, while extracting additional gains in speed by efficiently implementing parallel execution. These claims are supported by simulations of the Abstract Machine on sample programs.

Virtual Membrane Systems

Within the membrane computing research field, there are many papers about software simulations and a few about hardware implementations. In both cases, algorithms for implementing membrane systems in software and hardware that try to take advantages of massive parallelism are implemented. P-systems are parallel and non deterministic systems which simulate membranes behavior when processing information. This paper presents software techniques based on the proper utilization of virtual memory of a computer. There is a study of how much virtual memory is necessary to host a membrane model. This method improves performance in terms of time.

Towards execution time estimation in abstract machine-based languages

Abstract machines provide a certain separation between platformdependent and platform-independent concerns in compilation. Many of the differences between architectures are encapsulated in the speciflc abstract machine implementation and the bytecode is left largely architecture independent. Taking advantage of this fact, we present a framework for estimating upper and lower bounds on the execution times of logic programs running on a bytecode-based abstract machine. Our approach includes a one-time, programindependent proflling stage which calculates constants or functions bounding the execution time of each abstract machine instruction. Then, a compile-time cost estimation phase, using the instruction timing information, infers expressions giving platform-dependent upper and lower bounds on actual execution time as functions of input data sizes for each program. Working at the abstract machine level makes it possible to take into account low-level issues in new architectures and platforms by just reexecuting the calibration stage instead of having to tailor the analysis for each architecture and platform. Applications of such predicted execution times include debugging/veriflcation of time properties, certiflcation of time properties in mobile code, granularity control in parallel/distributed computing, and resource-oriented specialization.

IDRA (IDeal Resource Allocation): Computing ideal speedups in parallel logic programming

We present a technique to estimate accurate speedups for parallel logic programs with relative independence from characteristics of a given implementation or underlying parallel hardware. The proposed technique is based on gathering accurate data describing one execution at run-time, which is fed to a simulator. Alternative schedulings are then simulated and estimates computed for the corresponding speedups. A tool implementing the aforementioned techniques is presented, and its predictions are compared to the performance of real systems, showing good correlation.

Some methodological issues in the design of CIAO - A generic, parallel concurrent constraint system

We informally discuss several issues related to the parallel execution of logic programming systems and concurrent logic programming systems, and their generalization to constraint programming. We propose a new view of these systems, based on a particular definition of parallelism. We argüe that, under this view, a large number of the actual systems and models can be explained through the application, at different levéis of granularity, of only a few basic principies: determinism, non-failure, independence (also referred to as stability), granularity, etc. Also, and based on the convergence of concepts that this view brings, we sketch a model for the implementation of several parallel constraint logic programming source languages and models based on a common, generic abstract machine and an intermedíate kernel language.

Recomputation based implementation of and-or parallel prolog

We argüe that in order to exploit both Independent And- and Or-parallelism in Prolog programs there is advantage in recomputing some of the independent goals, as opposed to all their solutions being reused. We present an abstract model, called the Composition- Tree, for representing and-or parallelism in Prolog Programs. The Composition-tree closely mirrors sequential Prolog execution by recomputing some independent goals rather than fully re-using them. We also outline two environment representation techniques for And-Or parallel execution of full Prolog based on the Composition-tree model abstraction. We argüe that these techniques have advantages over earlier proposals for exploiting and-or parallelism in Prolog.

An abstract machine for restricted and-parallel execution of logic programs

Although the sequential execution speed of logic programs has been greatly improved by the concepts introduced in the Warren Abstract Machine (WAM), parallel execution represents the only way to increase this speed beyond the natural limits of sequential systems. However, most proposed parallel logic programming execution models lack the performance optimizations and storage efficiency of sequential systems. This paper presents a parallel abstract machine which is an extension of the WAM and is thus capable of supporting ANDParallelism without giving up the optimizations present in sequential implementations. A suitable instruction set, which can be used as a target by a variety of logic programming languages, is also included. Special instructions are provided to support a generalized version of "Restricted AND-Parallelism" (RAP), a technique which reduces the overhead traditionally associated with the run-time management of variable binding conflicts to a series of simple run-time checks, which select one out of a series of compiled execution graphs.

