Solving SAT in linear time with a neural-like membrane system

We present in this paper a neural-like membrane system solving the SAT problem in linear time. These neural Psystems are nets of cells working with multisets. Each cell has a finite state memory, processes multisets of symbol-impulses, and can send impulses (?excitations?) to the neighboring cells. The maximal mode of rules application and the replicative mode of communication between cells are at the core of the eficiency of these systems.

Hardening digital systems with distributed functionality: robust networks

Collaborative hardening and hardware redundancy are nowadays the most interesting solutions in terms of fault tolerance achieved and low extra cost imposed to the project budget. Thanks to the powerful and cheap digital devices that are available in the market, extra processing capabilities can be used for redundant tasks, not only in early data processing (sensed data) but also in routing and interfacing1

Modelado en alto nivel con SystemC

El presente proyecto final de carrera titulado “Modelado de alto nivel con SystemC” tiene como objetivo principal el modelado de algunos módulos de un codificador de vídeo MPEG-2 utilizando el lenguaje de descripción de sistemas igitales SystemC con un nivel de abstracción TLM o Transaction Level Modeling. SystemC es un lenguaje de descripción de sistemas digitales basado en C++. En él hay un conjunto de rutinas y librerías que implementan tipos de datos, estructuras y procesos especiales para el modelado de sistemas digitales. Su descripción se puede consultar en [GLMS02] El nivel de abstracción TLM se caracteriza por separar la comunicación entre los módulos de su funcionalidad. Este nivel de abstracción hace un mayor énfasis en la funcionalidad de la comunicación entre los módulos (de donde a donde van datos) que la implementación exacta de la misma. En los documentos [RSPF] y [HG] se describen el TLM y un ejemplo de implementación. La arquitectura del modelo se basa en el codificador MVIP-2 descrito en [Gar04], de dicho modelo, los módulos implementados son: · IVIDEOH: módulo que realiza un filtrado del vídeo de entrada en la dimensión horizontal y guarda en memoria el video filtrado. · IVIDEOV: módulo que lee de la memoria el vídeo filtrado por IVIDEOH, realiza el filtrado en la dimensión horizontal y escribe el video filtrado en memoria. · DCT: módulo que lee el video filtrado por IVIDEOV, hace la transformada discreta del coseno y guarda el vídeo transformado en la memoria. · QUANT: módulo que lee el video transformado por DCT, lo cuantifica y guarda el resultado en la memoria. · IQUANT: módulo que lee el video cuantificado por QUANT, realiza la cuantificación inversa y guarda el resultado en memoria. · IDCT: módulo que lee el video procesado por IQUANT, realiza la transformada inversa del coseno y guarda el resultado en memoria. · IMEM: módulo que hace de interfaz entre los módulos anteriores y la memoria. Gestiona las peticiones simultáneas de acceso a la memoria y asegura el acceso exclusivo a la memoria en cada instante de tiempo. Todos estos módulos aparecen en gris en la siguiente figura en la que se muestra la arquitectura del modelo: Figura 1. Arquitectura del modelo (VER PDF DEL PFC) En figura también aparecen unos módulos en blanco, dichos módulos son de pruebas y se han añadido para realizar simulaciones y probar los módulos del modelo: · CAMARA: módulo que simula una cámara en blanco y negro, lee la luminancia de un fichero de vídeo y lo envía al modelo a través de una FIFO. · FIFO: hace de interfaz entre la cámara y el modelo, guarda los datos que envía la cámara hasta que IVIDEOH los lee. · CONTROL: módulo que se encarga de controlar los módulos que procesan el vídeo, estos le indican cuando terminan de procesar un frame de vídeo y este módulo se encarga de iniciar los módulos que sean necesarios para seguir con la codificación. Este módulo se encarga del correcto secuenciamiento de los módulos procesadores de vídeo. · RAM: módulo que simula una memoria RAM, incluye un retardo programable en el acceso. Para las pruebas también se han generado ficheros de vídeo con el resultado de cada módulo procesador de vídeo, ficheros con mensajes y un fichero de trazas en el que se muestra el secuenciamiento de los procesadores. Como resultado del trabajo en el presente PFC se puede concluir que SystemC permite el modelado de sistemas digitales con bastante sencillez (hace falta conocimientos previos de C++ y programación orientada objetos) y permite la realización de modelos con un nivel de abstracción mayor a RTL, el habitual en Verilog y VHDL, en el caso del presente PFC, el TLM. ABSTRACT This final career project titled “High level modeling with SystemC” have as main objective the modeling of some of the modules of an MPEG-2 video coder using the SystemC digital systems description language at the TLM or Transaction Level Modeling abstraction level. SystemC is a digital systems description language based in C++. It contains routines and libraries that define special data types, structures and process to model digital systems. There is a complete description of the SystemC language in the document [GLMS02]. The main characteristic of TLM abstraction level is that it separates the communication among modules of their functionality. This abstraction level puts a higher emphasis in the functionality of the communication (from where to where the data go) than the exact implementation of it. The TLM and an example are described in the documents [RSPF] and [HG]. The architecture of the model is based in the MVIP-2 video coder (described in the document [Gar04]) The modeled modules are: · IVIDEOH: module that filter the video input in the horizontal dimension. It saves the filtered video in the memory. · IVIDEOV: module that read the IVIDEOH filtered video, filter it in the vertical dimension and save the filtered video in the memory. · DCT: module that read the IVIDEOV filtered video, do the discrete cosine transform and save the transformed video in the memory. · QUANT: module that read the DCT transformed video, quantify it and save the quantified video in the memory. · IQUANT: module that read the QUANT processed video, do the inverse quantification and save the result in the memory. · IDCT: module that read the IQUANT processed video, do the inverse cosine transform and save the result in the memory. · IMEM: this module is the interface between the modules described previously and the memory. It manage the simultaneous accesses to the memory and ensure an unique access at each instant of time All this modules are included in grey in the following figure (SEE PDF OF PFC). This figure shows the architecture of the model: Figure 1. Architecture of the model This figure also includes other modules in white, these modules have been added to the model in order to simulate and prove the modules of the model: · CAMARA: simulates a black and white video camera, it reads the luminance of a video file and sends it to the model through a FIFO. · FIFO: is the interface between the camera and the model, it saves the video data sent by the camera until the IVIDEOH module reads it. · CONTROL: controls the modules that process the video. These modules indicate the CONTROL module when they have finished the processing of a video frame. The CONTROL module, then, init the necessary modules to continue with the video coding. This module is responsible of the right sequence of the video processing modules. · RAM: it simulates a RAM memory; it also simulates a programmable delay in the access to the memory. It has been generated video files, text files and a trace file to check the correct function of the model. The trace file shows the sequence of the video processing modules. As a result of the present final career project, it can be deduced that it is quite easy to model digital systems with SystemC (it is only needed previous knowledge of C++ and object oriented programming) and it also allow the modeling with a level of abstraction higher than the RTL used in Verilog and VHDL, in the case of the present final career project, the TLM.

