Improved static analysis and verification of energy consumption and other resources via abstract interpretation

Resource analysis aims at inferring the cost of executing programs for any possible input, in terms of a given resource, such as the traditional execution steps, time ormemory, and, more recently energy consumption or user defined resources (e.g., number of bits sent over a socket, number of database accesses, number of calls to particular procedures, etc.). This is performed statically, i.e., without actually running the programs. Resource usage information is useful for a variety of optimization and verification applications, as well as for guiding software design. For example, programmers can use such information to choose different algorithmic solutions to a problem; program transformation systems can use cost information to choose between alternative transformations; parallelizing compilers can use cost estimates for granularity control, which tries to balance the overheads of task creation and manipulation against the benefits of parallelization. In this thesis we have significatively improved an existing prototype implementation for resource usage analysis based on abstract interpretation, addressing a number of relevant challenges and overcoming many limitations it presented. The goal of that prototype was to show the viability of casting the resource analysis as an abstract domain, and howit could overcome important limitations of the state-of-the-art resource usage analysis tools. For this purpose, it was implemented as an abstract domain in the abstract interpretation framework of the CiaoPP system, PLAI.We have improved both the design and implementation of the prototype, for eventually allowing an evolution of the tool to the industrial application level. The abstract operations of such tool heavily depend on the setting up and finding closed-form solutions of recurrence relations representing the resource usage behavior of program components and the whole program as well. While there exist many tools, such as Computer Algebra Systems (CAS) and libraries able to find closed-form solutions for some types of recurrences, none of them alone is able to handle all the types of recurrences arising during program analysis. In addition, there are some types of recurrences that cannot be solved by any existing tool. This clearly constitutes a bottleneck for this kind of resource usage analysis. Thus, one of the major challenges we have addressed in this thesis is the design and development of a novel modular framework for solving recurrence relations, able to combine and take advantage of the results of existing solvers. Additionally, we have developed and integrated into our novel solver a technique for finding upper-bound closed-form solutions of a special class of recurrence relations that arise during the analysis of programs with accumulating parameters. Finally, we have integrated the improved resource analysis into the CiaoPP general framework for resource usage verification, and specialized the framework for verifying energy consumption specifications of embedded imperative programs in a real application, showing the usefulness and practicality of the resulting tool.---ABSTRACT---El Análisis de recursos tiene como objetivo inferir el coste de la ejecución de programas para cualquier entrada posible, en términos de algún recurso determinado, como pasos de ejecución, tiempo o memoria, y, más recientemente, el consumo de energía o recursos definidos por el usuario (por ejemplo, número de bits enviados a través de un socket, el número de accesos a una base de datos, cantidad de llamadas a determinados procedimientos, etc.). Ello se realiza estáticamente, es decir, sin necesidad de ejecutar los programas. La información sobre el uso de recursos resulta muy útil para una gran variedad de aplicaciones de optimización y verificación de programas, así como para asistir en el diseño de los mismos. Por ejemplo, los programadores pueden utilizar dicha información para elegir diferentes soluciones algorítmicas a un problema; los sistemas de transformación de programas pueden utilizar la información de coste para elegir entre transformaciones alternativas; los compiladores paralelizantes pueden utilizar las estimaciones de coste para realizar control de granularidad, el cual trata de equilibrar el coste debido a la creación y gestión de tareas, con los beneficios de la paralelización. En esta tesis hemos mejorado de manera significativa la implementación de un prototipo existente para el análisis del uso de recursos basado en interpretación abstracta, abordando diversos desafíos relevantes y superando numerosas limitaciones que éste presentaba. El objetivo de dicho prototipo era mostrar la viabilidad de definir el análisis de recursos como un dominio abstracto, y cómo se podían superar las limitaciones de otras herramientas similares que constituyen el estado del arte. Para ello, se implementó como un dominio abstracto en el marco de interpretación abstracta presente en el sistema CiaoPP, PLAI. Hemos mejorado tanto el diseño como la implementación del mencionado prototipo para posibilitar su evolución hacia una herramienta utilizable en el ámbito industrial. Las operaciones abstractas de dicha herramienta dependen en gran medida de la generación, y posterior búsqueda de soluciones en forma cerrada, de relaciones recurrentes, las cuales modelizan el comportamiento, respecto al consumo de recursos, de los componentes del programa y del programa completo. Si bien existen actualmente muchas herramientas capaces de encontrar soluciones en forma cerrada para ciertos tipos de recurrencias, tales como Sistemas de Computación Algebraicos (CAS) y librerías de programación, ninguna de dichas herramientas es capaz de tratar, por sí sola, todos los tipos de recurrencias que surgen durante el análisis de recursos. Existen incluso recurrencias que no las puede resolver ninguna herramienta actual. Esto constituye claramente un cuello de botella para este tipo de análisis del uso de recursos. Por lo tanto, uno de los principales desafíos que hemos abordado en esta tesis es el diseño y desarrollo de un novedoso marco modular para la resolución de relaciones recurrentes, combinando y aprovechando los resultados de resolutores existentes. Además de ello, hemos desarrollado e integrado en nuestro nuevo resolutor una técnica para la obtención de cotas superiores en forma cerrada de una clase característica de relaciones recurrentes que surgen durante el análisis de programas lógicos con parámetros de acumulación. Finalmente, hemos integrado el nuevo análisis de recursos con el marco general para verificación de recursos de CiaoPP, y hemos instanciado dicho marco para la verificación de especificaciones sobre el consumo de energía de programas imperativas embarcados, mostrando la viabilidad y utilidad de la herramienta resultante en una aplicación real.

Abstract Interpretation-based verification/certification in the ciaoPP system

CiaoPP is the abstract interpretation-based preprocessor of the Ciao multi-paradigm (Constraint) Logic Programming system. It uses modular, incremental abstract interpretation as a fundamental tool to obtain information about programs. In CiaoPP, the semantic approximations thus produced have been applied to perform high- and low-level optimizations during program compilation, including transformations such as múltiple abstract specialization, parallelization, partial evaluation, resource usage control, and program verification. More recently, novel and promising applications of such semantic approximations are being applied in the more general context of program development such as program verification. In this work, we describe our extensión of the system to incorpórate Abstraction-Carrying Code (ACC), a novel approach to mobile code safety. ACC follows the standard strategy of associating safety certificates to programs, originally proposed in Proof Carrying- Code. A distinguishing feature of ACC is that we use an abstraction (or abstract model) of the program computed by standard static analyzers as a certifícate. The validity of the abstraction on the consumer side is checked in a single-pass by a very efficient and specialized abstractinterpreter. We have implemented and benchmarked ACC within CiaoPP. The experimental results show that the checking phase is indeed faster than the proof generation phase, and that the sizes of certificates are reasonable. Moreover, the preprocessor is based on compile-time (and run-time) tools for the certification of CLP programs with resource consumption assurances.

