A framework for mixed-criticality partitioned real-time embedded systems

Los sistemas empotrados son cada día más comunes y complejos, de modo que encontrar procesos seguros, eficaces y baratos de desarrollo software dirigidos específicamente a esta clase de sistemas es más necesario que nunca. A diferencia de lo que ocurría hasta hace poco, en la actualidad los avances tecnológicos en el campo de los microprocesadores de los últimos tiempos permiten el desarrollo de equipos con prestaciones más que suficientes para ejecutar varios sistemas software en una única máquina. Además, hay sistemas empotrados con requisitos de seguridad (safety) de cuyo correcto funcionamiento depende la vida de muchas personas y/o grandes inversiones económicas. Estos sistemas software se diseñan e implementan de acuerdo con unos estándares de desarrollo software muy estrictos y exigentes. En algunos casos puede ser necesaria también la certificación del software. Para estos casos, los sistemas con criticidades mixtas pueden ser una alternativa muy valiosa. En esta clase de sistemas, aplicaciones con diferentes niveles de criticidad se ejecutan en el mismo computador. Sin embargo, a menudo es necesario certificar el sistema entero con el nivel de criticidad de la aplicación más crítica, lo que hace que los costes se disparen. La virtualización se ha postulado como una tecnología muy interesante para contener esos costes. Esta tecnología permite que un conjunto de máquinas virtuales o particiones ejecuten las aplicaciones con unos niveles de aislamiento tanto temporal como espacial muy altos. Esto, a su vez, permite que cada partición pueda ser certificada independientemente. Para el desarrollo de sistemas particionados con criticidades mixtas se necesita actualizar los modelos de desarrollo software tradicionales, pues estos no cubren ni las nuevas actividades ni los nuevos roles que se requieren en el desarrollo de estos sistemas. Por ejemplo, el integrador del sistema debe definir las particiones o el desarrollador de aplicaciones debe tener en cuenta las características de la partición donde su aplicación va a ejecutar. Tradicionalmente, en el desarrollo de sistemas empotrados, el modelo en V ha tenido una especial relevancia. Por ello, este modelo ha sido adaptado para tener en cuenta escenarios tales como el desarrollo en paralelo de aplicaciones o la incorporación de una nueva partición a un sistema ya existente. El objetivo de esta tesis doctoral es mejorar la tecnología actual de desarrollo de sistemas particionados con criticidades mixtas. Para ello, se ha diseñado e implementado un entorno dirigido específicamente a facilitar y mejorar los procesos de desarrollo de esta clase de sistemas. En concreto, se ha creado un algoritmo que genera el particionado del sistema automáticamente. En el entorno de desarrollo propuesto, se han integrado todas las actividades necesarias para desarrollo de un sistema particionado, incluidos los nuevos roles y actividades mencionados anteriormente. Además, el diseño del entorno de desarrollo se ha basado en la ingeniería guiada por modelos (Model-Driven Engineering), la cual promueve el uso de los modelos como elementos fundamentales en el proceso de desarrollo. Así pues, se proporcionan las herramientas necesarias para modelar y particionar el sistema, así como para validar los resultados y generar los artefactos necesarios para el compilado, construcción y despliegue del mismo. Además, en el diseño del entorno de desarrollo, la extensión e integración del mismo con herramientas de validación ha sido un factor clave. En concreto, se pueden incorporar al entorno de desarrollo nuevos requisitos no-funcionales, la generación de nuevos artefactos tales como documentación o diferentes lenguajes de programación, etc. Una parte clave del entorno de desarrollo es el algoritmo de particionado. Este algoritmo se ha diseñado para ser independiente de los requisitos de las aplicaciones así como para permitir al integrador del sistema implementar nuevos requisitos del sistema. Para lograr esta independencia, se han definido las restricciones al particionado. El algoritmo garantiza que dichas restricciones se cumplirán en el sistema particionado que resulte de su ejecución. Las restricciones al particionado se han diseñado con una capacidad expresiva suficiente para que, con un pequeño grupo de ellas, se puedan expresar la mayor parte de los requisitos no-funcionales más comunes. Las restricciones pueden ser definidas manualmente por el integrador del sistema o bien pueden ser generadas automáticamente por una herramienta a partir de los requisitos funcionales y no-funcionales de una aplicación. El algoritmo de particionado toma como entradas los modelos y las restricciones al particionado del sistema. Tras la ejecución y como resultado, se genera un modelo de despliegue en el que se definen las particiones que son necesarias para el particionado del sistema. A su vez, cada partición define qué aplicaciones deben ejecutar en ella así como los recursos que necesita la partición para ejecutar correctamente. El problema del particionado y las restricciones al particionado se modelan matemáticamente a través de grafos coloreados. En dichos grafos, un coloreado propio de los vértices representa un particionado del sistema correcto. El algoritmo se ha diseñado también para que, si es necesario, sea posible obtener particionados alternativos al inicialmente propuesto. El entorno de desarrollo, incluyendo el algoritmo de particionado, se ha probado con éxito en dos casos de uso industriales: el satélite UPMSat-2 y un demostrador del sistema de control de una turbina eólica. Además, el algoritmo se ha validado mediante la ejecución de numerosos escenarios sintéticos, incluyendo algunos muy complejos, de más de 500 aplicaciones. ABSTRACT The importance of embedded software is growing as it is required for a large number of systems. Devising cheap, efficient and reliable development processes for embedded systems is thus a notable challenge nowadays. Computer processing power is continuously increasing, and as a result, it is currently possible to integrate complex systems in a single processor, which was not feasible a few years ago.Embedded systems may have safety critical requirements. Its failure may result in personal or substantial economical loss. The development of these systems requires stringent development processes that are usually defined by suitable standards. In some cases their certification is also necessary. This scenario fosters the use of mixed-criticality systems in which applications of different criticality levels must coexist in a single system. In these cases, it is usually necessary to certify the whole system, including non-critical applications, which is costly. Virtualization emerges as an enabling technology used for dealing with this problem. The system is structured as a set of partitions, or virtual machines, that can be executed with temporal and spatial isolation. In this way, applications can be developed and certified independently. The development of MCPS (Mixed-Criticality Partitioned Systems) requires additional roles and activities that traditional systems do not require. The system integrator has to define system partitions. Application development has to consider the characteristics of the partition to which it is allocated. In addition, traditional software process models have to be adapted to this scenario. The V-model is commonly used in embedded systems development. It can be adapted to the development of MCPS by enabling the parallel development of applications or adding an additional partition to an existing system. The objective of this PhD is to improve the available technology for MCPS development by providing a framework tailored to the development of this type of system and by defining a flexible and efficient algorithm for automatically generating system partitionings. The goal of the framework is to integrate all the activities required for developing MCPS and to support the different roles involved in this process. The framework is based on MDE (Model-Driven Engineering), which emphasizes the use of models in the development process. The framework provides basic means for modeling the system, generating system partitions, validating the system and generating final artifacts. The framework has been designed to facilitate its extension and the integration of external validation tools. In particular, it can be extended by adding support for additional non-functional requirements and support for final artifacts, such as new programming languages or additional documentation. The framework includes a novel partitioning algorithm. It has been designed to be independent of the types of applications requirements and also to enable the system integrator to tailor the partitioning to the specific requirements of a system. This independence is achieved by defining partitioning constraints that must be met by the resulting partitioning. They have sufficient expressive capacity to state the most common constraints and can be defined manually by the system integrator or generated automatically based on functional and non-functional requirements of the applications. The partitioning algorithm uses system models and partitioning constraints as its inputs. It generates a deployment model that is composed by a set of partitions. Each partition is in turn composed of a set of allocated applications and assigned resources. The partitioning problem, including applications and constraints, is modeled as a colored graph. A valid partitioning is a proper vertex coloring. A specially designed algorithm generates this coloring and is able to provide alternative partitions if required. The framework, including the partitioning algorithm, has been successfully used in the development of two industrial use cases: the UPMSat-2 satellite and the control system of a wind-power turbine. The partitioning algorithm has been successfully validated by using a large number of synthetic loads, including complex scenarios with more that 500 applications.