Reduced order adaptive models for systems of PDEs using POD

In this work we propose a method to accelerate time dependent numerical solvers of systems of PDEs that require a high cost in computational time and memory. The method is based on the combined use of such numerical solver with a proper orthogonal decomposition, from which we identify modes, a Galerkin projection (that provides a reduced system of equations) and the integration of the reduced system, studying the evolution of the modal amplitudes. We integrate the reduced model until our a priori error estimator indicates that our approximation in not accurate. At this point we use again our original numerical code in a short time interval to adapt the POD manifold and continue then with the integration of the reduced model. Application will be made to two model problems: the Ginzburg-Landau equation in transient chaos conditions and the two-dimensional pulsating cavity problem, which describes the motion of liquid in a box whose upper wall is moving back and forth in a quasi-periodic fashion. Finally, we will discuss a way of improving the performance of the method using experimental data or information from numerical simulations

High-level languages for small devices: A case study

In this paper we study, through a concrete case, the feasibility of using a high-level, general-purpose logic language in the design and implementation of applications targeting wearable computers. The case study is a "sound spatializer" which, given real-time signáis for monaural audio and heading, generates stereo sound which appears to come from a position in space. The use of advanced compile-time transformations and optimizations made it possible to execute code written in a clear style without efñciency or architectural concerns on the target device, while meeting strict existing time and memory constraints. The final executable compares favorably with a similar implementation written in C. We believe that this case is representative of a wider class of common pervasive computing applications, and that the techniques we show here can be put to good use in a range of scenarios. This points to the possibility of applying high-level languages, with their associated flexibility, conciseness, ability to be automatically parallelized, sophisticated compile-time tools for analysis and verification, etc., to the embedded systems field without paying an unnecessary performance penalty.

