High Performance FPGA-oriented mersenne twister uniform random number generator

Mersenne Twister (MT) uniform random number generators are key cores for hardware acceleration of Monte Carlo simulations. In this work, two different architectures are studied: besides the classical table-based architecture, a different architecture based on a circular buffer and especially targeting FPGAs is proposed. A 30% performance improvement has been obtained when compared to the fastest previous work. The applicability of the proposed MT architectures has been proven in a high performance Gaussian RNG.

Aplicación móvil para el acceso a juego de naipes sobre el desarrollo humano

Este Proyecto Fin de Carrera (PFC) tiene como objetivo el análisis, diseño e implementación de un videojuego móvil multijugador, con un enfoque educativo, para la sensibilización sobre el Índice de Desarrollo Humano (IDH). El sistema resultante se ha desarrollado para la Plataforma Android, utilizando el Framework AndEngine, que utiliza aceleración hardware de la GPU para garantizar un buen rendimiento en terminales de gama baja, de modo que pueda utilizarse en un amplio número de terminales móviles disponibles en el mercado. La aplicación se presenta como un juego de cartas con los diferentes países y sus datos humanitarios, los jugadores deben conocer el peso de los índices de desarrollo (esperanza de vida, renta, educación) de los países en comparación con los países de los otros jugadores. El sistema de juego premia a los jugadores con mayores conocimientos sobre los datos humanos de los diferentes países del mundo, de ese modo los mejores jugadores serán los que tengan más conocimientos de estos datos. El juego permite jugar partidas en solitario utilizando jugadores manejados por la CPU, o multijugador mediante WIFI o 3G. La actualización de la información y de los datos de las partidas se realiza a través de la comunicación con un servidor web ya implementado de forma complementaria a la realización de este proyecto. El sistema ha sido integrado y validado satisfactoriamente con diferentes terminales móviles y usuarios de diferente perfil de edad y uso. El videojuego se puede descargar de la página web creada en un proyecto complementario a éste (pendiente de publicación web), y ya se encuentra también disponible en Google Play. https://play.google.com/store/apps/details?id=xnetcom.pro.cartas&hl=es_419 ABSTRACT. This Project End of Career (PFC) takes as an aim the analysis, design and implementation of a multiplayer mobile videogame, with an educational approach, for the awareness on the Human Development Index (HDI). The resultant system has been developed for the Platform Android, using the AndEngine Framework, which uses hardware acceleration of the GPU to ensure a good performance on low-end terminals, so that it can be used in a wide range of mobile handsets available in the market. The application is presented as a card game with the different countries and his humanitarian information, the players must know the weight of the indexes of development (life expectancy, revenue, education) of the countries in comparison with the countries of other players. The game system rewards players with more knowledge on human information of different countries, thus the best players will be those with more knowledge of these information. The game allows to play items in solitarily using players handled by the CPU, or multiplayer by means of WIFI or 3G. The update of the information and data of the online games is done through communication with a web server implemented as a complement to the realization of this project. The system has been built and successfully validated with different mobile terminals and users of different age and usage profile. The game can be downloaded from the website created in a complementary project to this (web publication pending), and is now also available on Google Play https://play.google.com/store/apps/details?id=xnetcom.pro.cartas&hl=es_419

Explotación de servicios de la Infraestructura de Datos Espaciales de España (IDEE) en dispositivos móviles