Parametric and structural self-adaptation of embedded systems using evolvable hardware

Los sistemas empotrados han sido concebidos tradicionalmente como sistemas de procesamiento específicos que realizan una tarea fija durante toda su vida útil. Para cumplir con requisitos estrictos de coste, tamaño y peso, el equipo de diseño debe optimizar su funcionamiento para condiciones muy específicas. Sin embargo, la demanda de mayor versatilidad, un funcionamiento más inteligente y, en definitiva, una mayor capacidad de procesamiento comenzaron a chocar con estas limitaciones, agravado por la incertidumbre asociada a entornos de operación cada vez más dinámicos donde comenzaban a ser desplegados progresivamente. Esto trajo como resultado una necesidad creciente de que los sistemas pudieran responder por si solos a eventos inesperados en tiempo diseño tales como: cambios en las características de los datos de entrada y el entorno del sistema en general; cambios en la propia plataforma de cómputo, por ejemplo debido a fallos o defectos de fabricación; y cambios en las propias especificaciones funcionales causados por unos objetivos del sistema dinámicos y cambiantes. Como consecuencia, la complejidad del sistema aumenta, pero a cambio se habilita progresivamente una capacidad de adaptación autónoma sin intervención humana a lo largo de la vida útil, permitiendo que tomen sus propias decisiones en tiempo de ejecución. Éstos sistemas se conocen, en general, como sistemas auto-adaptativos y tienen, entre otras características, las de auto-configuración, auto-optimización y auto-reparación. Típicamente, la parte soft de un sistema es mayoritariamente la única utilizada para proporcionar algunas capacidades de adaptación a un sistema. Sin embargo, la proporción rendimiento/potencia en dispositivos software como microprocesadores en muchas ocasiones no es adecuada para sistemas empotrados. En este escenario, el aumento resultante en la complejidad de las aplicaciones está siendo abordado parcialmente mediante un aumento en la complejidad de los dispositivos en forma de multi/many-cores; pero desafortunadamente, esto hace que el consumo de potencia también aumente. Además, la mejora en metodologías de diseño no ha sido acorde como para poder utilizar toda la capacidad de cómputo disponible proporcionada por los núcleos. Por todo ello, no se están satisfaciendo adecuadamente las demandas de cómputo que imponen las nuevas aplicaciones. La solución tradicional para mejorar la proporción rendimiento/potencia ha sido el cambio a unas especificaciones hardware, principalmente usando ASICs. Sin embargo, los costes de un ASIC son altamente prohibitivos excepto en algunos casos de producción en masa y además la naturaleza estática de su estructura complica la solución a las necesidades de adaptación. Los avances en tecnologías de fabricación han hecho que la FPGA, una vez lenta y pequeña, usada como glue logic en sistemas mayores, haya crecido hasta convertirse en un dispositivo de cómputo reconfigurable de gran potencia, con una cantidad enorme de recursos lógicos computacionales y cores hardware empotrados de procesamiento de señal y de propósito general. Sus capacidades de reconfiguración han permitido combinar la flexibilidad propia del software con el rendimiento del procesamiento en hardware, lo que tiene la potencialidad de provocar un cambio de paradigma en arquitectura de computadores, pues el hardware no puede ya ser considerado más como estático. El motivo es que como en el caso de las FPGAs basadas en tecnología SRAM, la reconfiguración parcial dinámica (DPR, Dynamic Partial Reconfiguration) es posible. Esto significa que se puede modificar (reconfigurar) un subconjunto de los recursos computacionales en tiempo de ejecución mientras el resto permanecen activos. Además, este proceso de reconfiguración puede ser ejecutado internamente por el propio dispositivo. El avance tecnológico en dispositivos hardware reconfigurables se encuentra recogido bajo el campo conocido como Computación Reconfigurable (RC, Reconfigurable Computing). Uno de los campos de aplicación más exóticos y menos convencionales que ha posibilitado la computación reconfigurable es el conocido como Hardware Evolutivo (EHW, Evolvable Hardware), en el cual se encuentra enmarcada esta tesis. La idea principal del concepto consiste en convertir hardware que es adaptable a través de reconfiguración en una entidad evolutiva sujeta a las fuerzas de un proceso evolutivo inspirado en el de las especies biológicas naturales, que guía la dirección del cambio. Es una aplicación más del campo de la Computación Evolutiva (EC, Evolutionary Computation), que comprende una serie de algoritmos de optimización global conocidos como Algoritmos Evolutivos (EA, Evolutionary Algorithms), y que son considerados como algoritmos universales de resolución de problemas. En analogía al proceso biológico de la evolución, en el hardware evolutivo el sujeto de la evolución es una población de circuitos que intenta adaptarse a su entorno mediante una adecuación progresiva generación tras generación. Los individuos pasan a ser configuraciones de circuitos en forma de bitstreams caracterizados por descripciones de circuitos reconfigurables. Seleccionando aquellos que se comportan mejor, es decir, que tienen una mejor adecuación (o fitness) después de ser evaluados, y usándolos como padres de la siguiente generación, el algoritmo evolutivo crea una nueva población hija usando operadores genéticos como la mutación y la recombinación. Según se van sucediendo generaciones, se espera que la población en conjunto se aproxime a la solución óptima al problema de encontrar una configuración del circuito adecuada que satisfaga las especificaciones. El estado de la tecnología de reconfiguración después de que la familia de FPGAs XC6200 de Xilinx fuera retirada y reemplazada por las familias Virtex a finales de los 90, supuso un gran obstáculo para el avance en hardware evolutivo; formatos de bitstream cerrados (no conocidos públicamente); dependencia de herramientas del fabricante con soporte limitado de DPR; una velocidad de reconfiguración lenta; y el hecho de que modificaciones aleatorias del bitstream pudieran resultar peligrosas para la integridad del dispositivo, son algunas de estas razones. Sin embargo, una propuesta a principios de los años 2000 permitió mantener la investigación en el campo mientras la tecnología de DPR continuaba madurando, el Circuito Virtual Reconfigurable (VRC, Virtual Reconfigurable Circuit). En esencia, un VRC en una FPGA es una capa virtual que actúa como un circuito reconfigurable de aplicación específica sobre la estructura nativa de la FPGA que reduce la complejidad del proceso reconfiguración y aumenta su velocidad (comparada con la reconfiguración nativa). Es un array de nodos computacionales especificados usando descripciones HDL estándar que define recursos reconfigurables ad-hoc: multiplexores de rutado y un conjunto de elementos de procesamiento configurables, cada uno de los cuales tiene implementadas todas las funciones requeridas, que pueden seleccionarse a través de multiplexores tal y como ocurre en una ALU de un microprocesador. Un registro grande actúa como memoria de configuración, por lo que la reconfiguración del VRC es muy rápida ya que tan sólo implica la escritura de este registro, el cual controla las señales de selección del conjunto de multiplexores. Sin embargo, esta capa virtual provoca: un incremento de área debido a la implementación simultánea de cada función en cada nodo del array más los multiplexores y un aumento del retardo debido a los multiplexores, reduciendo la frecuencia de funcionamiento máxima. La naturaleza del hardware evolutivo, capaz de optimizar su propio comportamiento computacional, le convierten en un buen candidato para avanzar en la investigación sobre sistemas auto-adaptativos. Combinar un sustrato de cómputo auto-reconfigurable capaz de ser modificado dinámicamente en tiempo de ejecución con un algoritmo empotrado que proporcione una dirección de cambio, puede ayudar a satisfacer los requisitos de adaptación autónoma de sistemas empotrados basados en FPGA. La propuesta principal de esta tesis está por tanto dirigida a contribuir a la auto-adaptación del hardware de procesamiento de sistemas empotrados basados en FPGA mediante hardware evolutivo. Esto se ha abordado considerando que el comportamiento computacional de un sistema puede ser modificado cambiando cualquiera de sus dos partes constitutivas: una estructura hard subyacente y un conjunto de parámetros soft. De esta distinción, se derivan dos lineas de trabajo. Por un lado, auto-adaptación paramétrica, y por otro auto-adaptación estructural. El objetivo perseguido en el caso de la auto-adaptación paramétrica es la implementación de técnicas de optimización evolutiva complejas en sistemas empotrados con recursos limitados para la adaptación paramétrica online de circuitos de procesamiento de señal. La aplicación seleccionada como prueba de concepto es la optimización para tipos muy específicos de imágenes de los coeficientes de los filtros de transformadas wavelet discretas (DWT, DiscreteWavelet Transform), orientada a la compresión de imágenes. Por tanto, el objetivo requerido de la evolución es una compresión adaptativa y más eficiente comparada con los procedimientos estándar. El principal reto radica en reducir la necesidad de recursos de supercomputación para el proceso de optimización propuesto en trabajos previos, de modo que se adecúe para la ejecución en sistemas empotrados. En cuanto a la auto-adaptación estructural, el objetivo de la tesis es la implementación de circuitos auto-adaptativos en sistemas evolutivos basados en FPGA mediante un uso eficiente de sus capacidades de reconfiguración nativas. En este caso, la prueba de concepto es la evolución de tareas de procesamiento de imagen tales como el filtrado de tipos desconocidos y cambiantes de ruido y la detección de bordes en la imagen. En general, el objetivo es la evolución en tiempo de ejecución de tareas de procesamiento de imagen desconocidas en tiempo de diseño (dentro de un cierto grado de complejidad). En este caso, el objetivo de la propuesta es la incorporación de DPR en EHW para evolucionar la arquitectura