Proyectando entre ruinas : lógicas de intervención continua en la arquitectura contemporánea

Los cambios percibidos hacia finales del siglo XX y a principios del nuevo milenio, nos ha mostrado que la crisis cultural de la que somos participes refleja también una crisis de los modelos universales. Nuestra situación contemporánea, parece indicar que ya no es posible formular un sistema estético para atribuirle una vigencia universal e intemporal más allá de su estricta eficacia puntual. La referencia organizada, delimitada, invariable y específica que ofrecía cualquier emplazamiento, en tanto preexistencia, reflejaba una jerarquía del sistema formal basado en lo extensivo: la medida, las normas, el movimiento, el tiempo, la modulación, los códigos y las reglas. Sin embargo, actualmente, algunos aspectos que permanecían latentes sobre lo construido, emergen bajo connotaciones intensivas, transgrediendo la simple manifestación visual y expresiva, para centrase en las propiedades del comportamiento de la materia y la energía como determinantes de un proceso de adaptación en el entorno. A lo largo del todo el siglo XX, el desarrollo de la relación del proyecto sobre lo construido ha sido abordado, casi en exclusiva, entre acciones de preservación o intervención. Ambas perspectivas, manifestaban esfuerzos por articular un pensamiento que diera una consistencia teórica, como soporte para la producción de la acción aditiva. No obstante, en las últimas décadas de finales de siglo, la teoría arquitectónica terminó por incluir pensamientos de otros campos que parecen contaminar la visión sesgada que nos refería lo construido. Todo este entramado conceptual previo, aglomeraba valiosos intentos por dar contenido a una teoría que pudiese ser entendida desde una sola posición argumental. Es así, que en 1979 Ignasi Solá-Morales integró todas las imprecisiones que referían una actuación sobre una arquitectura existente, bajo el termino de “intervención”, el cual fue argumentado en dos sentidos: El primero referido a cualquier tipo de actuación que se puede hacer en un edificio, desde la defensa, preservación, conservación, reutilización, y demás acciones. Se trata de un ámbito donde permanece latente el sentido de intensidad, como factor común de entendimiento de una misma acción. En segundo lugar, más restringido, la idea de intervención se erige como el acto crítico a las ideas anteriores. Ambos representan en definitiva, formas de interpretación de un nuevo discurso. “Una intervención, es tanto como intentar que el edificio vuelva a decir algo o lo diga en una determinada dirección”. A mediados de 1985, motivado por la corriente de revisión historiográfica y la preocupación del deterioro de los centros históricos que recorría toda Europa, Solá-Morales se propone reflexionar sobre “la relación” entre una intervención de nueva arquitectura y la arquitectura previamente existente. Relación condicionada estrictamente bajo consideraciones lingüísticas, a su entender, en sintonía con toda la producción arquitectónica de todo el siglo XX. Del Contraste a la Analogía, resumirá las transformaciones en la concepción discursiva de la intervención arquitectónica, como un fenómeno cambiante en función de los valores culturales, pero a su vez, mostrando una clara tendencia dialógica entres dos categorías formales: El Contraste, enfatizando las posibilidades de la novedad y la diferencia; y por otro lado la emergente Analogía, como una nueva sensibilidad de interpretación del edificio antiguo, donde la semejanza y la diversidad se manifiestan simultáneamente. El aporte reflexivo de los escritos de Solá-Morales podría ser definitivo, si en las últimas décadas antes del fin de siglo, no se hubiesen percibido ciertos cambios sobre la continuidad de la expresión lingüística que fomentaba la arquitectura, hacia una especie de hipertrofia figurativa. Entre muchos argumentos: La disolución de la consistencia compositiva y el estilo unitario, la incorporación volumétrica del proyecto como dispositivo reactivo, y el cambio de visión desde lo retrospectivo hacia lo prospectivo que sugiere la nueva conservación. En este contexto de desintegración, el proyecto, en tanto incorporación o añadido sobre un edificio construido, deja de ser considerado como un apéndice volumétrico subordinado por la reglas compositivas y formales de lo antiguo, para ser considerado como un organismo de orden reactivo, que produce en el soporte existente una alteración en su conformación estructural y sistémica. La extensión, antes espacial, se considera ahora una extensión sensorial y morfológica con la implementación de la tecnología y la hiper-información, pero a su vez, marcados por una fuerte tendencia de optimización energética en su rol operativo, ante el surgimiento del factor ecológico en la producción contemporánea. En una sociedad, como la nuestra, que se está modernizando intensamente, es difícil compartir una adecuada sintonía con las formas del pasado. Desde 1790, fecha de la primera convención francesa para la conservación de monumentos, la escala de lo que se pretende preservar es cada vez más ambiciosa, tanto es así, que al día de hoy el repertorio de lo que se conserva incluye prácticamente todas las tipologías del entorno construido. Para Koolhaas, el intervalo entre el objeto y el momento en el cual se decide su conservación se ha reducido, desde dos milenios en 1882 a unas décadas hoy en día. En breve este lapso desaparecerá, demostrando un cambio radical desde lo retrospectivo hacia lo prospectivo, es decir, que dentro de poco habrá que decidir que es lo que se conserva antes de construir. Solá-Morales, en su momento, distinguió la relación entre lo nuevo y lo antiguo, entre el contraste y la analogía. Hoy casi tres décadas después, el objetivo consiste en evaluar si el modelo de intervención arquitectónica sobre lo construido se ha mantenido desde entonces o si han aparecido nuevas formas de posicionamiento del proyecto sobre lo construido. Nuestro trabajo pretende demostrar el cambio de enfoque proyectual con la preexistencia y que éste tiene estrecha relación con la incorporación de nuevos conceptos, técnicas, herramientas y necesidades que imprimen el contexto cultural, producido por el cambio de siglo. Esta suposición nos orienta a establecer un paralelismo arquitectónico entre los modos de relación en que se manifiesta lo nuevo, entre una posición comúnmente asumida (Tópica), genérica y ortodoxa, fundamentada en lo visual y expresivo de las últimas décadas del siglo XX, y una realidad emergente (Heterotópica), extraordinaria y heterodoxa que estimula lo inmaterial y que parece emerger con creciente intensidad en el siglo XXI. Si a lo largo de todo el siglo XX, el proyecto de intervención arquitectónico, se debatía entre la continuidad y discontinuidad de las categorías formales marcadas por la expresión del edificio preexistente, la nueva intervención contemporánea, como dispositivo reactivo en el paisaje y en el territorio, demanda una absoluta continuidad, ya no visual, expresiva, ni