En los últimos años el número de dispositivos móviles y smartphones ha aumentado drásticamente, así como el número de aplicaciones destinadas a estos. Los desarrolladores siempre se han visto frenados en la creación de estas aplicaciones debido a la complejidad que supone la diversidad de sistemas operativos (Android, iOS, Windows Phone, etc), que utilizan lenguajes de programación diferentes, haciendo que, para poder desarrollar una aplicación que funcione en estas plataformas, en verdad haya que implementar una aplicación independiente para cada una de las plataformas. Para solucionar este problema han surgido frameworks, como Appcelerator Titanium, que permiten escribir una sola vez la aplicación y compilarla para las diferentes plataformas móviles objetivo. Sin embargo, estos frameworks están aún en estado muy temprano de desarrollo, por lo que no resuelven toda la problemática ni dan una respuesta completa a los desarrolladores. El objetivo de este Trabajo de Fin de Grado ha sido contribuir a la evolución de estos frameworks mediante la creación de un módulo para Appcelerator Titanium que permita construir de manera ágil aplicaciones multiplataforma que hagan uso de visualizadores de información geográfica. Para ello se propone el desarrollo de un módulo de mapa con soporte para capas WMS, rutas y polígonos en WKT, KML y GeoJSON. Se facilitará además que estas aplicaciones puedan acceder a capacidades del hardware como la brújula y el GPS para realizar un seguimiento de la localización, a la vez que se hace uso de la aceleración por el hardware subyacente para mejorar la velocidad y fluidez de la información visualizada en el mapa. A partir de este módulo se ha creado una aplicación que hace uso de todas sus características y posteriormente se ha migrado a la plataforma Wirecloud4Tablet como componente nativo que puede integrarse con otros componentes web (widgets) mediante técnicas de mashup. Gracias a esto se ha podido fusionar por un lado todas las ventajas que ofrece Wirecloud para el rápido desarrollo de aplicaciones sin necesidad de tener conocimientos de programación, junto con las ventajas que ofrecen las aplicaciones nativas en cuanto a rendimiento y características extras. Usando los resultados de este proyecto, se pueden crear de manera ágil aplicaciones composicionales nativas multiplataforma que hagan uso de visualización de información geográfica; es decir, se pueden crear aplicaciones en pocos minutos y sin conocimientos de programación que pueden ejecutar diferentes componentes (como el mapa) de manera nativa en múltiples plataformas. Se facilita también la integración de componentes nativos (como es el mapa desarrollado) con otros componentes web (widgets) en un mashup que puede visualizarse en dispositivos móviles mediante la plataforma Wirecloud. ---ABSTRACT---In recent years the number of mobile devices and smartphones has increased dramatically as well as the number of applications targeted at them. Developers always have been slowed in the creation of these applications due to the complexity caused by the diversity of operating systems (Android, iOS, Windows Phone, etc), each of them using different programming languages, so that, in order to develop an application that works on these platforms, the developer really has to implement a different application for each platform. To solve this problem frameworks such as Appcelerator Titanium have emerged, allowing developers to write the application once and to compile it for different target mobile platforms. However, these frameworks are still in very early stage of development, so they do not solve all the difficulties nor give a complete solution to the developers. The objective of this final year dissertation is to contribute to the evolution of these frameworks by creating a module for Appcelerator Titanium that permits to nimbly build multi-platform applications that make use of geographical information visualization. To this end, the development of a map module with support for WMS layers, paths, and polygons in WKT, KML, and GeoJSON is proposed. This module will also facilitate these applications to access hardware capabilities such as GPS and compass to track the location, while it makes use of the underlying hardware acceleration to improve the speed and fluidity of the information displayed on the map. Based on this module, it has been created an application that makes use of all its features and subsequently it has been migrated to the platform Wirecloud4Tablet as a native component that can be integrated with other web components (widgets) using mashup techniques. As a result, it has been fused on one side all the advantages Wirecloud provides for fast application development without the need of programming skills, along with the advantages of native apps, such as performance and extra features. Using the results of this project, compositional platform native applications that make use of geographical information visualization can be created in an agile way; ie, in a few minutes and without having programming skills, a developer could create applications that can run different components (like the map) natively on multiple platforms. It also facilitates the integration of native components (like the map) with other web components (widgets) in a mashup that can be displayed on mobile devices through the Wirecloud platform.

FPGA Acceleration of Monte Carlo-based Financial Simulation: Design Challenges and Lessons Learnt

The simulation of interest rate derivatives is a powerful tool to face the current market fluctuations. However, the complexity of the financial models and the way they are processed require exorbitant computation times, what is in clear conflict with the need of a processing time as short as possible to operate in the financial market. To shorten the computation time of financial derivatives the use of hardware accelerators becomes a must.