de un array sistólico adaptable mediante reconfiguración cuya capacidad de evolución no había sido estudiada previamente. Para conseguir los dos objetivos mencionados, esta tesis propone originalmente una plataforma evolutiva que integra un motor de adaptación (AE, Adaptation Engine), un motor de reconfiguración (RE, Reconfiguration Engine) y un motor computacional (CE, Computing Engine) adaptable. El el caso de adaptación paramétrica, la plataforma propuesta está caracterizada por: • un CE caracterizado por un núcleo de procesamiento hardware de DWT adaptable mediante registros reconfigurables que contienen los coeficientes de los filtros wavelet • un algoritmo evolutivo como AE que busca filtros wavelet candidatos a través de un proceso de optimización paramétrica desarrollado específicamente para sistemas caracterizados por recursos de procesamiento limitados • un nuevo operador de mutación simplificado para el algoritmo evolutivo utilizado, que junto con un mecanismo de evaluación rápida de filtros wavelet candidatos derivado de la literatura actual, asegura la viabilidad de la búsqueda evolutiva asociada a la adaptación de wavelets. En el caso de adaptación estructural, la plataforma propuesta toma la forma de: • un CE basado en una plantilla de array sistólico reconfigurable de 2 dimensiones compuesto de nodos de procesamiento reconfigurables • un algoritmo evolutivo como AE que busca configuraciones candidatas del array usando un conjunto de funcionalidades de procesamiento para los nodos disponible en una biblioteca accesible en tiempo de ejecución • un RE hardware que explota la capacidad de reconfiguración nativa de las FPGAs haciendo un uso eficiente de los recursos reconfigurables del dispositivo para cambiar el comportamiento del CE en tiempo de ejecución • una biblioteca de elementos de procesamiento reconfigurables caracterizada por bitstreams parciales independientes de la posición, usados como el conjunto de configuraciones disponibles para los nodos de procesamiento del array Las contribuciones principales de esta tesis se pueden resumir en la siguiente lista: • Una plataforma evolutiva basada en FPGA para la auto-adaptación paramétrica y estructural de sistemas empotrados compuesta por un motor computacional (CE), un motor de adaptación (AE) evolutivo y un motor de reconfiguración (RE). Esta plataforma se ha desarrollado y particularizado para los casos de auto-adaptación paramétrica y estructural. • En cuanto a la auto-adaptación paramétrica, las contribuciones principales son: – Un motor computacional adaptable mediante registros que permite la adaptación paramétrica de los coeficientes de una implementación hardware adaptativa de un núcleo de DWT. – Un motor de adaptación basado en un algoritmo evolutivo desarrollado específicamente para optimización numérica, aplicada a los coeficientes de filtros wavelet en sistemas empotrados con recursos limitados. – Un núcleo IP de DWT auto-adaptativo en tiempo de ejecución para sistemas empotrados que permite la optimización online del rendimiento de la transformada para compresión de imágenes en entornos específicos de despliegue, caracterizados por tipos diferentes de señal de entrada. – Un modelo software y una implementación hardware de una herramienta para la construcción evolutiva automática de transformadas wavelet específicas. • Por último, en cuanto a la auto-adaptación estructural, las contribuciones principales son: – Un motor computacional adaptable mediante reconfiguración nativa de FPGAs caracterizado por una plantilla de array sistólico en dos dimensiones de nodos de procesamiento reconfigurables. Es posible mapear diferentes tareas de cómputo en el array usando una biblioteca de elementos sencillos de procesamiento reconfigurables. – Definición de una biblioteca de elementos de procesamiento apropiada para la síntesis autónoma en tiempo de ejecución de diferentes tareas de procesamiento de imagen. – Incorporación eficiente de la reconfiguración parcial dinámica (DPR) en sistemas de hardware evolutivo, superando los principales inconvenientes de propuestas previas como los circuitos reconfigurables virtuales (VRCs). En este trabajo también se comparan originalmente los detalles de implementación de ambas propuestas. – Una plataforma tolerante a fallos, auto-curativa, que permite la recuperación funcional online en entornos peligrosos. La plataforma ha sido caracterizada desde una perspectiva de tolerancia a fallos: se proponen modelos de fallo a nivel de CLB y de elemento de procesamiento, y usando el motor de reconfiguración, se hace un análisis sistemático de fallos para un fallo en cada elemento de procesamiento y para dos fallos acumulados. – Una plataforma con calidad de filtrado dinámica que permite la adaptación online a tipos de ruido diferentes y diferentes comportamientos computacionales teniendo en cuenta los recursos de procesamiento disponibles. Por un lado, se evolucionan filtros con comportamientos no destructivos, que permiten esquemas de filtrado en cascada escalables; y por otro, también se evolucionan filtros escalables teniendo en cuenta requisitos computacionales de filtrado cambiantes dinámicamente. Este documento está organizado en cuatro partes y nueve capítulos. La primera parte contiene el capítulo 1, una introducción y motivación sobre este trabajo de tesis. A continuación, el marco de referencia en el que se enmarca esta tesis se analiza en la segunda parte: el capítulo 2 contiene una introducción a los conceptos de auto-adaptación y computación autonómica (autonomic computing) como un campo de investigación más general que el muy específico de este trabajo; el capítulo 3 introduce la computación evolutiva como la técnica para dirigir la adaptación; el capítulo 4 analiza las plataformas de computación reconfigurables como la tecnología para albergar hardware auto-adaptativo; y finalmente, el capítulo 5 define, clasifica y hace un sondeo del campo del hardware evolutivo. Seguidamente, la tercera parte de este trabajo contiene la propuesta, desarrollo y resultados obtenidos: mientras que el capítulo 6 contiene una declaración de los objetivos de la tesis y la descripción de la propuesta en su conjunto, los capítulos 7 y 8 abordan la auto-adaptación paramétrica y estructural, respectivamente. Finalmente, el capítulo 9 de la parte 4 concluye el trabajo y describe caminos de investigación futuros. ABSTRACT Embedded systems have traditionally been conceived to be specific-purpose computers with one, fixed computational task for their whole lifetime. Stringent requirements in terms of cost, size and weight forced designers to highly optimise their operation for very specific conditions. However, demands for versatility, more intelligent behaviour and, in summary, an increased computing capability began to clash with these limitations, intensified by the uncertainty associated to the more dynamic operating environments where they were progressively being deployed. This brought as a result an increasing need for systems to respond by themselves to unexpected events at design time, such as: changes in input data characteristics and system environment in general; changes in the computing platform itself, e.g., due to faults and fabrication defects; and changes in functional specifications caused by dynamically changing system objectives. As a consequence, systems complexity is increasing, but in turn, autonomous lifetime adaptation without human intervention is being progressively enabled, allowing them to take their own decisions at run-time. This type of systems is known, in general, as selfadaptive, and are able, among others, of self-configuration, self-optimisation and self-repair. Traditionally, the soft part of a system has mostly been so far the only place to provide systems with some degree of adaptation capabilities. However, the performance to power ratios of software driven devices like microprocessors are not adequate for embedded systems in many situations. In this scenario, the resulting rise in applications complexity is being partly addressed by rising devices complexity in the form of multi and many core devices; but sadly, this keeps on increasing power consumption. Besides, design methodologies have not been improved accordingly to completely leverage the available computational power from all these cores. Altogether, these factors make that the computing demands new applications pose are not being wholly satisfied. The traditional solution to improve performance to power ratios has been the switch to hardware driven specifications, mainly using ASICs. However, their costs are highly prohibitive except for some mass production cases and besidesthe static nature of its structure complicates the solution to the adaptation needs. The advancements in fabrication technologies have made that the once slow, small FPGA used as glue logic in bigger systems, had grown to be a very powerful, reconfigurable computing device with a vast amount of computational logic resources and embedded, hardened signal and general purpose processing cores. Its reconfiguration capabilities have enabled software-like flexibility to be combined with hardware-like computing performance, which has the potential to cause a paradigm shift in computer architecture since hardware cannot be considered as static anymore. This is so, since, as is the case with SRAMbased FPGAs, Dynamic Partial Reconfiguration (DPR) is possible. This means that subsets of the FPGA computational resources can now be changed (reconfigured) at run-time while the rest remains active. Besides, this reconfiguration process can be triggered internally by the device itself. This technological boost in reconfigurable hardware devices is actually covered under the field known as Reconfigurable Computing. One of the most exotic fields of application that Reconfigurable Computing has enabled is the known as Evolvable Hardware (EHW), in which this dissertation is framed. The main idea behind the concept is turning hardware that is adaptable through reconfiguration into an evolvable entity subject to the forces of an evolutionary process, inspired by that of natural, biological species, that guides the direction of change. It is yet another application of the field of Evolutionary