Some methodological issues in the design of CIAO, a generic, parallel concurrent constraint system

We informally discuss several issues related to the parallel execution of logic programming systems and concurrent logic programming systems, and their generalization to constraint programming. We propose a new view of these systems, based on a particular definition of parallelism. We argüe that, under this view, a large number of the actual systems and models can be explained through the application, at different levéis of granularity, of only a few basic principies: determinism, non-failure, independence (also referred to as stability), granularity, etc. Also, and based on the convergence of concepts that this view brings, we sketch a model for the implementation of several parallel constraint logic programming source languages and models based on a common, generic abstract machine and an intermedíate kernel language.

Run-Time Scalable Hardware for Reconfigurable Systems

La optimización de parámetros tales como el consumo de potencia, la cantidad de recursos lógicos empleados o la ocupación de memoria ha sido siempre una de las preocupaciones principales a la hora de diseñar sistemas embebidos. Esto es debido a que se trata de sistemas dotados de una cantidad de recursos limitados, y que han sido tradicionalmente empleados para un propósito específico, que permanece invariable a lo largo de toda la vida útil del sistema. Sin embargo, el uso de sistemas embebidos se ha extendido a áreas de aplicación fuera de su ámbito tradicional, caracterizadas por una mayor demanda computacional. Así, por ejemplo, algunos de estos sistemas deben llevar a cabo un intenso procesado de señales multimedia o la transmisión de datos mediante sistemas de comunicaciones de alta capacidad. Por otra parte, las condiciones de operación del sistema pueden variar en tiempo real. Esto sucede, por ejemplo, si su funcionamiento depende de datos medidos por el propio sistema o recibidos a través de la red, de las demandas del usuario en cada momento, o de condiciones internas del propio dispositivo, tales como la duración de la batería. Como consecuencia de la existencia de requisitos de operación dinámicos es necesario ir hacia una gestión dinámica de los recursos del sistema. Si bien el software es inherentemente flexible, no ofrece una potencia computacional tan alta como el hardware. Por lo tanto, el hardware reconfigurable aparece como una solución adecuada para tratar con mayor flexibilidad los requisitos variables dinámicamente en sistemas con alta demanda computacional. La flexibilidad y adaptabilidad del hardware requieren de dispositivos reconfigurables que permitan la modificación de su funcionalidad bajo demanda. En esta tesis se han seleccionado las FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) como los dispositivos más apropiados, hoy en día, para implementar sistemas basados en hardware reconfigurable De entre todas las posibilidades existentes para explotar la capacidad de reconfiguración de las FPGAs comerciales, se ha seleccionado la reconfiguración dinámica y parcial. Esta técnica consiste en substituir una parte de la lógica del dispositivo, mientras el resto continúa en funcionamiento. La capacidad de reconfiguración dinámica y parcial de las FPGAs es empleada en esta tesis para tratar con los requisitos de flexibilidad y de capacidad computacional que demandan los dispositivos embebidos. La propuesta principal de esta tesis doctoral es el uso de arquitecturas de procesamiento escalables espacialmente, que son capaces de adaptar su funcionalidad y rendimiento en tiempo real, estableciendo un compromiso entre dichos parámetros y la cantidad de lógica que ocupan en el dispositivo. A esto nos referimos con arquitecturas con huellas escalables. En particular, se propone el uso de arquitecturas altamente paralelas, modulares, regulares y con una alta localidad en sus comunicaciones, para este propósito. El tamaño de dichas arquitecturas puede ser modificado mediante la adición o eliminación de algunos de los módulos que las componen, tanto en una dimensión como en dos. Esta estrategia permite implementar soluciones escalables, sin tener que contar con una versión de las mismas para cada uno de los tamaños posibles de la arquitectura. De esta manera se reduce significativamente el tiempo necesario para modificar su tamaño, así como la cantidad de memoria necesaria para almacenar todos los archivos de configuración. En lugar de proponer arquitecturas para aplicaciones específicas, se ha optado por patrones de procesamiento genéricos, que pueden ser ajustados para solucionar distintos problemas en el estado del arte. A este respecto, se proponen patrones basados en esquemas sistólicos, así como de tipo wavefront. Con el objeto de poder ofrecer una solución integral, se han tratado otros aspectos relacionados con el diseño y el funcionamiento de las arquitecturas, tales como el control del proceso de reconfiguración de la FPGA, la integración de las arquitecturas en el resto del sistema, así como las técnicas necesarias para su implementación. Por lo que respecta a la implementación, se