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

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

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

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

Implementación de efectos de audio en la tarjeta Raspberry Pi B+

Este proyecto consiste en el diseño e implementación de un procesador digital de efectos de audio en tiempo real orientado a instrumentos eléctricos tales como guitarras, bajos, teclados, etc. El procesador está basado en la tarjeta Raspberry Pi B+, ordenador de placa reducida de bajo coste, desarrollado en Reino unido y cuyo lanzamiento tuvo lugar en el año 2012. En primer lugar, ha sido necesario lograr que la tarjeta asuma la funcionalidad de un procesador de audio en tiempo real. Para ello se ha instalado un sistema operativo Linux orientado a Raspberry (Raspbian) y se ha hecho uso de Pure Data (Pd): lenguaje de programación gráfico que fue desarrollado en los años 90 por Miller Puckette con intención de ser enfocado a la creación de eventos multimedia y de música por computador. El papel que desempeña Pd es de capa intermedia entre el hardware y el software ya que se encarga de tomar bloques de N muestras del convertidor analógico/digital y encaminarlas a través del flujo de señal diseñado gráficamente. En segundo lugar, se han implementado diferentes efectos de audio de distintas características. Así pues, se encuentran efectos basados en retardos, filtros digitales y procesadores de dinámica. Concretamente, los efectos implementados son los siguientes: delay, flanger, vibrato, reverberador de Schroeder, filtros (paso bajo, paso alto y paso banda), ecualizador paramétrico y compresor y expansor de dinámica. Estos efectos han sido implementados en lenguaje C de acuerdo con la API de Pd. Con esto se ha conseguido obtener un objeto por cada efecto, el cual es “instanciado” en Pd pudiendo ejecutarlo en tiempo real. En este proyecto se expone la problemática que supone cada paso del diseño proponiendo soluciones válidas. Además se incluye una guía paso a paso para configurar la tarjeta y lograr realizar un bypass de señal y un efecto simple partiendo desde cero. ABSTRACT. This project involves the design and implementation of a digital real-time audio processor for electrical instruments (guitars, basses, keyboards, etc.). The processor is based on the Raspberry Pi B + card: low cost computer, developed in UK in 2012. First, it was necessary to make the cards assume the functionality of a real time audio processor. A Linux operating system called Raspberry (Raspbian) was installed. In this Project is used Pure Data (Pd): a graphical programming language developed in the 90s by Miller Puckette intending to be focused on creating multimedia and computer music events. The role of Pd is an intermediate layer between the hardware and the software. It is responsible for taking blocks of N samples of the analog/digital converter and route it through the signal flow. Secondly, it is necessary to implemented the different audio effects. There are delays based effects, digital filter and dynamics effects. Specifically, the implemented effects are: delay, flanger, vibrato, Schroeder reverb, filters (lowpass, highpass and bandpass), parametric equalizer and compressor and expander dynamics. These effects have been implemented in C language according to the Pd API. As a result, it has been obtained an object for each effect, which is instantiated in Pd. In this Project, the problems of every step are exposed with his corresponding solution. It is inlcuded a step-by-step guide to configure the card and achieve perform a bypass signal process and a simple effect.