Distributed collaborative processing in wireless sensor networks with application to target localization and beamforming

Abstract The proliferation of wireless sensor networks and the variety of envisioned applications associated with them has motivated the development of distributed algorithms for collaborative processing over networked systems. One of the applications that has attracted the attention of the researchers is that of target localization where the nodes of the network try to estimate the position of an unknown target that lies within its coverage area. Particularly challenging is the problem of estimating the target’s position when we use received signal strength indicator (RSSI) due to the nonlinear relationship between the measured signal and the true position of the target. Many of the existing approaches suffer either from high computational complexity (e.g., particle filters) or lack of accuracy. Further, many of the proposed solutions are centralized which make their application to a sensor network questionable. Depending on the application at hand and, from a practical perspective it could be convenient to find a balance between localization accuracy and complexity. Into this direction we approach the maximum likelihood location estimation problem by solving a suboptimal (and more tractable) problem. One of the main advantages of the proposed scheme is that it allows for a decentralized implementation using distributed processing tools (e.g., consensus and convex optimization) and therefore, it is very suitable to be implemented in real sensor networks. If further accuracy is needed an additional refinement step could be performed around the found solution. Under the assumption of independent noise among the nodes such local search can be done in a fully distributed way using a distributed version of the Gauss-Newton method based on consensus. Regardless of the underlying application or function of the sensor network it is al¬ways necessary to have a mechanism for data reporting. While some approaches use a special kind of nodes (called sink nodes) for data harvesting and forwarding to the outside world, there are however some scenarios where such an approach is impractical or even impossible to deploy. Further, such sink nodes become a bottleneck in terms of traffic flow and power consumption. To overcome these issues instead of using sink nodes for data reporting one could use collaborative beamforming techniques to forward directly the generated data to a base station or gateway to the outside world. In a dis-tributed environment like a sensor network nodes cooperate in order to form a virtual antenna array that can exploit the benefits of multi-antenna communications. In col-laborative beamforming nodes synchronize their phases in order to add constructively at the receiver. Some of the inconveniences associated with collaborative beamforming techniques is that there is no control over the radiation pattern since it is treated as a random quantity. This may cause interference to other coexisting systems and fast bat-tery depletion at the nodes. Since energy-efficiency is a major design issue we consider the development of a distributed collaborative beamforming scheme that maximizes the network lifetime while meeting some quality of service (QoS) requirement at the re¬ceiver side. Using local information about battery status and channel conditions we find distributed algorithms that converge to the optimal centralized beamformer. While in the first part we consider only battery depletion due to communications beamforming, we extend the model to account for more realistic scenarios by the introduction of an additional random energy consumption. It is shown how the new problem generalizes the original one and under which conditions it is easily solvable. By formulating the problem under the energy-efficiency perspective the network’s lifetime is significantly improved. Resumen La proliferación de las redes inalámbricas de sensores junto con la gran variedad de posi¬bles aplicaciones relacionadas, han motivado el desarrollo de herramientas y algoritmos necesarios para el procesado cooperativo en sistemas distribuidos. Una de las aplicaciones que suscitado mayor interés entre la comunidad científica es la de localization, donde el conjunto de nodos de la red intenta estimar la posición de un blanco localizado dentro de su área de cobertura. El problema de la localization es especialmente desafiante cuando se usan niveles de energía de la seal recibida (RSSI por sus siglas en inglés) como medida para la localization. El principal inconveniente reside en el hecho que el nivel de señal recibida no sigue una relación lineal con la posición del blanco. Muchas de las soluciones actuales al problema de localization usando RSSI se basan en complejos esquemas centralizados como filtros de partículas, mientas que en otras se basan en esquemas mucho más simples pero con menor precisión. Además, en muchos casos las estrategias son centralizadas lo que resulta poco prácticos para su implementación en redes de sensores. Desde un punto de vista práctico y de implementation, es conveniente, para ciertos escenarios y aplicaciones, el desarrollo de alternativas que ofrezcan un compromiso entre complejidad y precisión. En esta línea, en lugar de abordar directamente el problema de la estimación de la posición del blanco bajo el criterio de máxima verosimilitud, proponemos usar una formulación subóptima del problema más manejable analíticamente y que ofrece la ventaja de permitir en¬contrar la solución al problema de localization de una forma totalmente distribuida, convirtiéndola así en una solución atractiva dentro del contexto de redes inalámbricas de sensores. Para ello, se usan herramientas de procesado distribuido como los algorit¬mos de consenso y de optimización convexa en sistemas distribuidos. Para aplicaciones donde se requiera de un mayor grado de precisión se propone una estrategia que con¬siste en la optimización local de la función de verosimilitud entorno a la estimación inicialmente obtenida. Esta optimización se puede realizar de forma descentralizada usando una versión basada en consenso del método de Gauss-Newton siempre y cuando asumamos independencia de los ruidos de medida en los diferentes nodos. Independientemente de la aplicación subyacente de la red de sensores, es necesario tener un mecanismo que permita recopilar los datos provenientes de la red de sensores. Una forma de hacerlo es mediante el uso de uno o varios nodos especiales, llamados nodos “sumidero”, (sink en inglés) que actúen como centros recolectores de información y que estarán equipados con hardware adicional que les permita la interacción con el exterior de la red. La principal desventaja de esta estrategia es que dichos nodos se convierten en cuellos de botella en cuanto a tráfico y capacidad de cálculo. Como alter¬nativa se pueden usar técnicas cooperativas de conformación de haz (beamforming en inglés) de manera que el conjunto de la red puede verse como un único sistema virtual de múltiples antenas y, por tanto, que exploten los beneficios que ofrecen las comu¬nicaciones con múltiples antenas. Para ello, los distintos nodos de la red sincronizan sus transmisiones de manera que se produce una interferencia constructiva en el recep¬tor. No obstante, las actuales técnicas se basan en resultados promedios y asintóticos, cuando el número de nodos es muy grande. Para una configuración específica se pierde el control sobre el diagrama de radiación causando posibles interferencias sobre sis¬temas coexistentes o gastando más potencia de la requerida. La eficiencia energética es una cuestión capital en las redes inalámbricas de sensores ya que los nodos están equipados con baterías. Es por tanto muy importante preservar la batería evitando cambios innecesarios y el consecuente aumento de costes. Bajo estas consideraciones, se propone un esquema de conformación de haz que maximice el tiempo de vida útil de la red, entendiendo como tal el máximo tiempo que la red puede estar operativa garantizando unos requisitos de calidad de servicio (QoS por sus siglas en inglés) que permitan una decodificación fiable de la señal recibida en la estación base. Se proponen además algoritmos distribuidos que convergen a la solución centralizada. Inicialmente se considera que la única causa de consumo energético se debe a las comunicaciones con la estación base. Este modelo de consumo energético es modificado para tener en cuenta otras formas de consumo de energía derivadas de procesos inherentes al funcionamiento de la red como la adquisición y procesado de datos, las comunicaciones locales entre nodos, etc. Dicho consumo adicional de energía se modela como una variable aleatoria en cada nodo. Se cambia por tanto, a un escenario probabilístico que generaliza el caso determinista y se proporcionan condiciones bajo las cuales el problema se puede resolver de forma eficiente. Se demuestra que el tiempo de vida de la red mejora de forma significativa usando el criterio propuesto de eficiencia energética.