han tratado distintos aspectos de bajo nivel dependientes del dispositivo. Algunas de las propuestas realizadas a este respecto en la presente tesis doctoral son un router que es capaz de garantizar el correcto rutado de los módulos reconfigurables dentro del área destinada para ellos, así como una estrategia para la comunicación entre módulos que no introduce ningún retardo ni necesita emplear recursos configurables del dispositivo. El flujo de diseño propuesto se ha automatizado mediante una herramienta denominada DREAMS. La herramienta se encarga de la modificación de las netlists correspondientes a cada uno de los módulos reconfigurables del sistema, y que han sido generadas previamente mediante herramientas comerciales. Por lo tanto, el flujo propuesto se entiende como una etapa de post-procesamiento, que adapta esas netlists a los requisitos de la reconfiguración dinámica y parcial. Dicha modificación la lleva a cabo la herramienta de una forma completamente automática, por lo que la productividad del proceso de diseño aumenta de forma evidente. Para facilitar dicho proceso, se ha dotado a la herramienta de una interfaz gráfica. El flujo de diseño propuesto, y la herramienta que lo soporta, tienen características específicas para abordar el diseño de las arquitecturas dinámicamente escalables propuestas en esta tesis. Entre ellas está el soporte para el realojamiento de módulos reconfigurables en posiciones del dispositivo distintas a donde el módulo es originalmente implementado, así como la generación de estructuras de comunicación compatibles con la simetría de la arquitectura. El router has sido empleado también en esta tesis para obtener un rutado simétrico entre nets equivalentes. Dicha posibilidad ha sido explotada para aumentar la protección de circuitos con altos requisitos de seguridad, frente a ataques de canal lateral, mediante la implantación de lógica complementaria con rutado idéntico. Para controlar el proceso de reconfiguración de la FPGA, se propone en esta tesis un motor de reconfiguración especialmente adaptado a los requisitos de las arquitecturas dinámicamente escalables. Además de controlar el puerto de reconfiguración, el motor de reconfiguración ha sido dotado de la capacidad de realojar módulos reconfigurables en posiciones arbitrarias del dispositivo, en tiempo real. De esta forma, basta con generar un único bitstream por cada módulo reconfigurable del sistema, independientemente de la posición donde va a ser finalmente reconfigurado. La estrategia seguida para implementar el proceso de realojamiento de módulos es diferente de las propuestas existentes en el estado del arte, pues consiste en la composición de los archivos de configuración en tiempo real. De esta forma se consigue aumentar la velocidad del proceso, mientras que se reduce la longitud de los archivos de configuración parciales a almacenar en el sistema. El motor de reconfiguración soporta módulos reconfigurables con una altura menor que la altura de una región de reloj del dispositivo. Internamente, el motor se encarga de la combinación de los frames que describen el nuevo módulo, con la configuración existente en el dispositivo previamente. El escalado de las arquitecturas de procesamiento propuestas en esta tesis también se puede beneficiar de este mecanismo. Se ha incorporado también un acceso directo a una memoria externa donde se pueden almacenar bitstreams parciales. Para acelerar el proceso de reconfiguración se ha hecho funcionar el ICAP por encima de la máxima frecuencia de reloj aconsejada por el fabricante. Así, en el caso de Virtex-5, aunque la máxima frecuencia del reloj deberían ser 100 MHz, se ha conseguido hacer funcionar el puerto de reconfiguración a frecuencias de operación de hasta 250 MHz, incluyendo el proceso de realojamiento en tiempo real. Se ha previsto la posibilidad de portar el motor de reconfiguración a futuras familias de FPGAs. Por otro lado, el motor de reconfiguración se puede emplear para inyectar fallos en el propio dispositivo hardware, y así ser capaces de evaluar la tolerancia ante los mismos que ofrecen las arquitecturas reconfigurables. Los fallos son emulados mediante la generación de archivos de configuración a los que intencionadamente se les ha introducido un error, de forma que se modifica su funcionalidad. Con el objetivo de comprobar la validez y los beneficios de las arquitecturas propuestas en esta tesis, se han seguido dos líneas principales de aplicación. En primer lugar, se propone su uso como parte de una plataforma adaptativa basada en hardware evolutivo, con capacidad de escalabilidad, adaptabilidad y recuperación ante fallos. En segundo lugar, se ha desarrollado un deblocking filter escalable, adaptado a la codificación de vídeo escalable, como ejemplo de aplicación de las arquitecturas de tipo wavefront propuestas. El hardware evolutivo consiste en el uso de algoritmos evolutivos para diseñar hardware de forma autónoma, explotando la flexibilidad que ofrecen los dispositivos reconfigurables. En este caso, los elementos de procesamiento que componen la arquitectura son seleccionados de una biblioteca de elementos presintetizados, de