Plataforma de Integración Hardware-Software para Testbed de Redes de Sensores Inalámbricas

El campo de las redes de sensores inalámbricas ha cobrado gran importancia en esta última década ya que se han abierto diversas líneas de investigación con el fin de poder llevar a la práctica los conceptos y definiciones que envuelven el potencial de esta tecnología, y que está llamada a ser el futuro en la adquisición de datos de cualquier entorno físico de aplicación, mediante una herramienta basada en la autogestión y desatención durante largos periodos de tiempo, capacidad de tomar muestras cuando sea necesario a través de nodos sensores que se caractericen por el ahorro de energía y que puedan ser capaces de trabajar de forma autónoma durante meses, y que el carácter inalámbrico de la red a desplegar facilite las tareas de instalación y mantenimiento. Ello requiere que las condiciones para que una red de sensores inalámbrica sea la forma más viable de monitorizar un determinado entorno se base en ciertos requisitos de diseño, como lo es la baja tasa de transferencia de datos por parte de los nodos (estos deben ser capaces de transmitir la información recolectada desde los sensores y luego permanecer dormidos hasta una nueva adquisición), hardware enfocado al bajo consumo de energía con el fin de evitar cambios en la fuente de energía (baterías) durante largos periodos de tiempo, adaptabilidad al entorno de aplicación, flexibilidad y escalabilidad de la red si la aplicación hace necesario la inclusión de nuevos nodos o la modificación de los ya existentes, sin que ello suponga mayores dificultades en su desarrollo e implementación. El Centro de Electrónica industrial de la Universidad Politécnica de Madrid se incluye dentro de este último grupo, donde se ha diseñado una completa plataforma hardware para redes de sensores inalámbricas, con el fin de investigar las potencialidades, dificultades y retos que supone el realizar un despliegue de nodos inalámbricos en cumplimiento de características primordiales como autonomía, flexibilidad y escalabilidad de la red, además de la autogestión de los dispositivos que forman parte de ella. El presente trabajo de investigación se centra en cubrir estas necesidades, por lo que su principal objetivo es la creación de una plataforma de integración hardware-software que permita explotar todas las potencialidades de la arquitectura Cookies a través de una herramienta que facilite el despliegue, control y mantenimiento de una red de sensores inalámbrica, con el fin último de contar con un sistema total para el prototipado rápido de aplicaciones, soporte de pruebas de nuevos desarrollos y la posibilidad de implementación de dicha plataforma en cualquier entorno real, siendo sólo necesario realizar pequeños ajustes desde el más alto nivel de abstracción para que el sistema sea capaz de adaptarse por sí solo. Para cumplir tales propósitos y lograr una completa integración del sistema conjunto, ha sido necesario fijar principalmente tres líneas de trabajo que se enmarcan dentro de los objetivos específicos del presente proyecto, las cuales se detallan a continuación: Bibliotecas Software modulares: Basada en la filosofía de modularidad y flexibilidad de la plataforma hardware, se hace imprescindible primeramente contar con una plataforma software para el control de todos y cada uno de los elementos que componen al nodo Cookie, a partir de bloques funcionales que permitan gestionar desde el núcleo de procesamiento principal todas las características de la plataforma. Esto permitirá asegurar el control de los recursos hardware y facilitar la utilización de la plataforma desde un nivel más alto de abstracción, sólo con la configuración de parámetros estandarizados para el funcionamiento de la misma. Perfil de aplicación Cookies: Después de contar con bloques software que permitan controlar las características de bajo nivel del nodo inalámbrico, es necesario crear una herramienta para la estandarización de la forma en la que se comunican los dispositivos a nivel de aplicación, con el fin de gestionar las características y atributos de los nodos sensores de forma remota y facilitar el entendimiento entre ellos. Para ello, es necesario fijar ciertas directivas y reglas que permitan homogeneizar la gestión de tareas asociadas a los nodos Cookies, a través del diseño de un perfil de aplicación. Testbed para redes de sensores: Como resultado de las dos líneas anteriores de trabajo, la idea es contar con un instrumento que permita realizar pruebas reales haciendo uso de la plataforma de integración HW-SW, a partir de la gestión de todas las características y potencialidades que ofrece el perfil de aplicación creado y así facilitar el desarrollo de prototipos para aplicaciones basadas en redes de sensores inalámbricas, de forma rápida y eficiente. En este sentido, la idea es contar con un banco de pruebas basado en un despliegue de nodos Cookies que pueda ser controlado desde un ordenador central a través de una interfaz de usuario, desde el cual se lleva a cabo la monitorización y actuación sobre la red inalámbrica. Con el fin de lograr todos los objetivos planteados, ha sido necesario realizar un exhaustivo estudio de la plataforma hardware descrita anteriormente con el fin de conocer la forma en la que interactúan cada uno de los elementos incluidos en los nodos, así como la arquitectura y filosofía de los mismos, para poder llevar a cabo la integración con el software y, como se verá más adelante, realizar ajustes en el hardware para poder implementar correctamente las funcionalidades diseñadas. Por otro lado, ha sido necesario analizar las características de la especificación ZigBee y, sobre todo, las propiedades que posee el módulo de comunicaciones que incluye la plataforma hardware, el ETRX2, con el fin de poder realizar una configuración y gestión adecuada de los nodos a través de la red inalámbrica, aprovechando las posibilidades y recursos que ofrece dicho módulo.