An automatic documentation generator for (C)LP - Reference manual

Lpdoc is an automatic program documentation generator for (C)LP systems. Lpdoc generates a reference manual automatically from one or more source files for a logic program (including ISO-Prolog, Ciao, many CLP systems, ...). It is particularly useful for documenting library modules, for which it automatically generates a description of the module interface. However, lpdoc can also be used quite successfully to document full applications and to generate nicely formatted plain ascii "readme" files. A fundamental advantage of using lpdoc to document programs is that it is much easier to maintain a true correspondence between the program and its documentation, and to identify precisely to what version of the program a given printed manual corresponds. The quality of the documentation generated can be greatly enhanced by including within the program text: • assertions (types, modes, etc. ...) for the predicates in the program, and • machine-readable comments (in the "literate programming" style). The assertions and comments included in the source file need to be written using the Ciao system assertion language. A simple compatibility library is available to make traditional (constraint) logic programming systems ignore these assertions and comments allowing normal treatment of programs documented in this way. The documentation is currently generated in HTML or texinf o format. From the texinf o output, printed and on-line manuals in several formats (dvi, ps, info, etc.) can be easily generated automatically, using publicly available tools, lpdoc can also generate 'man' pages (Unix man page format) as well as brief descriptions in html or emacs info formats suitable for inclusion in an on-line index of applications. In particular, lpdoc can create and maintain fully automatically WWW and info sites containing on-line versions of the documents it produces. The lpdoc manual (and the Ciao system manuals) are generated by lpdoc. Lpdoc is distributed under the GNU general public license. Note: lpdoc is fully supported on Linux, Mac OS X, and other Un*x-like systems. Due to the use of several Un*x-related utilities, some documentation back-ends may require Cygwin under Win32. This documentation corresponds to version 3.0 (2011/7/7, 16:33:15 CEST).

Intereses exógenos y resistencia ciudadana en la transformación físicosocial de un asentamiento auto-producido de Dakar (2005-2011)