acuerdo con las decisiones tomadas por el algoritmo evolutivo, en lugar de definir la configuración de las mismas en tiempo de diseño. De esta manera, la configuración del core puede cambiar cuando lo hacen las condiciones del entorno, en tiempo real, por lo que se consigue un control autónomo del proceso de reconfiguración dinámico. Así, el sistema es capaz de optimizar, de forma autónoma, su propia configuración. El hardware evolutivo tiene una capacidad inherente de auto-reparación. Se ha probado que las arquitecturas evolutivas propuestas en esta tesis son tolerantes ante fallos, tanto transitorios, como permanentes y acumulativos. La plataforma evolutiva se ha empleado para implementar filtros de eliminación de ruido. La escalabilidad también ha sido aprovechada en esta aplicación. Las arquitecturas evolutivas escalables permiten la adaptación autónoma de los cores de procesamiento ante fluctuaciones en la cantidad de recursos disponibles en el sistema. Por lo tanto, constituyen un ejemplo de escalabilidad dinámica para conseguir un determinado nivel de calidad, que puede variar en tiempo real. Se han propuesto dos variantes de sistemas escalables evolutivos. El primero consiste en un único core de procesamiento evolutivo, mientras que el segundo está formado por un número variable de arrays de procesamiento. La codificación de vídeo escalable, a diferencia de los codecs no escalables, permite la decodificación de secuencias de vídeo con diferentes niveles de calidad, de resolución temporal o de resolución espacial, descartando la información no deseada. Existen distintos algoritmos que soportan esta característica. En particular, se va a emplear el estándar Scalable Video Coding (SVC), que ha sido propuesto como una extensión de H.264/AVC, ya que este último es ampliamente utilizado tanto en la industria, como a nivel de investigación. Para poder explotar toda la flexibilidad que ofrece el estándar, hay que permitir la adaptación de las características del decodificador en tiempo real. El uso de las arquitecturas dinámicamente escalables es propuesto en esta tesis con este objetivo. El deblocking filter es un algoritmo que tiene como objetivo la mejora de la percepción visual de la imagen reconstruida, mediante el suavizado de los "artefactos" de bloque generados en el lazo del codificador. Se trata de una de las tareas más intensivas en procesamiento de datos de H.264/AVC y de SVC, y además, su carga computacional es altamente dependiente del nivel de escalabilidad seleccionado en el decodificador. Por lo tanto, el deblocking filter ha sido seleccionado como prueba de concepto de la aplicación de las arquitecturas dinámicamente escalables para la compresión de video. La arquitectura propuesta permite añadir o eliminar unidades de computación, siguiendo un esquema de tipo wavefront. La arquitectura ha sido propuesta conjuntamente con un esquema de procesamiento en paralelo del deblocking filter a nivel de macrobloque, de tal forma que cuando se varía del tamaño de la arquitectura, el orden de filtrado de los macrobloques varia de la misma manera. El patrón propuesto se basa en la división del procesamiento de cada macrobloque en dos etapas independientes, que se corresponden con el filtrado horizontal y vertical de los bloques dentro del macrobloque. Las principales contribuciones originales de esta tesis son las siguientes: - El uso de arquitecturas altamente regulares, modulares, paralelas y con una intensa localidad en sus comunicaciones, para implementar cores de procesamiento dinámicamente reconfigurables. - El uso de arquitecturas bidimensionales, en forma de malla, para construir arquitecturas dinámicamente escalables, con una huella escalable. De esta forma, las arquitecturas permiten establecer un compromiso entre el área que ocupan en el dispositivo, y las prestaciones que ofrecen en cada momento. Se proponen plantillas de procesamiento genéricas, de tipo sistólico o wavefront, que pueden ser adaptadas a distintos problemas de procesamiento. - Un flujo de diseño y una herramienta que lo soporta, para el diseño de sistemas reconfigurables dinámicamente, centradas en el diseño de las arquitecturas altamente paralelas, modulares y regulares propuestas en esta tesis. - Un esquema de comunicaciones entre módulos reconfigurables que no introduce ningún retardo ni requiere el uso de recursos lógicos propios. - Un router flexible, capaz de resolver los conflictos de rutado asociados con el diseño de sistemas reconfigurables dinámicamente. - Un algoritmo de optimización para sistemas formados por múltiples cores escalables que optimice, mediante un algoritmo genético, los parámetros de dicho sistema. Se basa en un modelo conocido como el problema de la mochila. - Un motor de reconfiguración adaptado a los requisitos de las arquitecturas altamente regulares y modulares. Combina una alta velocidad de reconfiguración, con la capacidad de realojar módulos en tiempo real, incluyendo el soporte para la reconfiguración de regiones que ocupan menos que una región de reloj, así como la réplica de un módulo reconfigurable en múltiples posiciones del dispositivo. - Un mecanismo