funcional, sino una continuidad fisiológica de adaptación y cambio con la propia dinámica del territorio, bajo nuevas reglas de juego y desplegando planes y estrategias operativas (proyectivas) desde su propia lógica y contingencia. El objeto de esta investigación es determinar los nuevos modos de continuidad y las posibles lógicas de producción que se manifiestan dentro de la Intervención Arquitectónica, intentando superar lo aparente de su relación física y visual, como resultado de la incorporación del factor operativo desplegado por el nuevo dispositivo contemporáneo. Creemos que es acertado mantener la senda connotativa que marca la denominación intervención arquitectónica, por aglutinar conceptos y acercamientos teóricos previos que han ido evolucionando en el tiempo. Si bien el término adolece de mayor alcance operativo desde su formulación, una cualidad que infieren nuestras lógicas contemporáneas, podría ser la reformulación y consolidación de un concepto de intervención más idóneo con nuestros tiempos, anteponiendo un procedimiento lógico desde su propia necesidad y contingencia. Finalmente, nuestro planteamiento inicial aspira a constituir un nueva forma de reflexión que nos permita comprender las complejas implicaciones que infiere la nueva arquitectura sobre la preexistencia, motivada por las incorporación de factores externos al simple juicio formal y expresivo preponderante a finales del siglo XX. Del mismo modo, nuestro camino propuesto, como alternativa, permite proyectar posibles sendas de prospección, al considerar lo preexistente como un ámbito que abarca la totalidad del territorio con dinámicas emergentes de cambio, y con ellas, sus lógicas de intervención.Abstract The perceived changes towards the end of the XXth century and at the beginning of the new milennium have shown us that the cultural crisis in which we participate also reflects a crisis of the universal models. The difference between our contemporary situation and the typical situations of modern orthodoxy and post-modernistic fragmentation, seems to indicate that it is no longer possible to formulate a valid esthetic system, to assign a universal and eternal validity to it beyond its strictly punctual effectiveness; which is even subject to questioning because of the continuous transformations that take place in time and in the sensibility of the subject itself every time it takes over the place. The organised reference that any location offered, limited, invariable and specific, while pre-existing, reflected a hierarchy of the formal system based on the applicable: measure, standards, movement, time, modulation, codes and rules. Authors like Marshall Mc Luhan, Paul Virilio, or Marc Augé anticipated a reality where the conventional system already did not seem to respond to the new architectural requests in which information, speed, disappearance and the virtual had blurred the traditional limits of place; pre-existence did no longer possess a specific delimitation and, on the contrary, they expect to reach a global scale. Currently, some aspects that stayed latent relating to the constructed, surface from intensive connotations, transgressing the simple visual and expressive manifestation in order to focus on the traits of the behaviour of material and energy as determinants of a process of adaptation to the surroundings. Throughout the entire Century, the development of the relation of the project relating to the constructed has been addressed, almost exclusively, in preservational or interventianal actions. Both perspectives showed efforts in order to express a thought that would give a theoretical consistency as a base for the production of the additive action. Nevertheless, the last decades of the Century, architectural theory ended up including thoughts from other fields that seem to contaminate the biased vision 15 which the constructed related us. Ecology, planning, philosophy, global economy, etc, suggest new approaches to the construction of the contemporary city; but this time with a determined idea of change and continuous transformation, that enriches the panorama of thought and architectural practice, at the same time, according to some, it puts disciplinary specification at risk, given that there is no architecture without destruction, the constructed organism requires mutation in order to adjust to the change of shape. All of this previous conceptual framework gathered valuable intents to give importance to a theory that could be understood solely from an argumental position. Thusly, in 1979 Ignasi Solá-Morales integrated all of the imprecisions that referred to an action in existing architecture under the term of “Intervention”, which was explained in two ways: The first referring to any type of intervention that can be carried out in a building, regarding protection, conservation, reuse, etc. It is about a scope where the meaning of intensity stays latent as a common factor of the understanding of a single action. Secondly, more limitedly, the idea of intervention is established as the critical act to the other previous ideas such as restauration, conservation, reuse, etc. Both ultimately represent ways of interpretation of a new speech. “An intervention, is as much as trying to make the building say something again or that it be said in a certain direction”. Mid 1985, motivated by the current of historiographical revision and the concerns regarding the deterioration of historical centres that traversed Europe, Solá-Morales decides to reflect on “the relationship” between an intervention of the new architecture and the previously existing architecture. A relationship determined strictly by linguistic considerations, to his understanding, in harmony with all of the architectural production of the XXth century. From Contrast to Analogy would summarise transformations in the discursive perception of architectural intervention, as a changing phenomenon depending on cultural values, but at the same time, showing a clear dialogical tendency between two formal categories: Contrast, emphasising the possibilities of novelty and difference; and on the other hand the emerging Analogy, as a new awareness of interpretation of the ancient building, where the similarity and diversity are manifested simultaneously. For Solá-Morales the analogical procedure is not based on the visible simultaneity of formal orders, but on associations that the subject establishes throughout time. Through analogy it is tried to overcome the simple visual relationship with the antique, to focus on its spacial, physical and geographical nature. If the analogical attempt guides an opening towards a new continuity; it still persists in the connection of dimensional, typological and figurative factors, subordinate to the formal hierarchy of the preexisting subjects. 