La presión sobre el acceso a la tierra en la península de Dakar, Senegal, ha generado un proceso de transformación físico-social del mayor asentamiento auto-producido de la periferia urbana de Dakar (Pikine Irregular Sur) en el periodo 2005-2011. Esta investigación se propone analizar en qué medida las acciones llevadas a cabo: i) satisfacen o no el sistema integral de necesidades de los afectados (Demanda); ii) favorecen la implicación de los afectados o, por el contrario, fortalecen las estructuras de poder dominantes (Oferta), y iii) promueven o no la autonomía económica, la sostenibilidad ambiental, la equidad social y la legitimidad de los actores que participan (Entorno). La investigación se ha llevado a cabo por el método de estudio de casos, mediante un proceso de recogida de información participativo, articulado de abajo hacia arriba, en el que han participado 196 personas; la información recogida se ha procesado mediante la utilización de dos herramientas de análisis de realidades complejas: flujo de programa y sistema funcional. Los resultados del estudio de los casos 1 y 2 muestran que las acciones se han llevado a cabo en beneficio de los intereses de los mercados y de los actores que toman las decisiones y gestionan los recursos, incrementando la dependencia económica, empobreciendo a los directamente afectados y fragmentando su tejido social, promoviendo un desarrollo urbano desequilibrado, disperso y segregado, y deslegitimando a las instituciones involucradas. En el estudio del caso 3, en cambio, se verifica que la acción se ha llevado a cabo en beneficio de los intereses de los directamente afectados, utilizando recursos endógenos, fortaleciendo su tejido social, promoviendo un desarrollo urbano concentrado e inclusivo, e incrementando la legitimidad de las instituciones involucradas. El análisis cruzado de los resultados muestra que la pobreza, la exclusión social y la precariedad habitacional, en el contexto específico de la periferia de Dakar, no son un problema de falta de recursos, sino de falta de ética por parte de quienes gestionan y financian los procesos de transformación físico-social, y de falta de voluntad por parte de las autoridades de implicar a los ciudadanos, y en particular a los directamente afectados, en los procesos de toma de decisiones de las acciones y los programas que les afectan. Finalmente se concluye que no se trata de luchar contra la pobreza, sino de luchar contra los sistemas injustos que generan la pobreza y la exclusión. ABSTRACT The pressure on the access to land in the area of Dakar, Senegal, has generated a physical/social transformation process in the largest self-produced settlement in the urban periphery of Dakar (South Irregular Pikine), in the period 2005-2011. This research aims to analyze to what extent the actions carried out: i) satisfy the integral needs of the affected population (Demand), ii) encourage the involvement of those affected or otherwise strengthen dominant power structures (Supply), and iii) promote or inhibit economic autonomy, environmental sustainability, social equity and legitimacy of the actors involved (Environment). The research was conducted by the case study method. 196 people participated in a bottom-up participatory process of information gathering. The information collected was processed using two custom tools aimed to analyse complex systems: the program flow and the functional system. The results of case studies 1 and 2 show that the actions were carried out in the best interest of the markets and the actors who made decisions and managed resources, increasing economic dependence, impoverishing those directly affected and fragmenting their social network by promoting an unbalanced, dispersed and segregated urban development, and de-legitimizing the institutions involved in the process. On the contrary, in the case study 3 it is verified that the action has been carried out on behalf of the interests of those directly affected, using endogenous resources, strengthening the social network, promoting a focused and inclusive urban development, and increasing legitimacy of the institutions involved. The comparative analysis of the results shows that poverty, social exclusion and precarious housing in South Irregular Pikine are not a problem of lack of resources but of unethical behaviour of those who manage and finance physical and social transformation processes, as well as unwillingness on the part of the authorities to involve citizens in the decision making processes for the actions and programs that affect them. Finally we conclude that the enemy to fight against is not poverty but unfair systems that generate poverty and exclusion. RÉSUMÉ La pression sur le foncier dans la presqu'île de Dakar, au Sénégal, a généré un processus de transformation physico-sociale du plus grand établissement auto-produit de la périphérie urbaine de Dakar (Pikine Irrégulier Sud), durant la période 2005-2011. Cette recherche vise à analyser dans quelle mesure les actions menées: i) répondent ou non à l’ensemble des besoins intégrales des personnes concernés (Demande), ii) encouragent l'implication des concernées ou au contraire renforcent les structures de pouvoir dominant (Offre), et iii) favorisent ou non l'autonomie économique, la durabilité environnementale, l'équité sociale et la légitimité des acteurs concernés (Contexte). La recherche a été menée par la méthode des études de cas, par un processus de collecte d'information participative articulée du bas vers le haut dans lequel ont participé 196 personnes. Les informations recueillies ont été traitées à l'aide de deux outils d'analyse de réalités complexes: le système fonctionnel et le flux de programme. Les résultats de l'étude de cas 1 et 2 montrent que les actions ont été menées au profit des intérêts des marchés et des acteurs qui prennent les décisions et gèrent les ressources, augmentant la dépendance économique, appauvrissant ceux qui sont directement concernés et fragmentant leur tissu social, encourageant un développement urbain déséquilibré, dispersé et ségrégé, et délégitimant les institutions concernées. Dans l'étude de cas 3, cependant, il est vérifié que l'action a été menée au profit des intérêts de ceux qui sont directement concernés, en utilisant des ressources endogènes, en renforçant son tissu social, en encourageant un développement urbain concentré et inclusif, et en augmentant la légitimité des institutions concernées. L'analyse comparée des résultats montre que la pauvreté, l'exclusion sociale et le logement précaire, dans le contexte spécifique de la banlieue de Dakar, ne sont pas un problème de manque de ressources, mais de manque d'éthique de la part de ceux qui gèrent et financent les processus de transformation physico-sociale, et de manque de volonté de la part des autorités d'impliquer les citoyens, en particulier ceux qui sont directement concernés, dans le processus de prise de décision des actions et des programmes qui les impliquent. Finalement, on conclut qu'il ne s'agit pas de lutter contre la pauvreté, mais de lutter contre les systèmes injustes qui produisent la pauvreté et l'exclusion.

Detecting periodicity with horizontal visibility graphs

The horizontal visibility algorithm was recently introduced as a mapping between time series and networks. The challenge lies in characterizing the structure of time series (and the processes that generated those series) using the powerful tools of graph theory. Recent works have shown that the visibility graphs inherit several degrees of correlations from their associated series, and therefore such graph theoretical characterization is in principle possible. However, both the mathematical grounding of this promising theory and its applications are in its infancy. Following this line, here we address the question of detecting hidden periodicity in series polluted with a certain amount of noise. We first put forward some generic properties of horizontal visibility graphs which allow us to define a (graph theoretical) noise reduction filter. Accordingly, we evaluate its performance for the task of calculating the period of noisy periodic signals, and compare our results with standard time domain (autocorrelation) methods. Finally, potentials, limitations and applications are discussed.

Aportaciones del Proyecto Votescript a los Esquemas Tradicionales de Voto Electrónico.

This paper hallmarks the most relevant contributions carried out by the authors in the VOTESCRIPT project (TIC2000-1630-C02). The main goal of this project was the analysis, definition and implementation of a system which copes with every phases and elements existing in a process of electronic voting using computer networks. A summary of the main criticisms of electronic voting is presented to disclose that the most relevant voting schemes only take into account a technological perspective, just trying to imitate the conventional voting schemes. Nevertheless in these proposals important aspects such individual and global verification are not properly undertaken. The paper includes the proposed solutions of the project to solve these mentioned problems.

Del voto electrónico al voto telemático

Este artículo presenta los aspectos más relevantes del trabajo realizado por los autores dentro del proyecto VOTESCRIPT (TIC2000-1630-C02). El objetivo principal de este proyecto fue el análisis, definición e implementación de un sistema que abarcara todas las fases y elementos existentes en un proceso de votación electrónica sobre redes de ordenadores. El artículo incluye las soluciones propuestas dentro del proyecto. This paper hallmarks the most relevant contributions carried out by the authors in the VOTESCRIPT project (TIC2000-1630-C02). The main goal of this project was the analysis, definition and implementation of a system, which copes with every phases and elements existing in a process of electronic voting using computer networks. The paper includes the proposed solutions of the project to solve these problems.