Cancelación activa del ruido utilizando el KIT TMS320C5515 EZDSP

El control, o cancelación activa de ruido, consiste en la atenuación del ruido presente en un entorno acústico mediante la emisión de una señal igual y en oposición de fase al ruido que se desea atenuar. La suma de ambas señales en el medio acústico produce una cancelación mutua, de forma que el nivel de ruido resultante es mucho menor al inicial. El funcionamiento de estos sistemas se basa en los principios de comportamiento de los fenómenos ondulatorios descubiertos por Augustin-Jean Fresnel, Christiaan Huygens y Thomas Young entre otros. Desde la década de 1930, se han desarrollado prototipos de sistemas de control activo de ruido, aunque estas primeras ideas eran irrealizables en la práctica o requerían de ajustes manuales cada poco tiempo que hacían inviable su uso. En la década de 1970, el investigador estadounidense Bernard Widrow desarrolla la teoría de procesado adaptativo de señales y el algoritmo de mínimos cuadrados LMS. De este modo, es posible implementar filtros digitales cuya respuesta se adapte de forma dinámica a las condiciones variables del entorno. Con la aparición de los procesadores digitales de señal en la década de 1980 y su evolución posterior, se abre la puerta para el desarrollo de sistemas de cancelación activa de ruido basados en procesado de señal digital adaptativo. Hoy en día, existen sistemas de control activo de ruido implementados en automóviles, aviones, auriculares o racks de equipamiento profesional. El control activo de ruido se basa en el algoritmo fxlms, una versión modificada del algoritmo LMS de filtrado adaptativo que permite compensar la respuesta acústica del entorno. De este modo, se puede filtrar una señal de referencia de ruido de forma dinámica para emitir la señal adecuada que produzca la cancelación. Como el espacio de cancelación acústica está limitado a unas dimensiones de la décima parte de la longitud de onda, sólo es viable la reducción de ruido en baja frecuencia. Generalmente se acepta que el límite está en torno a 500 Hz. En frecuencias medias y altas deben emplearse métodos pasivos de acondicionamiento y aislamiento, que ofrecen muy buenos resultados. Este proyecto tiene como objetivo el desarrollo de un sistema de cancelación activa de ruidos de carácter periódico, empleando para ello electrónica de consumo y un kit de desarrollo DSP basado en un procesador de muy bajo coste. Se han desarrollado una serie de módulos de código para el DSP escritos en lenguaje C, que realizan el procesado de señal adecuado a la referencia de ruido. Esta señal procesada, una vez emitida, produce la cancelación acústica. Empleando el código implementado, se han realizado pruebas que generan la señal de ruido que se desea eliminar dentro del propio DSP. Esta señal se emite mediante un altavoz que simula la fuente de ruido a cancelar, y mediante otro altavoz se emite una versión filtrada de la misma empleando el algoritmo fxlms. Se han realizado pruebas con distintas versiones del algoritmo, y se han obtenido atenuaciones de entre 20 y 35 dB medidas en márgenes de frecuencia estrechos alrededor de la frecuencia del generador, y de entre 8 y 15 dB medidas en banda ancha. ABSTRACT. Active noise control consists on attenuating the noise in an acoustic environment by emitting a signal equal but phase opposed to the undesired noise. The sum of both signals results in mutual cancellation, so that the residual noise is much lower than the original. The operation of these systems is based on the behavior principles of wave phenomena discovered by Augustin-Jean Fresnel, Christiaan Huygens and Thomas Young. Since the 1930’s, active noise control system prototypes have been developed, though these first ideas were practically unrealizable or required manual adjustments very often, therefore they were unusable. In the 1970’s, American researcher Bernard Widrow develops the adaptive signal processing theory and the Least Mean Squares algorithm (LMS). Thereby, implementing digital filters whose response adapts dynamically to the variable environment conditions, becomes possible. With the emergence of digital signal processors in the 1980’s and their later evolution, active noise cancellation systems based on adaptive signal processing are attained. Nowadays active noise control systems have been successfully implemented on automobiles, planes, headphones or racks for professional equipment. Active noise control is based on the fxlms algorithm, which is actually a modified version of the LMS adaptive filtering algorithm that allows compensation for the acoustic response of the environment. Therefore it is possible to dynamically filter a noise reference signal to obtain the appropriate cancelling signal. As the noise cancellation space is limited to approximately one tenth of the wavelength, noise attenuation is only viable for low frequencies. It is commonly accepted the limit of 500 Hz. For mid and high frequencies, conditioning and isolating passive techniques must be used, as they produce very good results. The objective of this project is to develop a noise cancellation system for periodic noise, by using consumer electronics and a DSP development kit based on a very-low-cost processor. Several C coded modules have been developed for the DSP, implementing the appropriate signal processing to the noise reference. This processed signal, once emitted, results in noise cancellation. The developed code has been tested by generating the undesired noise signal in the DSP. This signal is emitted through a speaker simulating the noise source to be removed, and another speaker emits an fxlms filtered version of the same signal. Several versions of the algorithm have been tested, obtaining attenuation levels around 20 – 35 dB measured in a tight bandwidth around the generator frequency, or around 8 – 15 dB measured in broadband.