de inyección de fallos que, empleando el motor de reconfiguración del sistema, permite evaluar los efectos de fallos permanentes y transitorios en arquitecturas reconfigurables. - La demostración de las posibilidades de las arquitecturas propuestas en esta tesis para la implementación de sistemas de hardware evolutivos, con una alta capacidad de procesamiento de datos. - La implementación de sistemas de hardware evolutivo escalables, que son capaces de tratar con la fluctuación de la cantidad de recursos disponibles en el sistema, de una forma autónoma. - Una estrategia de procesamiento en paralelo para el deblocking filter compatible con los estándares H.264/AVC y SVC que reduce el número de ciclos de macrobloque necesarios para procesar un frame de video. - Una arquitectura dinámicamente escalable que permite la implementación de un nuevo deblocking filter, totalmente compatible con los estándares H.264/AVC y SVC, que explota el paralelismo a nivel de macrobloque. El presente documento se organiza en siete capítulos. En el primero se ofrece una introducción al marco tecnológico de esta tesis, especialmente centrado en la reconfiguración dinámica y parcial de FPGAs. También se motiva la necesidad de las arquitecturas dinámicamente escalables propuestas en esta tesis. En el capítulo 2 se describen las arquitecturas dinámicamente escalables. Dicha descripción incluye la mayor parte de las aportaciones a nivel arquitectural realizadas en esta tesis. Por su parte, el flujo de diseño adaptado a dichas arquitecturas se propone en el capítulo 3. El motor de reconfiguración se propone en el 4, mientras que el uso de dichas arquitecturas para implementar sistemas de hardware evolutivo se aborda en el 5. El deblocking filter escalable se describe en el 6, mientras que las conclusiones finales de esta tesis, así como la descripción del trabajo futuro, son abordadas en el capítulo 7. ABSTRACT The optimization of system parameters, such as power dissipation, the amount of hardware resources and the memory footprint, has been always a main concern when dealing with the design of resource-constrained embedded systems. This situation is even more demanding nowadays. Embedded systems cannot anymore be considered only as specific-purpose computers, designed for a particular functionality that remains unchanged during their lifetime. Differently, embedded systems are now required to deal with more demanding and complex functions, such as multimedia data processing and high-throughput connectivity. In addition, system operation may depend on external data, the user requirements or internal variables of the system, such as the battery life-time. All these conditions may vary at run-time, leading to adaptive scenarios. As a consequence of both the growing computational complexity and the existence of dynamic requirements, dynamic resource management techniques for embedded systems are needed. Software is inherently flexible, but it cannot meet the computing power offered by hardware solutions. Therefore, reconfigurable hardware emerges as a suitable technology to deal with the run-time variable requirements of complex embedded systems. Adaptive hardware requires the use of reconfigurable devices, where its functionality can be modified on demand. In this thesis, Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) have been selected as the most appropriate commercial technology existing nowadays to implement adaptive hardware systems. There are different ways of exploiting reconfigurability in reconfigurable devices. Among them is dynamic and partial reconfiguration. This is a technique which consists in substituting part of the FPGA logic on demand, while the rest of the device continues working. The strategy followed in this thesis is to exploit the dynamic and partial reconfiguration of commercial FPGAs to deal with the flexibility and complexity demands of state-of-the-art embedded systems. The proposal of this thesis to deal with run-time variable system conditions is the use of spatially scalable processing hardware IP cores, which are able to adapt their functionality or performance at run-time, trading them off with the amount of logic resources they occupy in the device. This is referred to as a scalable footprint in the context of this thesis. The distinguishing characteristic of the proposed cores is that they rely on highly parallel, modular and regular architectures, arranged in one or two dimensions. These architectures can be scaled by means of the addition or removal of the composing blocks. This strategy avoids implementing a full version of the core for each possible size, with the corresponding benefits in terms of scaling and adaptation time, as well as bitstream storage memory requirements. Instead of providing specific-purpose architectures, generic architectural templates, which can be tuned to solve different problems, are proposed in this thesis. Architectures following both systolic and wavefront templates have been selected. Together with the proposed scalable architectural templates, other issues needed to ensure the proper design and operation of the scalable cores, such