Problemática estructural y de funcionamiento de la cadena de valor del jamón ibérico de bellota: el caso de Guijuelo en España

El sector porcino ibérico es un sector típicamente español. La imagen que asocia el consumidor a los productos ibéricos es la correspondiente a los productos elaborados a partir de cerdos ibéricos en explotaciones extensivas, (dehesas), y cebados en montanera. Sin embargo, según los datos publicados por el Ministerio de Agricultura, Alimentación y Medio Ambiente, más de un 70 por ciento de los cerdos ibéricos que se producen en España son criados en granjas intensivas. El sector porcino ibérico está en pleno proceso de cambio, tanto por las variaciones que se derivan de la crisis que sufre el sector, como por las modificaciones que se esperan en la norma de calidad, recientemente acordadas. En este entorno en el que existe una reducción importante de los márgenes comerciales en todos los eslabones de la cadena de valor del jamón ibérico de bellota, adquiere importancia el estudio de su estructura y funcionamiento, la determinación de los aspectos que mejoran la eficiencia económica a lo largo de la misma y su concordancia a lo largo de ella. Así mismo, un sector de los consumidores comienza a buscar productos de calidad, se interesa por productos con determinados etiquetados que garantizan la calidad o unas determinadas prácticas de producción y elaboración, como sucede con los productos ecológicos. Existen numerosos estudios sobre distintos aspectos del sector porcino ibérico, realizados por distintas instituciones, como universidades, instituciones privadas y proyectos europeos. En general, se centran en la mejora de la producción de los cerdos ibéricos o en la mejora de la elaboración de los jamones. La novedad de la investigación realizada en la presente Tesis Doctoral reside en el estudio de los aspectos que determinan la mayor eficiencia económica de la cadena de valor del jamón ibérico de bellota de la denominación de origen de Guijuelo, y en las características que aporta al jamón ibérico de bellota la producción ecológica frente a la convencional. Resumen Los objetivos planteados en esta investigación son la mejora de la cadena de valor del jamón ibérico de bellota de la denominación de origen de Guijuelo, mediante el estudio de la problemática estructural y de funcionamiento de la misma. Como objetivos específicos se proponen la mejora de la eficiencia económica en las relaciones comerciales entre los distintos eslabones de la cadena de valor, y el impulso de la oferta de los productos ecológicos de ibérico, mediante el estudio comparativo de las producciones convencionales y ecológicas. Para alcanzar estos objetivos la metodología utilizada es la cadena de valor agroalimentaria, utilizando como herramientas de análisis el método Delphi y la realización de un análisis DAFO del sector porcino ibérico. Las fuentes de información primarias utilizadas proceden por una parte de la colaboración realizada en el proyecto europeo Q-Porkchains, coordinado por el Dr. Jacques H. Trienekens, y por otra parte de los cuestionarios especialmente diseñados para el análisis Delphi realizado. Las fuentes de información secundarias proceden de artículos académicos publicados, de artículos de revistas especializadas en el sector y de informes y estadísticas publicados por el Ministerio de Agricultura, Alimentación y Medio Ambiente. Las conclusiones de la investigación son las siguientes. Las relaciones comerciales de la cadena de valor estudiada están gestionadas, ya que se otorga gran valor a las relaciones comerciales basadas en la confianza, tanto en el aprovisionamiento de productos como en la venta de los mismos en cada eslabón. Sin embargo, no se gestiona adecuadamente la gama de productos que se oferta a lo largo de la cadena de valor, puesto que los eslabones de la misma obtienen diferente eficiencia económica para el mismo producto. Por otra parte, aunque la denominación de origen de Guijuelo es una marca conocida por el consumidor, el esfuerzo por tener una marca colectiva de calidad no ha sido totalmente satisfactorio, en especial para el eslabón de la distribución. Por esta razón, es importante resaltar que es recomendable la creación de una marca propia que cuide la calidad con especial atención, modificando incluso las empresas integrantes de la cadena de valor si el objetivo de calidad no coincide. Es importante garantizar la calidad del producto al consumidor, mediante la trasmisión la información generada por los informes de inspección y certificación realizados por las entidades correspondientes en relación a la norma de calidad de los productos de cerdo ibérico y por el Consejo Regulador de Guijuelo. Se requiere un estudio detallado de los posibles nichos de mercado para llegar a los clientes que buscan un producto de calidad diferenciada como es el jamón ibérico de denominación de origen de Guijuelo. Dentro de los posibles clientes debe tenerse en consideración al colectivo de personas alérgicas, ya que no se encuentran con facilidad en el mercado productos cárnicos de cerdo libres de alérgenos. Por último, la innovación es muy importante en este sector, y pueden ofertarse nuevos productos que ayuden al acortamiento de la cadena de valor, como podría ser la carne fresca de cerdo ibérico de bellota. La producción ecológica de porcino ibérico, en la actualidad no es significativa. El manejo que se realiza de los cerdos ibéricos convencionales de bellota es muy similar al manejo que se realiza de los cerdos ecológicos, salvo en la alimentación que reciben los cerdos ibéricos antes del cebo en montanera y en los medicamentos permitidos en ambas producciones. La producción de porcino ecológico de bellota puede ser interesante para la exportación. Los jamones ibéricos de bellota dispondrían de un sello que garantiza un manejo tradicional –como se realiza en muchas explotaciones extensivas de cerdos ibéricos de bellota-, y que es apreciado por los consumidores de otros países, dispuestos a pagar por productos de calidad diferenciada. Este tipo de producción quizá podría solventar la limitación al ámbito nacional de la norma de calidad de los productos de cerdo ibérico. La falta de claridad y unanimidad en el sector sobre la calidad de los productos de ibéricos que se percibe en los cambios previstos en la legislación, y el interés del eslabón de la industria elaboradora de jamones en calidades no ligadas a producciones extensivas sino intensivas, por su mayor volumen de ventas y sus mejores rendimientos, mueven a los productores de “ibérico puro de bellota” a desmarcarse del sector “ibérico”, donde el peso del producto ibérico cruzado de pienso tiene mucho peso en las decisiones que se toman. The Iberian pork industry is a typically Spanish industry. The associated image by the consumer to these products corresponds to products made from Iberian pigs in extensive farms (meadows), and fattened in open range. However, according to data released by the Ministry of Agriculture, Food and Environment, more than 70 percent of the Iberian pigs produced in Spain are raised on factory farms. The Iberian pork industry is in process of change, both by modifications resulting from the crisis in the sector, and the expected ones in the quality standard, recently agreed. In this environment where there is a significant reduction in trade margins in all links of the value chain of Iberian ham, becomes important to study its structure and operation, identifying the aspects that improve economic efficiency along the value chain and their concordance along it. Likewise, part of the consumers begins searching for quality products, they are interested in certain products that guarantee some sort of quality or production and processing practices, like organic products. There are several studies on various aspects of the Iberian pork industry, made by different institutions, such as universities, private institutions and some European projects. In general, their goal is focused on improving the Iberian hog production or on improving the elaboration of hams. The novelty of the research conducted in this PhD thesis lies in the study of the aspects that determine the economic efficiency of the value chain of Iberian ham from Guijuelo designation of origin, and the comparison between the features that organic or conventional production of Iberian ham brings to it. The objectives propound in this research are the improvement of the value chain of Iberian ham from Guijuelo designation of origin, through the study of its structural and operational problematic. The proposed specific objectives are the improvement of the economic efficiency Resumen in trade relations between the different links in the value chain, and the promotion of the supply of Iberian organic pork products, through the comparative study of conventional and organic productions. In order to achieve these objectives, the used methodology is the agrifood value chain, using as analysis tools the Delphi method, and a SWOT analysis of the Iberian pork industry. The primary sources of information come partly from the collaboration in the European project Q-Porkchains, coordinated by Dr. Jacques Trienekens, and partly from the questionnaires specially designed for the Delphi analysis performed. The secondary sources come from published academic papers, specialized journal articles and reports published by the Ministry of Agriculture, Food and Environment. The research conclusions are as follows. Trade relations in the studied value chain are managed, as it is granted a great value to business relationships based on trust, both in the supply of products and in the sale in each link. However, the portfolio that is offered throughout the value chain is not properly managed, since the economic efficiency obtained for the same product is different in each link. Moreover, although the designation of origin of Guijuelo is a well-known brand, the effort made to acquire a collective quality trademark has not been entirely satisfactory, especially in the distribution link. Due to it, it is important to highlight that it is recommended to create a brand focused on quality, and indeed to change the firms integrating the vale chain, if the goal is not shared by all the companies. It is essential to ensure the quality of the product to the consumer, through the transmission of the available information related to the quality standard of Iberian pork products and of the Guijuelo Regulating Council. A detailed study of potential niche markets is required, in order to reach customers looking for a differentiated quality product as Iberian ham of Guijuelo designation of origin. It should be taken into consideration the group of allergy sufferers as potential customers, as they do not easily find pork products in the market free of allergens. Innovation is very important in this industry, and new products could be commercialized that help to shorten the value chain, as fresh acorn Iberian pork. Nowadays, the organic production of Iberian pork products is not significant. The operation is very similar in both conventional and organic production of Iberian pork products, except in the food received by Iberian hogs and the sort of medicinal treatments allowed in each production. The organic acorn Iberian pork production could be interesting for export. Acorn Iberian hams would have a well-known hallmark, which guarantees a traditional production, -as it is done in many extensive holdings of Iberian acorn-pigs-, and that is appreciated by consumers in other countries This niche of consumers could pay for differentiated quality products. Perhaps, this sort of production could solve the limitation to national scope of the quality standard of Iberian pork products. The lack of clarity and unanimity in the industry on the quality of Iberian pork products has been perceived in the agreed changes of the legislation as well as the interest of the processing industry in hams of quality categories which are not linked to extensive but intensive productions, due to their higher sales volume and better yields. This situation pushed "acorn pure Iberian " pigs farmers to split from the Iberian industry, where the importance of cross Iberian pig from intensive farms is growing so high that they can influence the negotiations and decisions taken inside and outside the industry.