Computation (EC), which comprises a set of global optimisation algorithms known as Evolutionary Algorithms (EAs), considered as universal problem solvers. In analogy to the biological process of evolution, in EHW the subject of evolution is a population of circuits that tries to get adapted to its surrounding environment by progressively getting better fitted to it generation after generation. Individuals become circuit configurations representing bitstreams that feature reconfigurable circuit descriptions. By selecting those that behave better, i.e., with a higher fitness value after being evaluated, and using them as parents of the following generation, the EA creates a new offspring population by using so called genetic operators like mutation and recombination. As generations succeed one another, the whole population is expected to approach to the optimum solution to the problem of finding an adequate circuit configuration that fulfils system objectives. The state of reconfiguration technology after Xilinx XC6200 FPGA family was discontinued and replaced by Virtex families in the late 90s, was a major obstacle for advancements in EHW; closed (non publicly known) bitstream formats; dependence on manufacturer tools with highly limiting support of DPR; slow speed of reconfiguration; and random bitstream modifications being potentially hazardous for device integrity, are some of these reasons. However, a proposal in the first 2000s allowed to keep investigating in this field while DPR technology kept maturing, the Virtual Reconfigurable Circuit (VRC). In essence, a VRC in an FPGA is a virtual layer acting as an application specific reconfigurable circuit on top of an FPGA fabric that reduces the complexity of the reconfiguration process and increases its speed (compared to native reconfiguration). It is an array of computational nodes specified using standard HDL descriptions that define ad-hoc reconfigurable resources; routing multiplexers and a set of configurable processing elements, each one containing all the required functions, which are selectable through functionality multiplexers as in microprocessor ALUs. A large register acts as configuration memory, so VRC reconfiguration is very fast given it only involves writing this register, which drives the selection signals of the set of multiplexers. However, large overheads are introduced by this virtual layer; an area overhead due to the simultaneous implementation of every function in every node of the array plus the multiplexers, and a delay overhead due to the multiplexers, which also reduces maximum frequency of operation. The very nature of Evolvable Hardware, able to optimise its own computational behaviour, makes it a good candidate to advance research in self-adaptive systems. Combining a selfreconfigurable computing substrate able to be dynamically changed at run-time with an embedded algorithm that provides a direction for change, can help fulfilling requirements for autonomous lifetime adaptation of FPGA-based embedded systems. The main proposal of this thesis is hence directed to contribute to autonomous self-adaptation of the underlying computational hardware of FPGA-based embedded systems by means of Evolvable Hardware. This is tackled by considering that the computational behaviour of a system can be modified by changing any of its two constituent parts: an underlying hard structure and a set of soft parameters. Two main lines of work derive from this distinction. On one side, parametric self-adaptation and, on the other side, structural self-adaptation. The goal pursued in the case of parametric self-adaptation is the implementation of complex evolutionary optimisation techniques in resource constrained embedded systems for online parameter adaptation of signal processing circuits. The application selected as proof of concept is the optimisation of Discrete Wavelet Transforms (DWT) filters coefficients for very specific types of images, oriented to image compression. Hence, adaptive and improved compression efficiency, as compared to standard techniques, is the required goal of evolution. The main quest lies in reducing the supercomputing resources reported in previous works for the optimisation process in order to make it suitable for embedded systems. Regarding structural self-adaptation, the thesis goal is the implementation of self-adaptive circuits in FPGA-based evolvable systems through an efficient use of native reconfiguration capabilities. In this case, evolution of image processing tasks such as filtering of unknown and changing types of noise and edge detection are the selected proofs of concept. In general, evolving unknown image processing behaviours (within a certain complexity range) at design time is the required goal. In this case, the mission of the proposal is the incorporation of DPR in EHW to evolve a systolic array architecture adaptable through reconfiguration whose evolvability had not been previously checked. In order to achieve the two stated goals, this thesis originally proposes an evolvable platform that integrates an Adaptation Engine (AE), a Reconfiguration Engine (RE) and an adaptable Computing Engine (CE). In the case of parametric adaptation, the proposed platform is characterised by: • a CE featuring a DWT hardware processing core adaptable through reconfigurable registers that holds wavelet filters coefficients • an evolutionary algorithm as AE that searches for candidate wavelet filters through a parametric optimisation process specifically developed for systems featured by scarce computing resources • a new, simplified mutation operator for the selected EA, that together with a fast evaluation mechanism of candidate wavelet filters derived from existing literature, assures the feasibility of the evolutionary search involved in wavelets adaptation In the case of structural adaptation, the platform proposal takes the form of: • a CE based on a reconfigurable 2D systolic array template composed of reconfigurable processing nodes • an evolutionary algorithm as AE that searches for candidate configurations of the array using a set of computational functionalities for the nodes available in a run time accessible library • a hardware RE that exploits native DPR capabilities of FPGAs and makes an efficient use of the available reconfigurable resources of the device to change the behaviour of the CE at run time • a library of reconfigurable processing elements featured by position-independent partial bitstreams used as the set of available configurations for the processing nodes of the array Main contributions of this thesis can be summarised in the following list. • An FPGA-based evolvable platform for parametric and structural self-adaptation of embedded systems composed of a Computing Engine, an evolutionary Adaptation Engine and a Reconfiguration Engine. This platform is further developed and tailored for both parametric and structural self-adaptation. • Regarding parametric self-adaptation, main contributions are: – A CE adaptable through reconfigurable registers that enables parametric adaptation of the coefficients of an adaptive hardware implementation of a DWT core. – An AE based on an Evolutionary Algorithm specifically developed for numerical optimisation applied to wavelet filter coefficients in resource constrained embedded systems. – A run-time self-adaptive DWT IP core for embedded systems that allows for online optimisation of transform performance for image compression for specific deployment environments characterised by different types of input signals. – A software model and hardware implementation of a tool for the automatic, evolutionary construction of custom wavelet transforms. • Lastly, regarding structural self-adaptation, main contributions are: – A CE adaptable through native FPGA fabric reconfiguration featured by a two dimensional systolic array template of reconfigurable processing nodes. Different processing behaviours can be automatically mapped in the array by using a library of simple reconfigurable processing elements. – Definition of a library of such processing elements suited for autonomous runtime synthesis of different image processing tasks. – Efficient incorporation of DPR in EHW systems, overcoming main drawbacks from the previous approach of virtual reconfigurable circuits. Implementation details for both approaches are also originally compared in this work. – A fault tolerant, self-healing platform that enables online functional recovery in hazardous environments. The platform has been characterised from a fault tolerance perspective: fault models at FPGA CLB level and processing elements level are proposed, and using the RE, a systematic fault analysis for one fault in every processing element and for two accumulated faults is done. – A dynamic filtering quality platform that permits on-line adaptation to different types of noise and different computing behaviours considering the available computing resources. On one side, non-destructive filters are evolved, enabling scalable cascaded filtering schemes; and on the other, size-scalable filters are also evolved considering dynamically changing computational filtering requirements. This dissertation is organized in four parts and nine chapters. First part contains chapter 1, the introduction to and motivation of this PhD work. Following, the reference framework in which this dissertation is framed is analysed in the second part: chapter 2 features an introduction to the notions of self-adaptation and autonomic computing as a more general research field to the very specific one of this work; chapter 3 introduces evolutionary computation as the technique to drive adaptation; chapter 4 analyses platforms for reconfigurable computing as the technology to hold self-adaptive hardware; and finally chapter 5 defines, classifies and surveys the field of Evolvable Hardware. Third part of the work follows, which contains the proposal, development and results obtained: while chapter 6 contains an statement of the thesis goals and the description of the proposal as a whole, chapters 7 and 8 address parametric and structural self-adaptation, respectively. Finally, chapter 9 in part 4 concludes the work and describes future research paths.