Estimación del consumo de potencia en un terminal portátil multimedia basada en la PMU del procesador

Este proyecto se incluye en una línea de trabajo que tiene como objetivo final la optimización de la energía consumida por un dispositivo portátil multimedia mediante la aplicación de técnicas de control realimentado, a partir de una modificación dinámica de la frecuencia de trabajo del procesador y de su tensión de alimentación. La modificación de frecuencia y tensión se realiza a partir de la información de realimentación acerca de la potencia consumida por el dispositivo, lo que supone un problema ya que no suele ser posible la monitorización del consumo de potencia en dispositivos de estas características. Este es el motivo por el que se recurre a la estimación del consumo de potencia, utilizando para ello un modelo de predicción. A partir del número de veces que se producen ciertos eventos en el procesador del dispositivo, el modelo de predicción es capaz de obtener una estimación de la potencia consumida por dicho dispositivo. El trabajo llevado a cabo en este proyecto se centra en la implementación de un modelo de estimación de potencia en el kernel de Linux. La razón por la que la estimación se implementa en el sistema operativo es, en primer lugar para lograr un acceso directo a los contadores del procesador. En segundo lugar, para facilitar la modificación de frecuencia y tensión, una vez obtenida la estimación de potencia, ya que esta también se realiza desde el sistema operativo. Otro motivo para implementar la estimación en el sistema operativo, es que la estimación debe ser independiente de las aplicaciones de usuario. Además, el proceso de estimación se realiza de forma periódica, lo que sería difícil de lograr si no se trabajase desde el sistema operativo. Es imprescindible que la estimación se haga de forma periódica ya que al ser dinámica la modificación de frecuencia y tensión que se pretende implementar, se necesita conocer el consumo de potencia del dispositivo en todo momento. Cabe destacar también, que los algoritmos de control se tienen que diseñar sobre un patrón periódico de actuación. El modelo de estimación de potencia funciona de manera específica para el perfil de consumo generado por una única aplicación determinada, que en este caso es un decodificador de vídeo. Sin embargo, es necesario que funcione de la forma más precisa posible para cada una de las frecuencias de trabajo del procesador, y para el mayor número posible de secuencias de vídeo. Esto es debido a que las sucesivas estimaciones de potencia se pretenden utilizar para llevar a cabo la modificación dinámica de frecuencia, por lo que el modelo debe ser capaz de continuar realizando las estimaciones independientemente de la frecuencia con la que esté trabajando el dispositivo. Para valorar la precisión del modelo de estimación se toman medidas de la potencia consumida por el dispositivo a las distintas frecuencias de trabajo durante la ejecución del decodificador de vídeo. Estas medidas se comparan con las estimaciones de potencia obtenidas durante esas mismas ejecuciones, obteniendo de esta forma el error de predicción cometido por el modelo y realizando las modificaciones y ajustes oportunos en el mismo. ABSTRACT. This project is included in a work line which tries to optimize consumption of handheld multimedia devices by the application of feedback control techniques, from a dynamic modification of the processor work frequency and its voltage. The frequency and voltage modification is performed depending on the feedback information about the device power consumption. This is a problem because normally it is not possible to monitor the power consumption on this kind of devices. This is the reason why a power consumption estimation is used instead, which is obtained from a prediction model. Using the number of times some events occur on the device processor, the prediction model is able to obtain a power consumption estimation of this device. The work done in this project focuses on the implementation of a power estimation model in the Linux kernel. The main reason to implement the estimation in the operating system is to achieve a direct access to the processor counters. The second reason is to facilitate the frequency and voltage modification, because this modification is also done from the operating system. Another reason to implement the estimation in the operating system is because the estimation must be done apart of the user applications. Moreover, the estimation process is done periodically, what is difficult to obtain outside the operating system. It is necessary to make the estimation in a periodic way because the frequency and voltage modification is going to be dynamic, so it needs to know the device power consumption at every time. Also, it is important to say that the control algorithms have to be designed over a periodic pattern of action. The power estimation model works specifically for the consumption profile generated by a single application, which in this case is a video decoder. Nevertheless, it is necessary that the model works as accurate as possible for each frequency available on the processor, and for the greatest number of video sequences. This is because the power estimations are going to be used to modify dynamically the frequency, so the model must be able to work independently of the device frequency. To value the estimation model precision, some measurements of the device power consumption are taken at different frequencies during the video decoder execution. These measurements are compared with the power estimations obtained during that execution, getting the prediction error committed by the model, and if it is necessary, making modifications and settings on this model.