16 The reflexive contribution of Solá-Morales’ works could be final, if in the last decades before the end of the century there had not been certain changes regarding linguistic expression, encouraged by architecture, towards a kind of figurative hypertrophy, amongst many arguments we are in this case interested in three moments: The dissolution of the compositional consistency and the united style, the volumetric incorporation of the project as a reactive mechanism, and the change of the vision from retrospective towards prospective that the new conservation suggests. The recurrence to the history of architecture and its recognisable forms, as a way of perpetuating memory and establishing a reference, dissolved any instinct of compositive unity and style, provoking permanent relationships to tend to disappear. The composition and coherence lead to suppose a type of discontinuity of isolated objects in which only possible relationships could appear; no longer as an order of certain formal and compositive rules, but as a special way of setting elements in a specific work. The new globalised field required new forms of consistency between the project and the pre-existent subject, motivated amongst others by the higher pace of market evolution, increase of consumer tax and the level of information and competence between different locations; aspects which finally made stylistic consistence inefficient. In this context of disintegration, the project, in incorporation as well as added to a constructed building, stops being considered as a volumetric appendix subordinate to compositive and formal rules of old, to be considered as an organism of reactive order, that causes a change in the structural and systematic configuration of the existing foundation. The extension, previsouly spatial, is now considered a sensorial and morphological extension, with the implementation of technology and hyper-information, but at the same time, marked by a strong tendency of energetic optimization in its operational role, facing the emergence of the ecological factor in contemporary production. The technological world turns into a new nature, a nature that should be analysed from ecological terms; in other words, as an event of transition in the continuous redistribution of energy. In this area, effectiveness is not only determined by the capacity of adaptation to changing conditions, but also by its transforming capacity “expressly” in order to change an environment. In a society, like ours, that is modernising intensively, it is difficult to share an adecuate agreement with the forms of the past. From 1790, the date of the first French convention for the conservation of monuments, the scale of what is expexted to be preserved is more and more ambitious, so much so that nowadays the repertoire of that what is conserved includes practically all typologies of the constructed surroundings. For Koolhaas, the ínterval between the object and the moment when its conservation is decided has been reduced, from two 17 milennia in 1882 to a few decades nowadays. Shortly this lapse will disappear, showing a radical change of retrospective towards prospective, that is to say, that soon it will be necessary to decide what to conserve before constructing. The shapes of cities are the result of the continuous incorporation of architecture, and perhaps that only through architecture the response to the universe can be understood, the continuity of what has already been constructed. Our work is understood also within that system, modifying the field of action and leaving the road ready for the next movement of those that will follow after us. Continuity does not mean conservatism, continuity means being conscient of the transitory value of our answers to specific needs, accepting the change that we have received. That what has been constructed to remain and last, should cause future interventions to be integrated in it. It is necessary to accept continuity as a rule. Solá-Morales, in his time, distinguished between the relationship with new and old, between contrast and analogy. Today, almost three decades later, the objective consists of evaluating whether the model of architectural intervention in the constructed has been maintained since then or if new ways of positioning the project regarding the constructed have appeared. Our work claims to show the change of the approach of projects with pre-existing subjects and that this has got a close relation to the incorporation of new concepts, techniques, tools and necessities that impress the cultural context, caused by the change of centuries. This assumption guides us to establish a parallelism between the forms of connection where that what is new is manifested between a commonly assumed (topical), generic and orthodox position, based on that what is visual and expressive in the last decades of the XXth century, and an emerging (heterotopical), extraordinary and heterodox reality that stimulates the immaterial and that seems to emerge with growing intensity in the XXIst century. If throughout the XXth century the project of architectural intervention was considered from the continuity and discontinuity of formal categories, marked by the expression of the pre-existing building, the new contemporary intervention, as a reactive device in the landscape and territory, demands an absolute continuity. No longer a visual, expressive or functional one but a morphological continuity of adaptation and change with its own territorial dynamics, under new game rules and unfolding new operative (projective) strategies from its own logic and contingency. 18 The aim of this research is to determine new forms of continuity and the possible logic of production that are expressed in the Architectural Intervention, trying to overcome the obviousness of its physical and visual relationship, at the beginning of this new century, as a result of the incorporation of the operative factor that the new architectural device unfolds. We think it is correct to maintain the connotative path that marks the name architectural intervention by bringing previous concepts and theorical approaches that have been evolving through time together. If the name suffers from a wider operational range because of its formulation, a quality that our contemporary logic provokes, the reformulation and consolidation of an interventional concept could be more suitable for our times, giving preference to a logical method from its own necessity and contingency. It seems that now time shapes the topics, it is no longer about materialising a certain time but about expressing the changes that its new temporality generates. Finally, our initial approach aspires to form a new way of reflection that permits us to understand the complex implications that the new architecture submits the pre-existing subject to, motivated by the incorporation of factors external to simple formal and expressive judgement, prevailing at the end of the XXth century. In the same way, our set road, as an alternative, permits the contemplation of possible research paths, considering that what is pre-existing as an area that spans the whole territory with emerging changing dynamics and, with them, their interventional logics.