Run-Time Dynamically-Adaptable FPGA-Based Architecture for High-Performance Autonomous Distributed Systems

Esta tesis doctoral se enmarca dentro del campo de los sistemas embebidos reconfigurables, redes de sensores inalámbricas para aplicaciones de altas prestaciones, y computación distribuida. El documento se centra en el estudio de alternativas de procesamiento para sistemas embebidos autónomos distribuidos de altas prestaciones (por sus siglas en inglés, High-Performance Autonomous Distributed Systems (HPADS)), así como su evolución hacia el procesamiento de alta resolución. El estudio se ha llevado a cabo tanto a nivel de plataforma como a nivel de las arquitecturas de procesamiento dentro de la plataforma con el objetivo de optimizar aspectos tan relevantes como la eficiencia energética, la capacidad de cómputo y la tolerancia a fallos del sistema. Los HPADS son sistemas realimentados, normalmente formados por elementos distribuidos conectados o no en red, con cierta capacidad de adaptación, y con inteligencia suficiente para llevar a cabo labores de prognosis y/o autoevaluación. Esta clase de sistemas suele formar parte de sistemas más complejos llamados sistemas ciber-físicos (por sus siglas en inglés, Cyber-Physical Systems (CPSs)). Los CPSs cubren un espectro enorme de aplicaciones, yendo desde aplicaciones médicas, fabricación, o aplicaciones aeroespaciales, entre otras muchas. Para el diseño de este tipo de sistemas, aspectos tales como la confiabilidad, la definición de modelos de computación, o el uso de metodologías y/o herramientas que faciliten el incremento de la escalabilidad y de la gestión de la complejidad, son fundamentales. La primera parte de esta tesis doctoral se centra en el estudio de aquellas plataformas existentes en el estado del arte que por sus características pueden ser aplicables en el campo de los CPSs, así como en la propuesta de un nuevo diseño de plataforma de altas prestaciones que se ajuste mejor a los nuevos y más exigentes requisitos de las nuevas aplicaciones. Esta primera parte incluye descripción, implementación y validación de la plataforma propuesta, así como conclusiones sobre su usabilidad y sus limitaciones. Los principales objetivos para el diseño de la plataforma propuesta se enumeran a continuación: • Estudiar la viabilidad del uso de una FPGA basada en RAM como principal procesador de la plataforma en cuanto a consumo energético y capacidad de cómputo. • Propuesta de técnicas de gestión del consumo de energía en cada etapa del perfil de trabajo de la plataforma. •Propuestas para la inclusión de reconfiguración dinámica y parcial de la FPGA (por sus siglas en inglés, Dynamic Partial Reconfiguration (DPR)) de forma que sea posible cambiar ciertas partes del sistema en tiempo de ejecución y sin necesidad de interrumpir al resto de las partes. Evaluar su aplicabilidad en el caso de HPADS. Las nuevas aplicaciones y nuevos escenarios a los que se enfrentan los CPSs, imponen nuevos requisitos en cuanto al ancho de banda necesario para el procesamiento de los datos, así como en la adquisición y comunicación de los mismos, además de un claro incremento en la complejidad de los algoritmos empleados. Para poder cumplir con estos nuevos requisitos, las plataformas están migrando desde sistemas tradicionales uni-procesador de 8 bits, a sistemas híbridos hardware-software que incluyen varios procesadores, o varios procesadores y lógica programable. Entre estas nuevas arquitecturas, las FPGAs y los sistemas en chip (por sus siglas en inglés, System on Chip (SoC)) que incluyen procesadores embebidos y lógica programable, proporcionan soluciones con muy buenos resultados en cuanto a consumo energético, precio, capacidad de cómputo y flexibilidad. Estos buenos resultados son aún mejores cuando las aplicaciones tienen altos requisitos de cómputo y cuando las condiciones de trabajo son muy susceptibles de cambiar en tiempo real. La plataforma propuesta en esta tesis doctoral se ha denominado HiReCookie. La arquitectura incluye una FPGA basada en RAM como único procesador, así como un diseño compatible con la plataforma para redes de sensores inalámbricas desarrollada en el Centro de Electrónica Industrial de la Universidad Politécnica de Madrid (CEI-UPM) conocida como Cookies. Esta FPGA, modelo Spartan-6 LX150, era, en el momento de inicio de este trabajo, la mejor opción en cuanto a consumo y cantidad de recursos integrados, cuando además, permite el uso de reconfiguración dinámica y parcial. Es importante resaltar que aunque los valores de consumo son los mínimos para esta familia de componentes, la potencia instantánea consumida sigue siendo muy alta para aquellos sistemas que han de trabajar distribuidos, de forma autónoma, y en la mayoría de los casos alimentados por baterías. Por esta razón, es necesario incluir en el diseño estrategias de ahorro energético para incrementar la usabilidad y el tiempo de vida de la plataforma. La primera estrategia implementada consiste en dividir la plataforma en distintas islas de alimentación de forma que sólo aquellos elementos que sean estrictamente necesarios permanecerán alimentados, cuando el resto puede estar completamente apagado. De esta forma es posible combinar distintos modos de operación y así optimizar enormemente el consumo de energía. El hecho de apagar la FPGA para ahora energía durante los periodos de inactividad, supone la pérdida de la configuración, puesto que la memoria de configuración es una memoria volátil. Para reducir el impacto en el consumo y en el tiempo que supone la reconfiguración total de la plataforma una vez encendida, en este trabajo, se incluye una técnica para la compresión del archivo de configuración de la FPGA, de forma que se consiga una reducción del tiempo de configuración y por ende de la energía consumida. Aunque varios de los requisitos de diseño pueden satisfacerse con el diseño de la plataforma HiReCookie, es necesario seguir optimizando diversos parámetros tales como el consumo energético, la tolerancia a fallos y la capacidad de procesamiento. Esto sólo es posible explotando todas las posibilidades ofrecidas por la arquitectura de procesamiento en la FPGA. Por lo tanto, la segunda parte de esta tesis doctoral está centrada en el diseño de una arquitectura reconfigurable denominada ARTICo3 (Arquitectura Reconfigurable para el Tratamiento Inteligente de Cómputo, Confiabilidad y Consumo de energía) para la mejora de estos parámetros por medio de un uso dinámico de recursos. ARTICo3 es una arquitectura de procesamiento para FPGAs basadas en RAM, con comunicación tipo bus, preparada para dar soporte para la gestión dinámica de los recursos internos de la FPGA en tiempo de ejecución gracias a la inclusión de reconfiguración dinámica y parcial. Gracias a esta capacidad de reconfiguración parcial, es posible adaptar los niveles de capacidad de procesamiento, energía consumida o tolerancia a fallos para responder a las demandas de la aplicación, entorno, o métricas internas del dispositivo mediante la adaptación del número de recursos asignados para cada tarea. Durante esta segunda parte de la tesis se detallan el diseño de la arquitectura, su implementación en la plataforma HiReCookie, así como en otra familia de FPGAs, y su validación por medio de diferentes pruebas y demostraciones. Los principales objetivos que se plantean la arquitectura son los siguientes: • Proponer una metodología basada en un enfoque multi-hilo, como las propuestas por CUDA (por sus siglas en inglés, Compute Unified Device Architecture) u Open CL, en la cual distintos kernels, o unidades de ejecución, se ejecuten en un numero variable de aceleradores hardware sin necesidad de cambios en el código de aplicación. • Proponer un diseño y proporcionar una arquitectura en la que las condiciones de trabajo cambien de forma dinámica dependiendo bien de parámetros externos o bien de parámetros que indiquen el estado de la plataforma. Estos cambios en el punto de trabajo de la arquitectura serán posibles gracias a la reconfiguración dinámica y parcial de aceleradores hardware en tiempo real. • Explotar las posibilidades de procesamiento concurrente, incluso en una arquitectura basada en bus, por medio de la optimización de las transacciones en ráfaga de datos hacia los aceleradores. •Aprovechar las ventajas ofrecidas por la aceleración lograda por módulos puramente hardware para conseguir una mejor eficiencia energética. • Ser capaces de cambiar los niveles de redundancia de hardware de forma dinámica según las necesidades del sistema en tiempo real y sin cambios para el código de aplicación. • Proponer una capa de abstracción entre el código de aplicación y el uso dinámico de los recursos de la FPGA. El diseño en FPGAs permite la utilización de módulos hardware específicamente creados para una aplicación concreta. De esta forma es posible obtener rendimientos mucho mayores que en el caso de las arquitecturas de propósito general. Además, algunas FPGAs permiten la reconfiguración dinámica y parcial de ciertas partes de su lógica en tiempo de ejecución, lo cual dota al diseño de una gran flexibilidad. Los fabricantes de FPGAs ofrecen arquitecturas predefinidas con la posibilidad de añadir bloques prediseñados y poder formar sistemas en chip de una forma más o menos directa. Sin embargo, la forma en la que estos módulos hardware están organizados dentro de la arquitectura interna ya sea estática o dinámicamente, o la forma en la que la información se intercambia entre ellos, influye enormemente en la capacidad de cómputo y eficiencia energética del sistema. De la misma forma, la capacidad de cargar módulos hardware bajo demanda, permite añadir bloques redundantes que permitan aumentar el nivel de tolerancia a fallos de los sistemas. Sin embargo, la complejidad ligada al diseño de bloques hardware dedicados no debe ser subestimada. Es necesario tener en cuenta que el diseño de un bloque hardware no es sólo su propio diseño, sino también el diseño de sus interfaces, y en algunos casos de los drivers software para su manejo. Además, al añadir más bloques, el espacio de diseño se hace más complejo, y su programación más difícil. Aunque la mayoría de los fabricantes ofrecen interfaces predefinidas, IPs (por sus siglas en inglés, Intelectual Property) comerciales y plantillas para ayudar al diseño de los sistemas, para ser capaces de explotar las posibilidades reales del sistema, es necesario construir arquitecturas sobre las ya establecidas para facilitar el uso del paralelismo, la redundancia, y proporcionar un entorno que soporte la gestión dinámica de los recursos. Para proporcionar este tipo de soporte, ARTICo3 trabaja con un espacio de soluciones formado por tres ejes fundamentales: computación, consumo energético y confiabilidad. De esta forma, cada punto de trabajo se obtiene como una solución de compromiso entre estos tres parámetros. Mediante el uso de la reconfiguración dinámica y parcial y una mejora en la transmisión de los datos entre la memoria principal y los aceleradores, es posible dedicar un número variable de recursos en el tiempo para cada tarea, lo que hace que los recursos internos de la FPGA sean virtualmente ilimitados. Este variación en el tiempo del número de recursos por tarea se puede usar bien para incrementar el nivel de paralelismo, y por ende de aceleración, o bien para aumentar la redundancia, y por lo tanto el nivel de tolerancia a fallos. Al mismo tiempo, usar un numero óptimo de recursos para una tarea mejora el consumo energético ya que bien es posible disminuir la potencia instantánea consumida, o bien el tiempo de procesamiento. Con el objetivo de mantener los niveles de complejidad dentro de unos límites lógicos, es importante que los cambios realizados en el hardware sean totalmente transparentes para el código de aplicación. A este respecto, se incluyen distintos niveles de transparencia: • Transparencia a la escalabilidad: los recursos usados por una misma tarea pueden ser modificados sin que el código de aplicación sufra ningún cambio. • Transparencia al rendimiento: el sistema aumentara su rendimiento cuando la carga de trabajo aumente, sin cambios en el código de aplicación. • Transparencia a la replicación: es posible usar múltiples instancias de un mismo módulo bien para añadir redundancia o bien para incrementar la capacidad de procesamiento. Todo ello sin que el código de aplicación cambie. • Transparencia a la posición: la posición física de los módulos hardware es arbitraria para su direccionamiento desde el código de aplicación. • Transparencia a los fallos: si existe un fallo en un módulo hardware, gracias a la redundancia, el código de aplicación tomará directamente el resultado correcto. • Transparencia a la concurrencia: el hecho de que una tarea sea realizada por más o menos bloques es transparente para el código que la invoca. Por lo tanto, esta tesis doctoral contribuye en dos líneas diferentes. En primer lugar, con el diseño de la plataforma HiReCookie y en segundo lugar con el diseño de la arquitectura ARTICo3. Las principales contribuciones de esta tesis se resumen a continuación. • Arquitectura de la HiReCookie incluyendo: o Compatibilidad con la plataforma Cookies para incrementar las capacidades de esta. o División de la arquitectura en distintas islas de alimentación. o Implementación de los diversos modos de bajo consumo y políticas de despertado del nodo. o Creación de un archivo de configuración de la FPGA comprimido para reducir el tiempo y el consumo de la configuración inicial. • Diseño de la arquitectura reconfigurable para FPGAs basadas en RAM ARTICo3: o Modelo de computación y modos de ejecución inspirados en el modelo de CUDA pero basados en hardware reconfigurable con un número variable de bloques de hilos por cada unidad de ejecución. o Estructura para optimizar las transacciones de datos en ráfaga proporcionando datos en cascada o en paralelo a los distinto módulos incluyendo un proceso de votado por mayoría y operaciones de reducción. o Capa de abstracción entre el procesador principal que incluye el código de aplicación y los recursos asignados para las diferentes tareas. o Arquitectura de los módulos hardware reconfigurables para mantener la