Soluciones de control para el Hogar Digital Accesible

En este proyecto, se pretende obtener la solución óptima para el control del hogar digital accesible. Para ello, comenzaremos explicando el funcionamiento básico de un sistema dómotico, enumeraremos los diversos dispositivos que se utilizan en este tipo de automatizaciones, y comentaremos las diferentes posibilidades con respecto a la arquitectura del sistema. Para elegir la opción más adecuada, se realizará un pequeño estudio a acerca de cada una de las tecnologías existentes, protocolos cerrados, y abiertos, así como tecnologías inalámbricas o de bus. Se realizará un estudio con mayor profundidad del estándar KNX, ya que será una de las tecnologías elegidas finalmente para la realización del proyecto. Una vez elegido el estándar, hemos de centrarnos en las necesidades del recinto, para así poder empezar a definir cada uno de los elementos que incluiremos en nuestra instalación, sensores, actuadores, elementos de intercomunicación, procesadores y dispositivos de control. El siguiente paso consistiría en la programación de la vivienda, para ello hemos de tener previamente estructurados y definidos tanto el número de circuitos eléctricos, como la función que estos desempeñan dentro del recinto inteligente, es decir, accionamiento, regulación etc, para así poder asignar cada circuito a la salida correspondiente de su propio actuador. La vivienda se programará a través de ETS, software asociado a la marca KNX. Mediante este protocolo controlaremos, iluminación, motores, climatización y seguridad. Debido a los recursos limitados que ofrece KNX con respecto a la programación lógica de eventos y secuencias de acciones, y la necesidad de visualizar la interfaz gráfica de la vivienda se ha integrado un procesador. Considerando el deseo de integrar el control de un televisor en la vivienda, futuras ampliaciones y otros aspectos, el procesador integrado será de Crestron Electronics, marca correspondiente a un protocolo cerrado de automatización de sistemas, que cuenta con grandes avances en el control multimedia. Por tanto, la segunda parte de la programación se realizará mediante otros dos softwares diferentes, pertenecientes a la marca, Simple Windows se encargará de la programación lógica del sistema, mientras que Vision Tools creará la visualización. Por último, obtendremos las conclusiones necesarias, adjuntaremos un diagrama de conexionado, presupuesto de la instalación, planos y un pequeño manual de usuario. ABSTRACT. The aim of this project is to optimize the environment control of the Accesible Digital Home unit located in ETSIST - UPM, through different essays, valuing the domestic possibilities and the current interfaces. The tests will be carried out comparing different protocols and the possibilities of optimization that they offer to a Digital Home. Aspects such as: ease the communications with other systems, reliability, costs, long term maintenance of the installation, etc. After conducting trials protocol or most appropriate technology for the automation of the enclosure shall be elected. One Chosen the standard, we have to focus on the needs of the enclosure, so, to begin defining each of the elements included in our installation, sensors, actuators, elements intercom, processors and control devices. The next step is the programing of housing, for that we have previously structured and defined both the number of electrical circuits, as the role they play in the intelligent enclosure, that is, switching, dimming etc., in order to assign each circuit to the corresponding output of its own actuator. The house will be scheduled through ETS, software associated with the brand KNX. Through this protocol we will control, lighting, motors, air conditioning and security. Due to the limited resources available in KNX with respect logic programming of events and sequences of actions, and the need to display the graphical interface housing has been integrated processor belonging to the closed protocol or Crestron electronics brand. Finally, when we get the necessary conclusions, enclose a diagram of wiring, installation budget, planes and a small manual.

Efficient parallelization of a regional ocean model for the western Mediterranean Sea

This paper focuses on the parallelization of an ocean model applying current multicore processor-based cluster architectures to an irregular computational mesh. The aim is to maximize the efficiency of the computational resources used. To make the best use of the resources offered by these architectures, this parallelization has been addressed at all the hardware levels of modern supercomputers: firstly, exploiting the internal parallelism of the CPU through vectorization; secondly, taking advantage of the multiple cores of each node using OpenMP; and finally, using the cluster nodes to distribute the computational mesh, using MPI for communication within the nodes. The speedup obtained with each parallelization technique as well as the combined overall speedup have been measured for the western Mediterranean Sea for different cluster configurations, achieving a speedup factor of 73.3 using 256 processors. The results also show the efficiency achieved in the different cluster nodes and the advantages obtained by combining OpenMP and MPI versus using only OpenMP or MPI. Finally, the scalability of the model has been analysed by examining computation and communication times as well as the communication and synchronization overhead due to parallelization.