Implementación de un sistema multicanal de medida de temperatura con termopares

Este proyecto fin de carrera tiene como finalidad el diseño e implementación de un sistema multicanal de medida de temperaturas con termopares con procesado digital. Se ha realizado un prototipo de cuatro canales con conexión de termopar, que es el tipo de sensor utilizado para realizar dichas medidas. La tensión generada por el termopar es procesada mediante un conversor de termopar a digital con salida en interfaz modo serie o SPI (Serial Peripheral Interface). El control de dicha comunicación se realiza por medio de un Array de Puertas Lógicas Programables o FPGA (Field Programmable Gate Array), en concreto se ha utilizado una plataforma de desarrollo modelo Virtex-5 de la empresa Xilinx. Esta tarjeta se ha programado también para el procesado software y la posterior comunicación serie con el PC, el cual consta de una interfaz de usuario donde se muestran los resultados de las medidas en tiempo real. El proyecto ha sido desarrollado en colaboración con una empresa privada dedicada principalmente al diseño electrónico. La finalidad de este prototipo es el estudio de una actualización del bloque de medida para el control de las curvas de temperatura de un equipo de reparación aeronáutica. En esta memoria se describe el proceso realizado para el desarrollo del prototipo, incluye la presentación de los estudios realizados y la información necesaria para llevar a cabo el diseño, la fabricación y la programación de los diferentes bloques que componen el sistema. ABSTRACT. The aim of this project is to implement a multichannel temperature measurement system with digital processing, using thermocouples. A four-channel prototype with thermocouple connection has been built. The thermocouple voltage is converted to digital line using a Thermocouple-to-Digital Converter with a Serial Perpheral Interface (SPI) output. The master which controls this communication is embedded in a Field Programmable Gate Array (FPGA), specifically the Xilinx Virtex-5 model. This FPGA also has the code for software temperature processing and the prototype to PC serial communication embedded. The PC user interface displays the measurement results in real time. This project has been developed at a private electronics design company. The company wants to study an update to change the analogue temperature controller equipment to a digital one. So this prototype studies a digital version of the temperature measurement block. The processes accomplished for the prototype development are detailed in the next pages of this document. It includes the studies and information needed to develop the design, manufacturing process and programming of the blocks which integrate with the global system.