escalabilidad añadiendo una la interfaz para las nuevas funcionalidades con un simple acceso a una memoria RAM interna. o Caracterización online de las tareas para proporcionar información a un módulo de gestión de recursos para mejorar la operación en términos de energía y procesamiento cuando además se opera entre distintos nieles de tolerancia a fallos. El documento está dividido en dos partes principales formando un total de cinco capítulos. En primer lugar, después de motivar la necesidad de nuevas plataformas para cubrir las nuevas aplicaciones, se detalla el diseño de la plataforma HiReCookie, sus partes, las posibilidades para bajar el consumo energético y se muestran casos de uso de la plataforma así como pruebas de validación del diseño. La segunda parte del documento describe la arquitectura reconfigurable, su implementación en varias FPGAs, y pruebas de validación en términos de capacidad de procesamiento y consumo energético, incluyendo cómo estos aspectos se ven afectados por el nivel de tolerancia a fallos elegido. Los capítulos a lo largo del documento son los siguientes: El capítulo 1 analiza los principales objetivos, motivación y aspectos teóricos necesarios para seguir el resto del documento. El capítulo 2 está centrado en el diseño de la plataforma HiReCookie y sus posibilidades para disminuir el consumo de energía. El capítulo 3 describe la arquitectura reconfigurable ARTICo3. El capítulo 4 se centra en las pruebas de validación de la arquitectura usando la plataforma HiReCookie para la mayoría de los tests. Un ejemplo de aplicación es mostrado para analizar el funcionamiento de la arquitectura. El capítulo 5 concluye esta tesis doctoral comentando las conclusiones obtenidas, las contribuciones originales del trabajo y resultados y líneas futuras. ABSTRACT This PhD Thesis is framed within the field of dynamically reconfigurable embedded systems, advanced sensor networks and distributed computing. The document is centred on the study of processing solutions for high-performance autonomous distributed systems (HPADS) as well as their evolution towards High performance Computing (HPC) systems. The approach of the study is focused on both platform and processor levels to optimise critical aspects such as computing performance, energy efficiency and fault tolerance. HPADS are considered feedback systems, normally networked and/or distributed, with real-time adaptive and predictive functionality. These systems, as part of more complex systems known as Cyber-Physical Systems (CPSs), can be applied in a wide range of fields such as military, health care, manufacturing, aerospace, etc. For the design of HPADS, high levels of dependability, the definition of suitable models of computation, and the use of methodologies and tools to support scalability and complexity management, are required. The first part of the document studies the different possibilities at platform design level in the state of the art, together with description, development and validation tests of the platform proposed in this work to cope with the previously mentioned requirements. The main objectives targeted by this platform design are the following: • Study the feasibility of using SRAM-based FPGAs as the main processor of the platform in terms of energy consumption and performance for high demanding applications. • Analyse and propose energy management techniques to reduce energy consumption in every stage of the working profile of the platform. • Provide a solution with dynamic partial and wireless remote HW reconfiguration (DPR) to be able to change certain parts of the FPGA design at run time and on demand without interrupting the rest of the system. • Demonstrate the applicability of the platform in different test-bench applications. In order to select the best approach for the platform design in terms of processing alternatives, a study of the evolution of the state-of-the-art platforms is required to analyse how different architectures cope with new more demanding applications and scenarios: security, mixed-critical systems for aerospace, multimedia applications, or military environments, among others. In all these scenarios, important changes in the required processing bandwidth or the complexity of the algorithms used are provoking the migration of the platforms from single microprocessor architectures to multiprocessing and heterogeneous solutions with more instant power consumption but higher energy efficiency. Within these solutions, FPGAs and Systems on Chip including FPGA fabric and dedicated hard processors, offer a good trade of among flexibility, processing performance, energy consumption and price, when they are used in demanding applications where working conditions are very likely to vary over time and high complex algorithms are required. The platform architecture proposed in this PhD Thesis is called HiReCookie. It includes an SRAM-based FPGA as the main and only processing unit. The FPGA selected, the Xilinx Spartan-6 LX150, was at the beginning of this work the best choice in terms of amount of resources and power. Although, the power levels are the lowest of these kind of devices, they can be still very high for distributed systems that normally work powered by batteries. For that reason, it is necessary to include different energy saving possibilities to increase the usability of the platform. In order to reduce energy consumption, the platform architecture is divided into different power islands so that only those parts of the systems that are strictly needed are powered on, while the rest of the islands can be completely switched off. This allows a combination of different low power modes to decrease energy. In addition, one of the most important handicaps of SRAM-based FPGAs is that they are not alive at power up. Therefore, recovering the system from a switch-off state requires to reload the FPGA configuration from a non-volatile memory device. For that reason, this PhD Thesis also proposes a methodology to compress the FPGA configuration file in order to reduce time and energy during the initial configuration process. Although some of the requirements for the design of HPADS are already covered by the design of the HiReCookie platform, it is necessary to continue improving energy efficiency, computing performance and fault tolerance. This is only possible by exploiting all the opportunities provided by the processing architectures configured inside the FPGA. Therefore, the second part of the thesis details the design of the so called ARTICo3 FPGA architecture to enhance the already intrinsic capabilities of the FPGA. ARTICo3 is a DPR-capable bus-based virtual architecture for multiple HW acceleration in SRAM-based FPGAs. The architecture provides support for dynamic resource management in real time. In this way, by using DPR, it will be possible to change the levels of computing performance, energy consumption and fault tolerance on demand by increasing or decreasing the amount of resources used by the different tasks. Apart from the detailed design of the architecture and its implementation in different FPGA devices, different validation tests and comparisons are also shown. The main objectives targeted by this FPGA architecture are listed as follows: • Provide a method based on a multithread approach such as those offered by CUDA (Compute Unified Device Architecture) or OpenCL kernel executions, where kernels are executed in a variable number of HW accelerators without requiring application code changes. • Provide an architecture to dynamically adapt working points according to either self-measured or external parameters in terms of energy consumption, fault tolerance and computing performance. Taking advantage of DPR capabilities, the architecture must provide support for a dynamic use of resources in real time. • Exploit concurrent processing capabilities in a standard bus-based system by optimizing data transactions to and from HW accelerators. • Measure the advantage of HW acceleration as a technique to boost performance to improve processing times and save energy by reducing active times for distributed embedded systems. • Dynamically change the levels of HW redundancy to adapt fault tolerance in real time. • Provide HW abstraction from SW application design. FPGAs give the possibility of designing specific HW blocks for every required task to optimise performance while some of them include the possibility of including DPR. Apart from the possibilities provided by manufacturers, the way these HW modules are organised, addressed and multiplexed in area and time can improve computing performance and energy consumption. At the same time, fault tolerance and security techniques can also be dynamically included using DPR. However, the inherent complexity of designing new HW modules for every application is not negligible. It does not only consist of the HW description, but also the design of drivers and interfaces with the rest of the system, while the design space is widened and more complex to define and program. Even though the tools provided by the majority of manufacturers already include predefined bus interfaces, commercial IPs, and templates to ease application prototyping, it is necessary to improve these capabilities. By adding new architectures on top of them, it is possible to take advantage of parallelization and HW redundancy while providing a framework to ease the use of dynamic resource management. ARTICo3 works within a solution space where working points change at run time in a 3D space defined by three different axes: Computation, Consumption, and Fault Tolerance. Therefore, every working point is found as a trade-off solution among these three axes. By means of DPR, different accelerators can be multiplexed so that the amount of available resources for any application is virtually unlimited. Taking advantage of DPR capabilities and a novel way of transmitting data to the reconfigurable HW accelerators, it is possible to dedicate a dynamically-changing number of resources for a given task in order to either boost computing speed or adding HW redundancy and a voting process to increase fault-tolerance levels. At the same time, using an optimised amount of resources for a given task reduces energy consumption by reducing instant power or computing time. In order to keep level complexity under certain limits, it is important that HW changes are transparent for the application code. Therefore, different levels of transparency are targeted by the system: • Scalability transparency: a task must be able to expand its resources without changing the system structure or application algorithms. • Performance transparency: the system must reconfigure itself as load changes. • Replication transparency: multiple instances of the same task are loaded to increase reliability and performance. • Location transparency: resources are accessed with no knowledge of their location by the application code. • Failure transparency: task must be completed despite a failure in some components. • Concurrency transparency: different tasks will work in a concurrent way transparent to the application code. Therefore, as it can be seen, the Thesis is contributing in two different ways. First with the design of the HiReCookie platform and, second with the design of the ARTICo3 architecture. The main contributions of this PhD Thesis are then listed below: • Architecture of the HiReCookie platform including: o Compatibility of the processing layer for high performance applications with the Cookies Wireless Sensor Network platform for fast prototyping and implementation. o A division of the architecture in power islands. o All the different low-power modes. o The creation of the partial-initial bitstream together with the wake-up policies of the node. • The design of the reconfigurable architecture for SRAM FPGAs: ARTICo3: o A model of computation and execution modes inspired in CUDA but based on reconfigurable HW with a dynamic number of thread blocks per kernel. o A structure to optimise burst data transactions providing coalesced or parallel data to HW accelerators, parallel voting process and reduction operation. o The abstraction provided to the host processor with respect to the operation of the kernels in terms of the number of replicas, modes of operation, location in the reconfigurable area and addressing. o The architecture of the modules representing the thread blocks to make the system scalable by adding functional units only adding an access to a BRAM port. o The online characterization of the kernels to provide information to a scheduler or resource manager in terms of energy consumption and processing time when changing among different fault-tolerance levels, as well as if a kernel is expected to work in the memory-bounded or computing-bounded areas. The document of the Thesis is divided into two main parts with a total of five chapters. First, after motivating the need for new platforms to cover new more demanding applications, the design of the HiReCookie platform, its parts and several partial tests are detailed. The design of the platform alone does not cover all the needs of these applications. Therefore, the second part describes the architecture inside the FPGA, called ARTICo3, proposed in this PhD Thesis. The architecture and its implementation are tested in terms of energy consumption and computing performance showing different possibilities to improve fault tolerance and how this impact in energy and time of processing. Chapter 1 shows the main goals of this PhD Thesis and the technology background required to follow the rest of the document. Chapter 2 shows all the details about the design of the FPGA-based platform HiReCookie. Chapter 3 describes the ARTICo3 architecture. Chapter 4 is focused on the validation tests of the ARTICo3 architecture. An application for proof of concept is explained where typical kernels related to image processing and encryption algorithms are used. Further experimental analyses are performed using these kernels. Chapter 5 concludes the document analysing conclusions, comments about the contributions of the work, and some possible future lines for the work.