Design and evaluation of acceleration strategies for speeding up the development of dialog applications

In this paper, we describe a complete development platform that features different innovative acceleration strategies, not included in any other current platform, that simplify and speed up the definition of the different elements required to design a spoken dialog service. The proposed accelerations are mainly based on using the information from the backend database schema and contents, as well as cumulative information produced throughout the different steps in the design. Thanks to these accelerations, the interaction between the designer and the platform is improved, and in most cases the design is reduced to simple confirmations of the “proposals” that the platform dynamically provides at each step. In addition, the platform provides several other accelerations such as configurable templates that can be used to define the different tasks in the service or the dialogs to obtain or show information to the user, automatic proposals for the best way to request slot contents from the user (i.e. using mixed-initiative forms or directed forms), an assistant that offers the set of more probable actions required to complete the definition of the different tasks in the application, or another assistant for solving specific modality details such as confirmations of user answers or how to present them the lists of retrieved results after querying the backend database. Additionally, the platform also allows the creation of speech grammars and prompts, database access functions, and the possibility of using mixed initiative and over-answering dialogs. In the paper we also describe in detail each assistant in the platform, emphasizing the different kind of methodologies followed to facilitate the design process at each one. Finally, we describe the results obtained in both a subjective and an objective evaluation with different designers that confirm the viability, usefulness, and functionality of the proposed accelerations. Thanks to the accelerations, the design time is reduced in more than 56% and the number of keystrokes by 84%.

Fault Tolerance Analysis and Self-Healing Strategy of Autonomous, Evolvable Hardware Systems

This paper presents an analysis of the fault tolerance achieved by an autonomous, fully embedded evolvable hardware system, which uses a combination of partial dynamic reconfiguration and an evolutionary algorithm (EA). It demonstrates that the system may self-recover from both transient and cumulative permanent faults. This self-adaptive system, based on a 2D array of 16 (4×4) Processing Elements (PEs), is tested with an image filtering application. Results show that it may properly recover from faults in up to 3 PEs, that is, more than 18% cumulative permanent faults. Two fault models are used for testing purposes, at PE and CLB levels. Two self-healing strategies are also introduced, depending on whether fault diagnosis is available or not. They are based on scrubbing, fitness evaluation, dynamic partial reconfiguration and in-system evolutionary adaptation. Since most of these adaptability features are already available on the system for its normal operation, resource cost for self-healing is very low (only some code additions in the internal microprocessor core)

Inner-Hair Cells Parameterized-Hardware Implementation for Personalized Auditory Nerve Stimulation

In this paper the hardware implementation of an inner hair cell model is presented. Main features of the design are the use of Meddis’ transduction structure and the methodology for Design with Reusability. Which allows future migration to new hardware and design refinements for speech processing and custom-made hearing aids

Asymptotic solution for the two-body problem with constant tangencial acceleration

An analytical solution of the two body problem perturbed by a constant tangential acceleration is derived with the aid of perturbation theory. The solution, which is valid for circular and elliptic orbits with generic eccentricity, describes the instantaneous time variation of all orbital elements. A comparison with high-accuracy numerical results shows that the analytical method can be effectively applied to multiple-revolution low-thrust orbit transfer around planets and in interplanetary space with negligible error.