as the device reconfiguration control, the run-time management of the architecture and the implementation techniques have been also addressed in this thesis. With regard to the implementation of dynamically reconfigurable architectures, device dependent low-level details are addressed. Some of the aspects covered in this thesis are the area constrained routing for reconfigurable modules, or an inter-module communication strategy which does not introduce either extra delay or logic overhead. The system implementation, from the hardware description to the device configuration bitstream, has been fully automated by modifying the netlists corresponding to each of the system modules, which are previously generated using the vendor tools. This modification is therefore envisaged as a post-processing step. Based on these implementation proposals, a design tool called DREAMS (Dynamically Reconfigurable Embedded and Modular Systems) has been created, including a graphic user interface. The tool has specific features to cope with modular and regular architectures, including the support for module relocation and the inter-module communications scheme based on the symmetry of the architecture. The core of the tool is a custom router, which has been also exploited in this thesis to obtain symmetric routed nets, with the aim of enhancing the protection of critical reconfigurable circuits against side channel attacks. This is achieved by duplicating the logic with an exactly equal routing. In order to control the reconfiguration process of the FPGA, a Reconfiguration Engine suited to the specific requirements set by the proposed architectures was also proposed. Therefore, in addition to controlling the reconfiguration port, the Reconfiguration Engine has been enhanced with the online relocation ability, which allows employing a unique configuration bitstream for all the positions where the module may be placed in the device. Differently to the existing relocating solutions, which are based on bitstream parsers, the proposed approach is based on the online composition of bitstreams. This strategy allows increasing the speed of the process, while the length of partial bitstreams is also reduced. The height of the reconfigurable modules can be lower than the height of a clock region. The Reconfiguration Engine manages the merging process of the new and the existing configuration frames within each clock region. The process of scaling up and down the hardware cores also benefits from this technique. A direct link to an external memory where partial bitstreams can be stored has been also implemented. In order to accelerate the reconfiguration process, the ICAP has been overclocked over the speed reported by the manufacturer. In the case of Virtex-5, even though the maximum frequency of the ICAP is reported to be 100 MHz, valid operations at 250 MHz have been achieved, including the online relocation process. Portability of the reconfiguration solution to today's and probably, future FPGAs, has been also considered. The reconfiguration engine can be also used to inject faults in real hardware devices, and this way being able to evaluate the fault tolerance offered by the reconfigurable architectures. Faults are emulated by introducing partial bitstreams intentionally modified to provide erroneous functionality. To prove the validity and the benefits offered by the proposed architectures, two demonstration application lines have been envisaged. First, scalable architectures have been employed to develop an evolvable hardware platform with adaptability, fault tolerance and scalability properties. Second, they have been used to implement a scalable deblocking filter suited to scalable video coding. Evolvable Hardware is the use of evolutionary algorithms to design hardware in an autonomous way, exploiting the flexibility offered by reconfigurable devices. In this case, processing elements composing the architecture are selected from a presynthesized library of processing elements, according to the decisions taken by the algorithm, instead of being decided at design time. This way, the configuration of the array may change as run-time environmental conditions do, achieving autonomous control of the dynamic reconfiguration process. Thus, the self-optimization property is added to the native self-configurability of the dynamically scalable architectures. In addition, evolvable hardware adaptability inherently offers self-healing features. The proposal has proved to be self-tolerant, since it is able to self-recover from both transient and cumulative permanent faults. The proposed evolvable architecture has been used to implement noise removal image filters. Scalability has been also exploited in this application. Scalable evolvable hardware architectures allow the autonomous adaptation of the processing cores to a fluctuating amount of resources available in the system. Thus, it constitutes an example of the dynamic quality scalability tackled in this thesis. Two variants have been proposed. The first one consists in a single dynamically scalable evolvable core, and the second one contains a variable