Methodology for Dynamic Stability and Robustness Analysis of Commercial-Power-Module-Based DC-Distributed Systems

El propósito de esta tesis es presentar una metodología para realizar análisis de la dinámica en pequeña señal y el comportamiento de sistemas de alimentación distribuidos de corriente continua (CC), formados por módulos comerciales. Para ello se hace uso de un método sencillo que indica los márgenes de estabilidad menos conservadores posibles mediante un solo número. Este índice es calculado en cada una de las interfaces que componen el sistema y puede usarse para obtener un índice global que indica la estabilidad del sistema global. De esta manera se posibilita la comparación de sistemas de alimentación distribuidos en términos de robustez. La interconexión de convertidores CC-CC entre ellos y con los filtros EMI necesarios puede originar interacciones no deseadas que dan lugar a la degradación del comportamiento de los convertidores, haciendo el sistema más propenso a inestabilidades. Esta diferencia en el comportamiento se debe a interacciones entre las impedancias de los diversos elementos del sistema. En la mayoría de los casos, los sistemas de alimentación distribuida están formados por módulos comerciales cuya estructura interna es desconocida. Por ello los análisis presentados en esta tesis se basan en medidas de la respuesta en frecuencia del convertidor que pueden realizarse desde los terminales de entrada y salida del mismo. Utilizando las medidas de las impedancias de entrada y salida de los elementos del sistema, se puede construir una función de sensibilidad que proporciona los márgenes de estabilidad de las diferentes interfaces. En esta tesis se utiliza el concepto del valor máximo de la función de sensibilidad (MPC por sus siglas en inglés) para indicar los márgenes de estabilidad como un único número. Una vez que la estabilidad de todas las interfaces del sistema se han evaluado individualmente, los índices obtenidos pueden combinarse para obtener un único número con el que comparar la estabilidad de diferentes sistemas. Igualmente se han analizado las posibles interacciones en la entrada y la salida de los convertidores CC-CC, obteniéndose expresiones analíticas con las que describir en detalle los acoplamientos generados en el sistema. Los estudios analíticos realizados se han validado experimentalmente a lo largo de la tesis. El análisis presentado en esta tesis se culmina con la obtención de un índice que condensa los márgenes de estabilidad menos conservativos. También se demuestra que la robustez del sistema está asegurada si las impedancias utilizadas en la función de sensibilidad se obtienen justamente en la entrada o la salida del subsistema que está siendo analizado. Por otra parte, la tesis presenta un conjunto de parámetros internos asimilados a impedancias, junto con sus expresiones analíticas, que permiten una explicación detallada de las interacciones en el sistema. Dichas expresiones analíticas pueden obtenerse bien mediante las funciones de transferencia analíticas si se conoce la estructura interna, o utilizando medidas en frecuencia o identificación de las mismas a través de la respuesta temporal del convertidor. De acuerdo a las metodologías presentadas en esta tesis se puede predecir la estabilidad y el comportamiento de sistemas compuestos básicamente por convertidores CC-CC y filtros, cuya estructura interna es desconocida. La predicción se basa en un índice que condensa la información de los márgenes de estabilidad y que permite la obtención de un indicador de la estabilidad global de todo el sistema, permitiendo la comparación de la estabilidad de diferentes arquitecturas de sistemas de alimentación distribuidos. ABSTRACT The purpose of this thesis is to present dynamic small-signal stability and performance analysis methodology for dc-distributed systems consisting of commercial power modules. Furthermore, the objective is to introduce simple method to state the least conservative margins for robust stability as a single number. In addition, an index characterizing the overall system stability is obtained, based on which different dc-distributed systems can be compared in terms of robustness. The interconnected systems are prone to impedance-based interactions which might lead to transient-performance degradation or even instability. These systems typically are constructed using commercial converters with unknown internal structure. Therefore, the analysis presented throughout this thesis is based on frequency responses measurable from the input and output terminals. The stability margins are stated utilizing a concept of maximum peak criteria, derived from the behavior of impedance-based sensitivity function that provides a single number to state robust stability. Using this concept, the stability information at every system interface is combined to a meaningful number to state the average robustness of the system. In addition, theoretical formulas are extracted to assess source and load side interactions in order to describe detailed couplings within the system. The presented theoretical analysis methodologies are experimentally validated throughout the thesis. In this thesis, according to the presented analysis, the least conservative stability margins are provided as a single number guaranteeing robustness. It is also shown that within the interconnected system the robust stability is ensured only if the impedance-based minor-loop gain is determined at the very input or output of each subsystem. Moreover, a complete set of impedance-type internal parameters as well as the formulas according to which the interaction sensitivity can be fully explained and analyzed, is provided. The given formulation can be utilized equally either based on measured frequency responses, time-domain identified internal parameters or extracted analytic transfer functions. Based on the analysis methodologies presented in this thesis, the stability and performance of interconnected systems consisting of converters with unknown internal structure, can be predicted. Moreover, the provided concept to assess the least conservative stability margins enables to obtain an index to state the overall robust stability of distributed power architecture and thus to compare different systems in terms of stability.

Luz industrial e imagen tecnificada: de Moholy Nagy al C.A.V.S. (Center for Advanced Visual Studies)