Diseño y banco de test VHDL de un procesador que realice la ICT para HEVC

Se va a realizar un estudio de la codificación de imágenes sobre el estándar HEVC (high-effiency video coding). El proyecto se va a centrar en el codificador híbrido, más concretamente sobre la aplicación de la transformada inversa del coseno que se realiza tanto en codificador como en el descodificador. La necesidad de codificar vídeo surge por la aparición de la secuencia de imágenes como señales digitales. El problema principal que tiene el vídeo es la cantidad de bits que aparecen al realizar la codificación. Como consecuencia del aumento de la calidad de las imágenes, se produce un crecimiento exponencial de la cantidad de información a codificar. La utilización de las transformadas al procesamiento digital de imágenes ha aumentado a lo largo de los años. La transformada inversa del coseno se ha convertido en el método más utilizado en el campo de la codificación de imágenes y video. Las ventajas de la transformada inversa del coseno permiten obtener altos índices de compresión a muy bajo coste. La teoría de las transformadas ha mejorado el procesamiento de imágenes. En la codificación por transformada, una imagen se divide en bloques y se identifica cada imagen a un conjunto de coeficientes. Esta codificación se aprovecha de las dependencias estadísticas de las imágenes para reducir la cantidad de datos. El proyecto realiza un estudio de la evolución a lo largo de los años de los distintos estándares de codificación de video. Se analiza el codificador híbrido con más profundidad así como el estándar HEVC. El objetivo final que busca este proyecto fin de carrera es la realización del núcleo de un procesador específico para la ejecución de la transformada inversa del coseno en un descodificador de vídeo compatible con el estándar HEVC. Es objetivo se logra siguiendo una serie de etapas, en las que se va añadiendo requisitos. Este sistema permite al diseñador hardware ir adquiriendo una experiencia y un conocimiento más profundo de la arquitectura final. ABSTRACT. A study about the codification of images based on the standard HEVC (high-efficiency video coding) will be developed. The project will be based on the hybrid encoder, in particular, on the application of the inverse cosine transform, which is used for the encoder as well as for the decoder. The necessity of encoding video arises because of the appearance of the sequence of images as digital signals. The main problem that video faces is the amount of bits that appear when making the codification. As a consequence of the increase of the quality of the images, an exponential growth on the quantity of information that should be encoded happens. The usage of transforms to the digital processing of images has increased along the years. The inverse cosine transform has become the most used method in the field of codification of images and video. The advantages of the inverse cosine transform allow to obtain high levels of comprehension at a very low price. The theory of the transforms has improved the processing of images. In the codification by transform, an image is divided in blocks and each image is identified to a set of coefficients. This codification takes advantage of the statistic dependence of the images to reduce the amount of data. The project develops a study of the evolution along the years of the different standards in video codification. In addition, the hybrid encoder and the standard HEVC are analyzed more in depth. The final objective of this end of degree project is the realization of the nucleus from a specific processor for the execution of the inverse cosine transform in a decoder of video that is compatible with the standard HEVC. This objective is reached following a series of stages, in which requirements are added. This system allows the hardware designer to acquire a deeper experience and knowledge of the final architecture.

Diseño e implementación de un controlador de velocidad PID multivariable para un robot con configuración de triciclo

La robótica móvil constituye un área de desarrollo y explotación de interés creciente. Existen ejemplos de robótica móvil de relevancia destacada en el ámbito industrial y se estima un fuerte crecimiento en el terreno de la robótica de servicios. En la arquitectura software de todos los robots móviles suelen aparecer con frecuencia componentes que tienen asignadas competencias de gobierno, navegación, percepción, etcétera, todos ellos de importancia destacada. Sin embargo, existe un elemento, difícilmente prescindible en este tipo de robots, el cual se encarga del control de velocidad del dispositivo en sus desplazamientos. En el presente proyecto se propone desarrollar un controlador PID basado en el modelo y otro no basado en el modelo. Dichos controladores deberán operar en un robot con configuración de triciclo disponible en el Departamento de Sistemas Informáticos y deberán por tanto ser programados en lenguaje C para ejecutar en el procesador digital de señal destinado para esa actividad en el mencionado robot (dsPIC33FJ128MC802). ABSTRACT Mobile robotics constitutes an area of development and exploitation of increasing interest. There are examples of mobile robotics of outstanding importance in industry and strong growth is expected in the field of service robotics. In the software architecture of all mobile robots usually appear components which have assigned competences of government, navigation, perceptionetc., all of them of major importance. However, there is an essential element in this type of robots, which takes care of the speed control. The present project aims to develop a model-based and other non-model-based PID controller. These controllers must operate in a robot with tricycle settings, available from the Department of Computing Systems, and should therefore be programmed in C language to run on the digital signal processor dedicated to that activity in the robot (dsPIC33FJ128MC802).