Anticorrelation between Ion Acceleration and Nonlinear Coherent Structures from Laser-Underdense Plasma Interaction

In laser-plasma experiments, we observed that ion acceleration from the Coulomb explosion of the plasma channel bored by the laser, is prevented when multiple plasma instabilities such as filamentation and hosing, and nonlinear coherent structures (vortices/post-solitons) appear in the wake of an ultrashort laser pulse. The tailoring of the longitudinal plasma density ramp allows us to control the onset of these insabilities. We deduced that the laser pulse is depleted into these structures in our conditions, when a plasma at about 10% of the critical density exhibits a gradient on the order of 250 {\mu}m (gaussian fit), thus hindering the acceleration. A promising experimental setup with a long pulse is demonstrated enabling the excitation of an isolated coherent structure for polarimetric measurements and, in further perspectives, parametric studies of ion plasma acceleration efficiency.

Including hardware/software co-design in the ASSERT model driven engineering process.

Abstract. The ASSERT project de?ned new software engineering methods and tools for the development of critical embedded real-time systems in the space domain. The ASSERT model-driven engineering process was one of the achievements of the project and is based on the concept of property- preserving model transformations. The key element of this process is that non-functional properties of the software system must be preserved during model transformations. Properties preservation is carried out through model transformations compliant with the Ravenscar Pro?le and provides a formal basis to the process. In this way, the so-called Ravenscar Computational Model is central to the whole ASSERT process. This paper describes the work done in the HWSWCO study, whose main objective has been to address the integration of the Hardware/Software co-design phase in the ASSERT process. In order to do that, non-functional properties of the software system must also be preserved during hardware synthesis. Keywords : Ada 2005, Ravenscar pro?le, Hardware/Software co-design, real- time systems, high-integrity systems, ORK

Hardware Reuse Improvement through the Domain Specific Language dHDL.

The dHDL language has been defined to improve hardware design productivity. This is achieved through the definition of a better reuse interface (including parameters, attributes and macroports) and the creation of control structures that help the designer in the hardware generation process.

Improving Hardware Reuse through XML-based Interface Encapsulation

This work proposes an encapsulation scheme aimed at simplifying the reuse process of hardware cores. This hardware encapsulation approach has been conceived with a twofold objective. First, we look for the improvement of the reuse interface associated with the hardware core description. This is carried out in a first encapsulation level by improving the limited types and configuration options available in the conventional HDLs interface, and also providing information related to the implementation itself. Second, we have devised a more generic interface focused on describing the function avoiding details from a particular implementation, what corresponds to a second encapsulation level. This encapsulation allows the designer to define how to configure and use the design to implement a given functionality. The proposed encapsulation schemes help improving the amount of information that can be supplied with the design, and also allow to automate the process of searching, configuring and implementing diverse alternatives.

The DLMT hardware implementation. A comparative study with the DCT and the DWT

In the last recent years, with the popularity of image compression techniques, many architectures have been proposed. Those have been generally based on the Forward and Inverse Discrete Cosine Transform (FDCT, IDCT). Alternatively, compression schemes based on discrete "wavelets" transform (DWT), used, both, in JPEG2000 coding standard and in H264-SVC (Scalable Video Coding) standard, do not need to divide the image into non-overlapping blocks or macroblocks. This paper discusses the DLMT (Discrete Lopez-Moreno Transform) hardware implementation. It proposes a new scheme intermediate between the DCT and the DWT, comparing results of the most relevant proposed architectures for benchmarking. The DLMT can also be applied over a whole image, but this does not involve increasing computational complexity. FPGA implementation results show that the proposed DLMT has significant performance benefits and improvements comparing with the DCT and the DWT and consequently it is very suitable for implementation on WSN (Wireless Sensor Network) applications.

On the automatic integration of hardware accelerators into FPGA-based embedded systems

This paper proposes an automatic framework for the seamless integration of hardware accelerators, starting from an OpenMP-based application and an XML file describing the HW/SW partitioning. It extends a fully software architecture by generating and integrating the cores, along with the proper interfaces, and the code for scheduling and synchronization. Experimental results show that it is possible to validate different solutions only by varying the input code.