El desarrollo de la tecnología de la luz implicará la transformación de la vida social, cultural y económica. Tanto las consideraciones espaciales del Movimiento Moderno, como los efectos producidos por la segunda Guerra Mundial, tendrán efectos visibles en las nuevas configuraciones espaciales y en la relación simbiótica y recíproca que se dará entre ideología y tecnología. La transformación en la comprensión de la articulación espacial, asociada al desarrollo tecnológico, afectará al modo en que este espacio es experimentado y percibido. El espacio expositivo y el espacio escénico se convertirán en laboratorio práctico donde desarrollar y hacer comprensible todo el potencial ilusorio de la luz, la proyección y la imagen, como parámetros modificadores y dinamizadores del espacio arquitectónico. Esta experimentación espacial estará precedida por la investigación y creación conceptual en el mundo plástico, donde los nuevos medios mecánicos serán responsables de la construcción de una nueva mirada moderna mediatizada por los elementos técnicos. La experimentación óptica, a través de la fotografía, el cine, o el movimiento de la luz y su percepción, vinculada a nuevos modos de representación y comunicación, se convertirá en elemento fundamental en la configuración espacial. Este ámbito de experimentación se hará patente en la Escuela de la Bauhaus, de la mano de Gropius, Schlemmer o Moholy Nagy entre otros; tanto en reflexiones teóricas como en el desarrollo de proyectos expositivos, arquitectónicos o teatrales, que evolucionarán en base a la tecnología y la modificación de la relación con el espectador. El espacio expositivo y el espacio escénico se tomarán como oportunidad de investigación espacial y de análisis de los modos de percepción, convirtiéndose en lugares de experimentación básicos para el aprendizaje. El teatro se postula como punto de encuentro entre el arte y la técnica, cobrando especial importancia la intersección con otras disciplinas en la definición espacial. Las múltiples innovaciones técnicas ligadas a los nuevos fundamentos teatrales en la modificación de la relación con la escena, que se producen a principios del siglo XX, tendrán como consecuencia la transformación del espacio en un espacio dinámico, tanto física como perceptivamente, que dará lugar a nuevas concepciones espaciales, muchas de ellas utópicas. La luz, la proyección y la creación de ilusión en base a estímulos visuales y sonoros, aparecen como elementos proyectuales efímeros e inmateriales, que tendrán una gran incidencia en el espacio y su modo de ser experimentado. La implicación de la tecnología en el arte conllevará modificaciones en la visualización, así como en la configuración espacial de los espacios destinados a esta. Destacaremos como propuesta el Teatro Total de Walter Gropius, en cuyo desarrollo se recogen de algún modo las experiencias espaciales y las investigaciones desarrolladas sobre la estructura formal de la percepción realizadas por Moholy Nagy, además de los conceptos acerca del espacio escénico desarrollados en el taller de Teatro de la Bauhaus por Oskar Schlemmer. En el Teatro Total, Gropius incorporará su propia visión de cuestiones que pertenecen a la tradición de la arquitectura teatral y las innovaciones conceptuales que estaban teniendo lugar desde finales del s.XIX, tales como la participación activa del público o la superación entre escena y auditorio, estableciendo en el proyecto una nueva relación perceptual entre sala, espectáculo y espectador; aumentando la sensación de inmersión, a través del uso de la física, la óptica, y la acústica, creando una energía concéntrica capaz de extenderse en todas direcciones. El Teatro Total será uno de los primeros ejemplos en los que desde el punto de partida del proyecto, se conjuga la imagen como elemento comunicativo con la configuración espacial. Las nuevas configuraciones escénicas tendrán como premisa de desarrollo la capacidad de transformación tanto perceptiva, como física. En la segunda mitad del s.XX, la creación de centros de investigación como el CAVS (The Center for Advanced Visual Studies,1967), o el EAT (Experiments in Art and Technology, 1966), favorecerán la colaboración interdisciplinar entre arte y ciencia, implicando a empresas de carácter tecnológico, como Siemens, HP, IBM o Philips, facilitando soporte técnico y económico para el desarrollo de nuevos sistemas. Esta colaboración interdisciplinar dará lugar a una serie de intervenciones espaciales que tendrán su mayor visibilidad en algunas Exposiciones Universales. El resultado será, en la mayoría de los casos, la creación de espacios de carácter inmersivo, donde se establecerá una relación simbiótica entre espacio, imagen, sonido, y espectador. La colocación del espectador en el centro de la escena y la disposición dinámica de imagen y sonido, crearán una particular narrativa espacial no lineal, concebida para la experiencia. Desde las primeras proyecciones de cine a la pantalla múltiple de los Eames, las técnicas espaciales de difusión del sonido en Stockhausen, o los experimentos con el movimiento físico interactivo, la imagen, la luz en movimiento y el sonido, quedan inevitablemente convertidos en material arquitectónico. ABSTRACT. Light technology development would lead to a social, cultural and economic transformation. Both spatial consideration of “Modern Movement” and Second World War effects on technology, would have a visible aftereffect on spatial configuration and on the symbiotic and mutual relationship between ideology & technology. Comprehension adjustment on the articulation of space together with technology development, would impact on how space is perceived and felt. Exhibition space and scenic space would turn into a laboratory where developing and making comprehensive all illusory potential of light, projection and image. These new parameters would modify and revitalize the architectonic space. as modifying and revitalizing parameters of architectonic space. Spatial experimentation would be preceded by conceptual creation and investigation on the sculptural field, where new mechanic media would be responsible for a fresh and modern look influenced by technical elements. Optical experimentation, through photography, cinema or light movement and its perception, would turn into essential components for spatial arrangement linked to new ways of performance and communication. This experimentation sphere would be clear at The Bauhaus School, by the hand of Gropius, Schlemmer or Moholy Nag among others; in theoretical, theatrical or architectural performance’s projects, that would evolve based on technology and also based on the transformation of the relationship with the observer. Exhibition and perfor-mance areas would be taken as opportunities of spatial investigation and for the analysis of the different ways of perception, thus becoming key places for learning. Theater is postulated as a meeting point between art and technique, taking on a new significance at its intersection with other disciplines working with spatial definition too. The multiple innovation techniques linked to the new foundations for the theater regarding stage relation, would have as a consequence the regeneration of the space. Space would turn dynamic, both physically and perceptibly, bringing innovative spatial conceptions, many of them unrealistic. Light, projection and illusory creation based on sound and visual stimulus would appear as intangible and momentary design components, which would have a great impact on the space and on the way it is experienced. Implication of technology in art would bring changes on the observer as well as on the spatial configuration of the art spaces2. It would stand out as a proposal Walter Groupis Total Theater, whose development would include somehow the spatial experiments and studies about formal structure of perception accomplished by Moholy Nagy besides the concepts regarding stage space enhanced at the Bauhaus Theater Studio by Oskar Schlemmer. Within Total Theater, Groupis would incorporate his own view about traditional theatric architecture and conceptual innovations that were taking place since the end of the nineteenth century, such as active audience participation or the diffusing limits between scene and audience, establishing a new perception relationship between auditorium, performance and audience, improving the feeling of immersion through the use of physics, optics and acoustics, creating a concentric energy capable of spreading in all directions. Total Theater would be one of the first example in which, from the beginning of the Project, image is combined as a communicating element with the spatial configuration. As a premise of development, new stage arrangement would have the capacity of transformation, both perceptive and physically. During the second half or the twentieth century, the creation of investigation centers such as CAVS (Center for Advanced Visual Studies, 1967) or EAT (Experiments in Art and Technology, 1966), would help to the interdisciplinary collaboration between art and science, involving technology companies like Siemens, HP, IBM or Philips, providing technical and economic support to the development of new systems. This interdisciplinary collaboration would give room to a series of spatial interventions which would have visibility in some Universal Exhibitions. The result would be, in most cases, the creation of immersive character spaces, where a symbiotic relationship would be stablished between space, image, sound and audience. The new location of the audience in the middle of the display, together with the dynamic arrangement of sound and image would create a particular, no lineal narrative conceived to be experienced. Since the first cinema projections, the multiple screen of Eames, the spatial techniques for sound dissemination at Stockhausen or the interactive physical movement experimentation, image, motion light and sound would turn inevitably into architectural material.

Nonlinear normal modes in mechanical systems: concept and computation with numerical continuation

The purpose of this Project is, first and foremost, to disclose the topic of nonlinear vibrations and oscillations in mechanical systems and, namely, nonlinear normal modes NNMs to a greater audience of researchers and technicians. To do so, first of all, the dynamical behavior and properties of nonlinear mechanical systems is outlined from the analysis of a pair of exemplary models with the harmonic balanced method. The conclusions drawn are contrasted with the Linear Vibration Theory. Then, it is argued how the nonlinear normal modes could, in spite of their limitations, predict the frequency response of a mechanical system. After discussing those introductory concepts, I present a Matlab package called 'NNMcont' developed by a group of researchers from the University of Liege. This package allows the analysis of nonlinear normal modes of vibration in a range of mechanical systems as extensions of the linear modes. This package relies on numerical methods and a 'continuation algorithm' for the computation of the nonlinear normal modes of a conservative mechanical system. In order to prove its functionality, a two degrees of freedom mechanical system with elastic nonlinearities is analized. This model comprises a mass suspended on a foundation by means of a spring-viscous damper mechanism -analogous to a very simplified model of most suspended structures and machines- that has attached a mass damper as a passive vibration control system. The results of the computation are displayed on frequency energy plots showing the NNMs branches along with modal curves and time-series plots for each normal mode. Finally, a critical analysis of the results obtained is carried out with an eye on devising what they can tell the researcher about the dynamical properties of the system.

A Novel Ground Fault Identification Method for 2 x 5 kV Railway Power Supply Systems

The location of ground faults in railway electric lines in 2 × 5 kV railway power supply systems is a difficult task. In both 1 × 25 kV and transmission power systems it is common practice to use distance protection relays to clear ground faults and localize their positions. However, in the particular case of this 2 × 25 kV system, due to the widespread use of autotransformers, the relation between the distance and the impedance seen by the distance protection relays is not linear and therefore the location is not accurate enough. This paper presents a simple and economical method to identify the subsection between autotransformers and the conductor (catenary or feeder) where the ground fault is happening. This method is based on the comparison of the angle between the current and the voltage of the positive terminal in each autotransformer. Consequently, after the identification of the subsection and the conductor with the ground defect, only the subsection where the ground fault is present will be quickly removed from service, with the minimum effect on rail traffic. This method has been validated through computer simulations and laboratory tests with positive results.

A Reliable Open-Source System Architecture for the Fast Designing and Prototyping of Autonomous Multi-UAV Systems: Simulation and Experimentation

During the process of design and development of an autonomous Multi-UAV System, two main problems appear. The first one is the difficulty of designing all the modules and behaviors of the aerial multi-robot system. The second one is the difficulty of having an autonomous prototype of the system for the developers that allows to test the performance of each module even in an early stage of the project. These two problems motivate this paper. A multipurpose system architecture for autonomous multi-UAV platforms is presented. This versatile system architecture can be used by the system designers as a template when developing their own systems. The proposed system architecture is general enough to be used in a wide range of applications, as demonstrated in the paper. This system architecture aims to be a reference for all designers. Additionally, to allow for the fast prototyping of autonomous multi-aerial systems, an Open Source framework based on the previously defined system architecture is introduced. It allows developers to have a flight proven multi-aerial system ready to use, so that they can test their algorithms even in an early stage of the project. The implementation of this framework, introduced in the paper with the name of “CVG Quadrotor Swarm”, which has also the advantages of being modular and compatible with different aerial platforms, can be found at https://​github.​com/​Vision4UAV/​cvg_​quadrotor_​swarm with a consistent catalog of available modules. The good performance of this framework is demonstrated in the paper by choosing a basic instance of it and carrying out simulation and experimental tests whose results are summarized and discussed in this paper.