Modelización de los Procesos de Cristalización en Poliolefinas

“Por lo tanto, la cristalización de polímeros se supone, y en las teorías se describe a menudo, como un proceso de múltiples pasos con muchos aspectos físico-químicos y estructurales influyendo en él. Debido a la propia estructura de la cadena, es fácil entender que un proceso que es termodinámicamente forzado a aumentar su ordenamiento local, se vea obstaculizado geométricamente y, por tanto, no puede conducirse a un estado de equilibrio final. Como resultado, se forman habitualmente estructuras de no equilibrio con diferentes características dependiendo de la temperatura, presión, cizallamiento y otros parámetros físico-químicos del sistema”. Estas palabras, pronunciadas recientemente por el profesor Bernhard Wunderlich, uno de los mas relevantes fisico-quimicos que han abordado en las ultimas décadas el estudio del estado físico de las macromoléculas, adelantan lo que de alguna manera se explicita en esta memoria y constituyen el “leitmotiv” de este trabajo de tesis. El mecanismo de la cristalización de polímeros esta aun bajo debate en la comunidad de la física de polímeros y la mayoría de los abordajes experimentales se explican a través de la teoría LH. Esta teoría clásica debida a Lauritzen y Hoffman (LH), y que es una generalización de la teoría de cristalización de una molécula pequeña desde la fase de vapor, describe satisfactoriamente muchas observaciones experimentales aunque esta lejos de explicar el complejo fenómeno de la cristalización de polímeros. De hecho, la formulación original de esta teoría en el National Bureau of Standards, a comienzos de la década de los 70, sufrió varias reformulaciones importantes a lo largo de la década de los 80, buscando su adaptación a los hallazgos experimentales. Así nació el régimen III de cristalización que posibilita la creacion de nichos moleculares en la superficie y que dio pie al paradigma ofrecido por Sadler y col., para justificar los experimentos que se obtenian por “scattering” de neutrones y otras técnicas como la técnica de “droplets” o enfriamiento rapido. Por encima de todo, el gran éxito de la teoría radica en que explica la dependencia inversa entre el tamaño del plegado molecular y el subenfriamiento, definido este ultimo como el intervalo de temperatura que media entre la temperatura de equilibrio y la temperatura de cristalización. El problema concreto que aborda esta tesis es el estudio de los procesos de ordenamiento de poliolefinas con distinto grado de ramificacion mediante simulaciones numéricas. Los copolimeros estudiados en esta tesis se consideran materiales modelo de gran homogeneidad molecular desde el punto de vista de la distribución de tamaños y de ramificaciones en la cadena polimérica. Se eligieron estas poliolefinas debido al gran interes experimental en conocer el cambio en las propiedades fisicas de los materiales dependiendo del tipo y cantidad de comonomero utilizado. Además, son modelos sobre los que existen una ingente cantidad de información experimental, que es algo que preocupa siempre al crear una realidad virtual como es la simulación. La experiencia en el grupo Biophym es que los resultados de simulación deben de tener siempre un correlato mas o menos próximo experimental y ese argumento se maneja a lo largo de esta memoria. Empíricamente, se conoce muy bien que las propiedades físicas de las poliolefinas, en suma dependen del tipo y de la cantidad de ramificaciones que presenta el material polimérico. Sin embargo, tal como se ha explicado no existen modelos teóricos adecuados que expliquen los mecanismos subyacentes de los efectos de las ramas. La memoria de este trabajo es amplia por la complejidad del tema. Se inicia con una extensa introducción sobre los conceptos básicos de una macromolecula que son relevantes para entender el contenido del resto de la memoria. Se definen los conceptos de macromolecula flexible, distribuciones y momentos, y su comportamiento en disolución y fundido con los correspondientes parametros caracteristicos. Se pone especial énfasis en el concepto de “entanglement” o enmaranamiento por considerarse clave a la hora de tratar macromoléculas con una longitud superior a la longitud critica de enmaranamiento. Finaliza esta introducción con una reseña sobre el estado del arte en la simulación de los procesos de cristalización. En un segundo capitulo del trabajo se expone detalladamente la metodología usada en cada grupo de casos. En el primer capitulo de resultados, se discuten los estudios de simulación en disolución diluida para sistemas lineales y ramificados de cadena única. Este caso mas simple depende claramente del potencial de torsión elegido tal como se discute a lo largo del texto. La formación de los núcleos “babys” propuestos por Muthukumar parece que son consecuencia del potencial de torsión, ya que este facilita los estados de torsión mas estables. Así que se propone el análisis de otros potenciales que son igualmente utilizados y los resultados obtenidos sobre la cristalización, discutidos en consecuencia. Seguidamente, en un segundo capitulo de resultados se estudian moleculas de alcanos de cadena larga lineales y ramificados en un fundido por simulaciones atomisticas como un modelo de polietileno. Los resultados atomisticos pese a ser de gran detalle no logran captar en su totalidad los efectos experimentales que se observan en los fundidos subenfriados en su etapa previa al estado ordenado. Por esta razon se discuten en los capítulos 3 y 4 de resultados sistemas de cadenas cortas y largas utilizando dos modelos de grano grueso (CG-PVA y CG-PE). El modelo CG-PE se desarrollo durante la tesis. El uso de modelos de grano grueso garantiza una mayor eficiencia computacional con respecto a los modelos atomísticos y son suficientes para mostrar los fenómenos a la escala relevante para la cristalización. En todos estos estudios mencionados se sigue la evolución de los procesos de ordenamiento y de fusión en simulaciones de relajación isoterma y no isoterma. Como resultado de los modelos de simulación, se han evaluado distintas propiedades fisicas como la longitud de segmento ordenado, la cristalinidad, temperaturas de fusion/cristalizacion, etc., lo que permite una comparación con los resultados experimentales. Se demuestra claramente que los sistemas ramificados retrasan y dificultan el orden de la cadena polimérica y por tanto, las regiones cristalinas ordenadas decrecen al crecer las ramas. Como una conclusión general parece mostrarse una tendencia a la formación de estructuras localmente ordenadas que crecen como bloques para completar el espacio de cristalización que puede alcanzarse a una temperatura y a una escala de tiempo determinada. Finalmente hay que señalar que los efectos observados, estan en concordancia con otros resultados tanto teoricos/simulacion como experimentales discutidos