EPIC (Entorno de Páncreas Artificial con Interfaz Clínica)

La Diabetes Mellitus se define como el trastorno del metabolismo de los carbohidratos, resultante de una producción insuficiente o nula de insulina en las células beta del páncreas, o la manifestación de una sensibilidad reducida a la insulina por parte del sistema metabólico. La diabetes tipo 1 se caracteriza por la nula producción de insulina por la destrucción de las células beta del páncreas. Si no hay insulina en el torrente sanguíneo, la glucosa no puede ser absorbida por las células, produciéndose un estado de hiperglucemia en el paciente, que a medio y largo plazo si no es tratado puede ocasionar severas enfermedades, conocidos como síndromes de la diabetes. La diabetes tipo 1 es una enfermedad incurable pero controlable. La terapia para esta enfermedad consiste en la aplicación exógena de insulina con el objetivo de mantener el nivel de glucosa en sangre dentro de los límites normales. Dentro de las múltiples formas de aplicación de la insulina, en este proyecto se usará una bomba de infusión, que unida a un sensor subcutáneo de glucosa permitirá crear un lazo de control autónomo que regule la cantidad optima de insulina aplicada en cada momento. Cuando el algoritmo de control se utiliza en un sistema digital, junto con el sensor subcutáneo y bomba de infusión subcutánea, se conoce como páncreas artificial endocrino (PAE) de uso ambulatorio, hoy día todavía en fase de investigación. Estos algoritmos de control metabólico deben de ser evaluados en simulación para asegurar la integridad física de los pacientes, por lo que es necesario diseñar un sistema de simulación mediante el cual asegure la fiabilidad del PAE. Este sistema de simulación conecta los algoritmos con modelos metabólicos matemáticos para obtener una visión previa de su funcionamiento. En este escenario se diseñó DIABSIM, una herramienta desarrollada en LabViewTM, que posteriormente se trasladó a MATLABTM, y basada en el modelo matemático compartimental propuesto por Hovorka, con la que poder simular y evaluar distintos tipos de terapias y reguladores en lazo cerrado. Para comprobar que estas terapias y reguladores funcionan, una vez simulados y evaluados, se tiene que pasar a la experimentación real a través de un protocolo de ensayo clínico real, como paso previo al PEA ambulatorio. Para poder gestionar este protocolo de ensayo clínico real para la verificación de los algoritmos de control, se creó una interfaz de usuario a través de una serie de funciones de simulación y evaluación de terapias con insulina realizadas con MATLABTM (GUI: Graphics User Interface), conocido como Entorno de Páncreas artificial con Interfaz Clínica (EPIC). EPIC ha sido ya utilizada en 10 ensayos clínicos de los que se han ido proponiendo posibles mejoras, ampliaciones y/o cambios. Este proyecto propone una versión mejorada de la interfaz de usuario EPIC propuesta en un proyecto anterior para gestionar un protocolo de ensayo clínico real para la verificación de algoritmos de control en un ambiente hospitalario muy controlado, además de estudiar la viabilidad de conectar el GUI con SimulinkTM (entorno gráfico de Matlab de simulación de sistemas) para su conexión con un nuevo simulador de pacientes aprobado por la JDRF (Juvenil Diabetes Research Foundation). SUMMARY The diabetes mellitus is a metabolic disorder of carbohydrates, as result of an insufficient or null production of insulin in the beta cellules of pancreas, or the manifestation of a reduced sensibility to the insulin from the metabolic system. The type 1 diabetes is characterized for a null production of insulin due to destruction of the beta cellules. Without insulin in the bloodstream, glucose can’t be absorbed by the cellules, producing a hyperglycemia state in the patient and if pass a medium or long time and is not treated can cause severe disease like diabetes syndrome. The type 1 diabetes is an incurable disease but controllable one. The therapy for this disease consists on the exogenous insulin administration with the objective to maintain the glucose level in blood within the normal limits. For the insulin administration, in this project is used an infusion pump, that permit with a subcutaneous glucose sensor, create an autonomous control loop that regulate the optimal insulin amount apply in each moment. When the control algorithm is used in a digital system, with the subcutaneous senor and infusion subcutaneous pump, is named as “Artificial Endocrine Pancreas” for ambulatory use, currently under investigate. These metabolic control algorithms should be evaluates in simulation for assure patients’ physical integrity, for this reason is necessary to design a simulation system that assure the reliability of PAE. This simulation system connects algorithms with metabolic mathematics models for get a previous vision of its performance. In this scenario was created DIABSIMTM, a tool developed in LabView, that later was converted to MATLABTM, and based in the compartmental mathematic model proposed by Hovorka that could simulate and evaluate several different types of therapy and regulators in closed loop. To check the performance of these therapies and regulators, when have been simulated and evaluated, will be necessary to pass to real experimentation through a protocol of real clinical test like previous step to ambulatory PEA. To manage this protocol was created an user interface through the simulation and evaluation functions od therapies with insulin realized with MATLABTM (GUI: Graphics User Interface), known as “Entorno de Páncreas artificial con Interfaz Clínica” (EPIC).EPIC have been used in 10 clinical tests which have been proposed improvements, adds and changes. This project proposes a best version of user interface EPIC proposed in another project for manage a real test clinical protocol for checking control algorithms in a controlled hospital environment and besides studying viability to connect the GUI with SimulinkTM (Matlab graphical environment in systems simulation) for its connection with a new patients simulator approved for the JDRF (Juvenil Diabetes Research Foundation).