Brownian dynamics simulations of protein folding: Access to milliseconds time scale and beyond

Protein folding occurs on a time scale ranging from milliseconds to minutes for a majority of proteins. Computer simulation of protein folding, from a random configuration to the native structure, is nontrivial owing to the large disparity between the simulation and folding time scales. As an effort to overcome this limitation, simple models with idealized protein subdomains, e.g., the diffusion–collision model of Karplus and Weaver, have gained some popularity. We present here new results for the folding of a four-helix bundle within the framework of the diffusion–collision model. Even with such simplifying assumptions, a direct application of standard Brownian dynamics methods would consume 10,000 processor-years on current supercomputers. We circumvent this difficulty by invoking a special Brownian dynamics simulation. The method features the calculation of the mean passage time of an event from the flux overpopulation method and the sampling of events that lead to productive collisions even if their probability is extremely small (because of large free-energy barriers that separate them from the higher probability events). Using these developments, we demonstrate that a coarse-grained model of the four-helix bundle can be simulated in several days on current supercomputers. Furthermore, such simulations yield folding times that are in the range of time scales observed in experiments.

A neuronal model of a global workspace in effortful cognitive tasks

A minimal hypothesis is proposed concerning the brain processes underlying effortful tasks. It distinguishes two main computational spaces: a unique global workspace composed of distributed and heavily interconnected neurons with long-range axons, and a set of specialized and modular perceptual, motor, memory, evaluative, and attentional processors. Workspace neurons are mobilized in effortful tasks for which the specialized processors do not suffice. They selectively mobilize or suppress, through descending connections, the contribution of specific processor neurons. In the course of task performance, workspace neurons become spontaneously coactivated, forming discrete though variable spatio-temporal patterns subject to modulation by vigilance signals and to selection by reward signals. A computer simulation of the Stroop task shows workspace activation to increase during acquisition of a novel task, effortful execution, and after errors. We outline predictions for spatio-temporal activation patterns during brain imaging, particularly about the contribution of dorsolateral prefrontal cortex and anterior cingulate to the workspace.

Oxidação eletroquímica de etanol em temperatura ambiente e intermediária: estudo quantitativo das vias reacionais por espectrometria de massas on-line

Na primeira parte do trabalho, foram investigados materiais ativos para eletro-oxidar etanol e acetaldeído seletivos para a rota C2 (Carbono 2) e, também, ativos para eletro-oxidar hidrogênio molecular, visando a aplicação em células a combustível de hidrogênio indireto. Neste tipo de célula, um processador de combustível externo desidrogena o etanol e os produtos desta reação, contendo H2, acetaldeído e, possivelmente, etanol residual, são direcionados para alimentar o ânodo. Neste sentido, o eletrocatalisador anódico pode ser ativo para a eletro-oxidação de etanol residual, bem como acetaldeído, mas este deve catalisar a reação via C2 com o objetivo de evitar a formação de espécies que envenenam a superfície catalítica (CO ou CHx), ou seja, a ligação C-C deve permanecer intacta. Os eletrocatalisadores bimetálicos foram formados por M/Pt/C (onde M = W, Ru ou Sn) e os produtos reacionais foram analisados por DEMS On-line. Os resultados mostraram que Ru/Pt/C e Sn/Pt/C apresentaram maiores taxas de reação global, no entanto, eles não foram seletivos. Por outro lado, W2/Pt3/C foi mais seletivo para a rota C2, dada a não formação de CH4 e CO2. Além disso, este material também foi ativo e estável para a eletro-oxidação de H2, mesmo na presença de acetaldeído, o que o torna um potencial catalisador para aplicação no ânodo de células a combustível de hidrogênio indireto. Na segunda parte do trabalho, o objetivo foi relacionado com o estudo de eletrocatalisadores seletivos para a rota C1 (Carbono 1). A oxidação eletroquímica do etanol e de seus produtos reacionais foram investigados por DEMS on-line em temperatura ambiente e intermediária (245oC). Para temperatura ambiente, utilizou-se solução aquosa de ácido sulfúrico (H2SO4) e, para temperatura intermediária, utilizou-se ácido sólido (CsH2PO4) como eletrólito. Os eletrocatalisadores investigados foram formados por SnOxRuOx-Pt/C e Pt/C. Em temperatura ambiente, os resultados de polarização potenciodinâmica mostraram uma maior atividade eletrocatalítica para o material SnOxRuOx-Pt/C, com eficiência de corrente para formação de CO2 de 15,6% contra 15,2% para Pt/C, sob condições estagnantes, sem controle por transporte de massa. O stripping de resíduos reacionais, após a eletro-oxidação de etanol bulk, sob condições de fluxo, mostraram o acúmulo de espécies com 1 átomo de carbono (CO e CHx) que causam o bloqueio dos sítios ativos e são oxidadas eletroquimicamente somente em mais altos potenciais (ca. 1,0 V). Por outro lado, as curvas de polarização a 245oC mostraram maiores valores de eficiências de correntes para formação de CO2 (45% para Pt/C em ambos potenciais 0,5 V e 0,8 V contra 36% e 50% para SnOxRuOx-Pt/C em 0,5 V e 0,8 V respectivamente) quando comparado com os valores obtidos em temperatura ambiente, mas com atividades similares para SnOxRuOx-Pt/C e Pt/C. Para ambos os eletrocatalisadores, os estudos de espectrometria de massas a 245oC evidenciaram que as rotas eletroquímicas ocorrem em paralelo com rotas puramente químicas, envolvendo catálise heterogênea, de decomposição do etanol, produzindo H2 e CO2 como produtos majoritários.