a lo largo de esta memoria. Su resumen se muestra en un capitulo de conclusiones y líneas futuras de investigación que se abren como consecuencia de esta memoria. Hay que mencionar que el ritmo de investigación se ha acentuado notablemente en el ultimo ano de trabajo, en parte debido a las ventajas notables obtenidas por el uso de la metodología de grano grueso que pese a ser muy importante para esta memoria no repercute fácilmente en trabajos publicables. Todo ello justifica que gran parte de los resultados esten en fase de publicación. Abstract “Polymer crystallization is therefore assumed, and in theories often described, to be a multi step process with many influencing aspects. Because of the chain structure, it is easy to understand that a process which is thermodynamically forced to increase local ordering but is geometrically hindered cannot proceed into a final equilibrium state. As a result, nonequilibrium structures with different characteristics are usually formed, which depend on temperature, pressure, shearing and other parameters”. These words, recently written by Professor Bernhard Wunderlich, one of the most prominent researchers in polymer physics, put somehow in value the "leitmotiv "of this thesis. The crystallization mechanism of polymers is still under debate in the physics community and most of the experimental findings are still explained by invoking the LH theory. This classical theory, which was initially formulated by Lauritzen and Hoffman (LH), is indeed a generalization of the crystallization theory for small molecules from the vapor phase. Even though it describes satisfactorily many experimental observations, it is far from explaining the complex phenomenon of polymer crystallization. This theory was firstly devised in the early 70s at the National Bureau of Standards. It was successively reformulated along the 80s to fit the experimental findings. Thus, the crystallization regime III was introduced into the theory in order to explain the results found in neutron scattering, droplet or quenching experiments. This concept defines the roughness of the crystallization surface leading to the paradigm proposed by Sadler et al. The great success of this theory is the ability to explain the inverse dependence of the molecular folding size on the supercooling, the latter defined as the temperature interval between the equilibrium temperature and the crystallization temperature. The main scope of this thesis is the study of ordering processes in polyolefins with different degree of branching by using computer simulations. The copolymers studied along this work are considered materials of high molecular homogeneity, from the point of view of both size and branching distributions of the polymer chain. These polyolefins were selected due to the great interest to understand their structure– property relationships. It is important to note that there is a vast amount of experimental data concerning these materials, which is essential to create a virtual reality as is the simulation. The Biophym research group has a wide experience in the correlation between simulation data and experimental results, being this idea highly alive along this work. Empirically, it is well-known that the physical properties of the polyolefins depend on the type and amount of branches presented in the polymeric material. However, there are not suitable models to explain the underlying mechanisms associated to branching. This report is extensive due to the complexity of the topic under study. It begins with a general introduction to the basics concepts of macromolecular physics. This chapter is relevant to understand the content of the present document. Some concepts are defined along this section, among others the flexibility of macromolecules, size distributions and moments, and the behavior in solution and melt along with their corresponding characteristic parameters. Special emphasis is placed on the concept of "entanglement" which is a key item when dealing with macromolecules having a molecular size greater than the critical entanglement length. The introduction finishes with a review of the state of art on the simulation of crystallization processes. The second chapter of the thesis describes, in detail, the computational methodology used in each study. In the first results section, we discuss the simulation studies in dilute solution for linear and short chain branched single chain models. The simplest case is clearly dependent on the selected torsion potential as it is discussed throughout the text. For example, the formation of baby nuclei proposed by Mutukhumar seems to result from the effects of the torsion potential. Thus, we propose the analysis of other torsion potentials that are also used by other research groups. The results obtained on crystallization processes are accordingly discussed. Then, in a second results section, we study linear and branched long-chain alkane molecules in a melt by atomistic simulations as a polyethylene-like model. In spite of the great detail given by atomistic simulations, they are not able to fully capture the experimental facts observed in supercooled melts, in particular the pre-ordered states. For this reason, we discuss short and long chains systems using two coarse-grained models (CG-PVA and CG-PE) in section 3 and 4 of chapter 2. The CG-PE model was developed during the thesis. The use of coarse-grained models ensures greater computational efficiency with respect to atomistic models and is enough to show the relevant scale phenomena for crystallization. In all the analysis we follow the evolution of the ordering and melting processes by both isothermal and non isothermal simulations. During this thesis we have obtained different physical properties such as stem length, crystallinity, melting/crystallization temperatures, and so on. We show that branches in the chains cause a delay in the crystallization and hinder the ordering of the polymer chain. Therefore, crystalline regions decrease in size as branching increases. As a general conclusion, it seems that there is a tendency in the macromolecular systems to form ordered structures, which can grown locally as blocks, occupying the crystallization space at a given temperature and time scale. Finally it should be noted that the observed effects are consistent with both, other theoretical/simulation and experimental results. The summary is provided in the conclusions chapter along with future research lines that open as result of this report. It should be mentioned that the research work has speeded up markedly in the last year, in part because of the remarkable benefits obtained by the use of coarse-grained methodology that despite being very important for this thesis work, is not easily publishable by itself. All this justify that most of the results are still in the publication phase.