number of processing cores. Scalable video is a flexible approach for video compression, which offers scalability at different levels. Differently to non-scalable codecs, a scalable video bitstream can be decoded with different levels of quality, spatial or temporal resolutions, by discarding the undesired information. The interest in this technology has been fostered by the development of the Scalable Video Coding (SVC) standard, as an extension of H.264/AVC. In order to exploit all the flexibility offered by the standard, it is necessary to adapt the characteristics of the decoder to the requirements of each client during run-time. The use of dynamically scalable architectures is proposed in this thesis with this aim. The deblocking filter algorithm is the responsible of improving the visual perception of a reconstructed image, by smoothing blocking artifacts generated in the encoding loop. This is one of the most computationally intensive tasks of the standard, and furthermore, it is highly dependent on the selected scalability level in the decoder. Therefore, the deblocking filter has been selected as a proof of concept of the implementation of dynamically scalable architectures for video compression. The proposed architecture allows the run-time addition or removal of computational units working in parallel to change its level of parallelism, following a wavefront computational pattern. Scalable architecture is offered together with a scalable parallelization strategy at the macroblock level, such that when the size of the architecture changes, the macroblock filtering order is modified accordingly. The proposed pattern is based on the division of the macroblock processing into two independent stages, corresponding to the horizontal and vertical filtering of the blocks within the macroblock. The main contributions of this thesis are: - The use of highly parallel, modular, regular and local architectures to implement dynamically reconfigurable processing IP cores, for data intensive applications with flexibility requirements. - The use of two-dimensional mesh-type arrays as architectural templates to build dynamically reconfigurable IP cores, with a scalable footprint. The proposal consists in generic architectural templates, which can be tuned to solve different computational problems. •A design flow and a tool targeting the design of DPR systems, focused on highly parallel, modular and local architectures. - An inter-module communication strategy, which does not introduce delay or area overhead, named Virtual Borders. - A custom and flexible router to solve the routing conflicts as well as the inter-module communication problems, appearing during the design of DPR systems. - An algorithm addressing the optimization of systems composed of multiple scalable cores, which size can be decided individually, to optimize the system parameters. It is based on a model known as the multi-dimensional multi-choice Knapsack problem. - A reconfiguration engine tailored to the requirements of highly regular and modular architectures. It combines a high reconfiguration throughput with run-time module relocation capabilities, including the support for sub-clock reconfigurable regions and the replication in multiple positions. - A fault injection mechanism which takes advantage of the system reconfiguration engine, as well as the modularity of the proposed reconfigurable architectures, to evaluate the effects of transient and permanent faults in these architectures. - The demonstration of the possibilities of the architectures proposed in this thesis to implement evolvable hardware systems, while keeping a high processing throughput. - The implementation of scalable evolvable hardware systems, which are able to adapt to the fluctuation of the amount of resources available in the system, in an autonomous way. - A parallelization strategy for the H.264/AVC and SVC deblocking filter, which reduces the number of macroblock cycles needed to process the whole frame. - A dynamically scalable architecture that permits the implementation of a novel deblocking filter module, fully compliant with the H.264/AVC and SVC standards, which exploits the macroblock level parallelism of the algorithm. This document is organized in seven chapters. In the first one, an introduction to the technology framework of this thesis, specially focused on dynamic and partial reconfiguration, is provided. The need for the dynamically scalable processing architectures proposed in this work is also motivated in this chapter. In chapter 2, dynamically scalable architectures are described. Description includes most of the architectural contributions of this work. The design flow tailored to the scalable architectures, together with the DREAMs tool provided to implement them, are described in chapter 3. The reconfiguration engine is described in chapter 4. The use of the proposed scalable archtieectures to implement evolvable hardware systems is described in chapter 5, while the scalable deblocking filter is described in chapter 6. Final conclusions of this thesis, and the description of future work, are addressed in chapter 7.