Reachability-based acyclicity analysis by Abstract Interpretation

In programming languages with dynamic use of memory, such as Java, knowing that a reference variable x points to an acyclic data structure is valuable for the analysis of termination and resource usage (e.g., execution time or memory consumption). For instance, this information guarantees that the depth of the data structure to which x points is greater than the depth of the data structure pointed to by x.f for any field f of x. This, in turn, allows bounding the number of iterations of a loop which traverses the structure by its depth, which is essential in order to prove the termination or infer the resource usage of the loop. The present paper provides an Abstract-Interpretation-based formalization of a static analysis for inferring acyclicity, which works on the reduced product of two abstract domains: reachability, which models the property that the location pointed to by a variable w can be reached by dereferencing another variable v (in this case, v is said to reach w); and cyclicity, modeling the property that v can point to a cyclic data structure. The analysis is proven to be sound and optimal with respect to the chosen abstraction.

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.

Análisis de la precisión en la medida del tiempo de reverberación y de los parámetros asociados

El trabajo fin de master “Análisis de la precisión en la medida del tiempo de reverberación y de los parámetros asociados” tiene como objetivo primordial la evaluación de los parámetros y métodos utilizados para la obtención de estos, a través del tiempo de reverberación, tanto de forma global, conjunto de todos los métodos, como cada uno de ellos por separado. Un objetivo secundario es la evaluación de la incertidumbre en función del método de medición usado. Para realizarlo, se van a aprovechar las mediciones realizadas para llevar a cabo el proyecto fin de carrera [1], donde se medía el tiempo de reverberación en dos recintos diferentes usando el método del ruido interrumpido y el método de la respuesta impulsiva integrada con señales distintas. Las señales que han sido utilizadas han sido señales impulsivas de explosión de globos, disparo de pistola, claquetas y, a través de procesado digital, señales periódicas pseudoaleatorias MLS y barridos de tonos puros. La evaluación que se realizará a cada parámetro ha sido extraída de la norma UNE 89002 [2], [3]y [4]. Se determinará si existen valores aberrantes tanto por el método de Grubbs como el de Cochran, e interesará conocer la veracidad, precisión, repetibilidad y reproducibilidad de los resultados obtenidos. Los parámetros que han sido estudiados y evaluados son el tiempo de reverberación con caída de 10 dB, (T10), con caída de 15 dB (T15), con caída de 20 dB (T20), con caída de 30 dB (T30), el tiempo de la caída temprana (EDT), el tiempo final (Ts), claridad (C20, C30, C50 y C80) y definición (D50 y D80). Dependiendo de si el parámetro hace referencia al recinto o si varía en función de la relación entre la posición de fuente y micrófono, su estudio estará sujeto a un procedimiento diferente de evaluación. ABSTRACT. The master thesis called “Analysis of the accuracy in measuring the reverberation time and the associated parameters” has as the main aim the assessment of parameters and methods used to obtain these through reverberation time, both working overall, set of all methods, as each of them separately. A secondary objective is to evaluate the uncertainty depending on the measurement method used. To do this, measurements of [1] will be used, where they were carried on in two different spaces using the interrupted noise method and the method of impulse response integrated with several signals. The signals that have been used are impulsive signals such as balloon burst, gunshot, slates and, through digital processing, periodic pseudorandom signal MLS and swept pure tone. The assessment that will be made to each parameter has been extracted from the UNE 89002 [2], [3] and [4]. It will determine whether there are aberrant values both through Grubbs method and Cochran method, to say so, if a value is inconsistent with the rest of the set. In addition, it is interesting to know the truthfulness, accuracy, repeatability and reproducibility of results obtained from the first part of this rule. The parameters that are going to be evaluated are reverberation time with 10 dB decay, (T10), with 15 dB decay (T15), with 20 dB decay (T20), with 30 dB decay (T30), the Early Decay Time (EDT), the final time (Ts), clarity (C20, C30, C50 y C80) and definition (D50 y D80). Depending on whether the parameter refers to the space or if it varies depending on the relationship between source and microphone positions, the study will be related to a different evaluation procedure.