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.

Simulación de componentes no estacionarias de viento en orografías complejas

Realistic operation of helicopter flight simulators in complex topographies (such as urban environments) requires appropriate prediction of the incoming wind, and this prediction should be made in real time. Unfortunately, the wind topology around complex topographies shows time-dependent, fully nonlinear, turbulent patterns (i.e., wakes) whose simulation cannot be made using computationally inexpensive tools based on corrected potential approximations. Instead, the full Navier-Stokes plus some kind of turbulent modeling is necessary, which is quite computationally expensive. The complete unsteady flow depends on two parameters, namely the velocity and orientation of the free stream flow. The aim of this MSc thesis is to develop a methodology for the real time simulation of these complex flows. For simplicity, the flow around a single building (20 mx20 m cross section and 100 m height) is considered, with free stream velocity in the range 5-25 m/s. Because of the square cross section, the problem shows two reflection symmetries, which allows for restricting the orientations to the range 0° < a. < 45°. The methodology includes an offline preprocess and the online operation. The preprocess consists in three steps: An appropriate, unstructured mesh is selected in which the flow is sim¬ulated using OpenFOAM, and this is done for 33 combinations of 3 free stream intensities and 11 orientations. For each of these, the simulation proceeds for a sufficiently large time as to eliminate transients. This step is quite computationally expensive. Each flow field is post-processed using a combination of proper orthogonal decomposition, fast Fourier transform, and a convenient optimization tool, which identifies the relevant frequencies (namely, both the basic frequencies and their harmonics) and modes in the computational mesh. This combination includes several new ingredients to filter errors out and identify the relevant spatio-temporal patterns. Note that, in principle, the basic frequencies depend on both the intensity and the orientation of the free stream flow. The outcome of this step is a set of modes (vectors containing the three velocity components at all mesh points) for the various Fourier components, intensities, and orientations, which can be organized as a third order tensor. This step is fairly computationally inexpensive. The above mentioned tensor is treated using a combination of truncated high order singular value, decomposition and appropriate one-dimensional interpolation (as in Lorente, Velazquez, Vega, J. Aircraft, 45 (2008) 1779-1788). The outcome is a tensor representation of both the relevant fre¬quencies and the associated Fourier modes for a given pair of values of the free stream flow intensity and orientation. This step is fairly compu¬tationally inexpensive. The online, operation requires just reconstructing the time-dependent flow field from its Fourier representation, which is extremely computationally inex¬pensive. The whole method is quite robust.

The online case study development for the teaching of building structures reinforcement

The Reinforcement of Building Structures is one of the topics of the Master in Building Innovation Technology (MBIT) of Universidad Politécnica de Madrid (UPM). Since the beginning of the delivery of this master, case studies have been chosen as the teaching methodology. For the 2011-2012 course the online education of this subject was implemented, instead of the classical learning based on attendance. Through ICT’s (Information and Communication Technologies) students are provided with much more and more selective information than through the classical learning. ICT’s can be used for search, enquiries and reporting. Using the online tools has been proved, through the results obtained and based on the surveys made amongst students, to be a successful experience.

Characterization of the Performance of Optical Label-Free Biosensors

The field of optical label free biosensors has become a topic of interest during past years, with devices based on the detection of angular or wavelength shift of optical modes [1]. Common parameters to characterize their performance are the Limit of Detection (LOD, defined as the minimum change of refractive index upon the sensing surface that the device is able to detect, and also BioLOD, which represents the minimum amount of target analyte accurately resolved by the system; with units of concentration (common un its are p pm, ng/ml, or nM). LOD gives a first value to compare different biosensors, and is obtained both theoretically (using photonic calculation tools), and experimentally,covering the sensing area with fluids of different refractive indexes.

Teaching automatic control in non-specialist engineering schools

Automatic Control Teaching in the new degree syllabus has reduced both, its contents and its implementation course, with regard to traditional engineering careers. On the other hand, where the qualification is not considered as automatic control specialist, it is required an adapted methodology to provide the minimum contents that the student needs to assimilate, even in the case that students do not perceive these contents as the most important in their future career. In this paper we present the contents of a small automatic course taught Naval Architecture and Marine Engineering Degrees at the School of Naval Engineering of the Polytechnic University of Madrid. We have included the contents covered using the proposed methodology which is based on practical work after lectures. Firstly, the students performed exercises by hand. Secondly, they solve the exercises using informatics support tools, and finally, they validate their previous results and their knowledge in the laboratory platforms.