Projeto e desenvolvimento de uma arquitetura de baixo consumo de potência para microprocessadores.

O trabalho trata do projeto e do desenvolvimento de um processador de baixo consumo de potência, de forma simplificada, explorando técnicas de microarquitetura, para atingir menor consumo de potência. É apresentada uma sequência lógica de desenvolvimento, a partir de conceitos e estruturas básicas, até chegar a estruturas mais complexas e, por fim, mostrar a microarquitetura completa do processador. Esse novo modelo de processador é comparado com estudos prévios de três processadores, sendo o primeiro modelo síncrono, o segundo assíncrono e o terceiro uma versão melhorada do primeiro modelo, que inclui minimizações de registradores e circuitos. Uma nova metodologia de criação de padring de microcontroladores, baseada em reuso de informações de projetos anteriores, é apresentada. Essa nova metodologia foi criada para a rápida prototipagem e para diminuir possíveis erros na geração do código do padring. Comparações de resultados de consumo de potência e área são apresentadas para o processador desenvolvido e resultados obtidos com a nova metodologia de geração de padring também são apresentados. Para o processador, um modelo, no qual se utilizam múltiplos barramentos para minimizar o número de ciclos de máquina por instrução, é apresentado. Também foram ressaltadas estruturas que podem ser otimizadas e circuitos que podem ser reaproveitados para diminuir a quantidade de circuito necessário na implementação. Por fim, a nova implementação é comparada com os três modelos anteriores; os ganhos obtidos de desempenho com a implementação dessas estruturas foram de 18% que, convertidos em consumo de potência, representam economia de 13% em relação ao melhor caso dos processadores comparados. A tecnologia utilizada no desenvolvimento dos processadores foi CMOS 250nm da TSMC.

Simulating spin systems on IANUS, an FPGA-based computer

We describe the hardwired implementation of algorithms for Monte Carlo simulations of a large class of spin models. We have implemented these algorithms as VHDL codes and we have mapped them onto a dedicated processor based on a large FPGA device. The measured performance on one such processor is comparable to O(100) carefully programmed high-end PCs: it turns out to be even better for some selected spin models. We describe here codes that we are currently executing on the IANUS massively parallel FPGA-based system.

Ianus: an adaptive FPGA computer

Dedicated machines designed for specific computational algorithms can outperform conventional computers by several orders of magnitude. In this note we describe Ianus, a new generation FPGA based machine and its basic features: hardware integration and wide reprogrammability. Our goal is to build a machine that can fully exploit the performance potential of new generation FPGA devices. We also plan a software platform which simplifies its programming, in order to extend its intended range of application to a wide class of interesting and computationally demanding problems. The decision to develop a dedicated processor is a complex one, involving careful assessment of its performance lead, during its expected lifetime, over traditional computers, taking into account their performance increase, as predicted by Moore’s law. We discuss this point in detail.