Primary stability in cementless total hip replacement: measurement techniques and aided-surgery

Primary stability of stems in cementless total hip replacements is recognized to play a critical role for long-term survival and thus for the success of the overall surgical procedure. In Literature, several studies addressed this important issue. Different approaches have been explored aiming to evaluate the extent of stability achieved during surgery. Some of these are in-vitro protocols while other tools are coinceived for the post-operative assessment of prosthesis migration relative to the host bone. In vitro protocols reported in the literature are not exportable to the operating room. Anyway most of them show a good overall accuracy. The RSA, EBRA and the radiographic analysis are currently used to check the healing process of the implanted femur at different follow-ups, evaluating implant migration, occurance of bone resorption or osteolysis at the interface. These methods are important for follow up and clinical study but do not assist the surgeon during implantation. At the time I started my Ph.D Study in Bioengineering, only one study had been undertaken to measure stability intra-operatively. No follow-up was presented to describe further results obtained with that device. In this scenario, it was believed that an instrument that could measure intra-operatively the stability achieved by an implanted stem would consistently improve the rate of success. This instrument should be accurate and should give to the surgeon during implantation a quick answer concerning the stability of the implanted stem. With this aim, an intra-operative device was designed, developed and validated. The device is meant to help the surgeon to decide how much to press-fit the implant. It is essentially made of a torsional load cell, able to measure the extent of torque applied by the surgeon to test primary stability, an angular sensor that measure the relative angular displacement between stem and femur, a rigid connector that enable connecting the device to the stem, and all the electronics for signals conditioning. The device was successfully validated in-vitro, showing a good overall accuracy in discriminating stable from unstable implants. Repeatability tests showed that the device was reliable. A calibration procedure was then performed in order to convert the angular readout into a linear displacement measurement, which is an information clinically relevant and simple to read in real-time by the surgeon. The second study reported in my thesis, concerns the evaluation of the possibility to have predictive information regarding the primary stability of a cementless stem, by measuring the micromotion of the last rasp used by the surgeon to prepare the femoral canal. This information would be really useful to the surgeon, who could check prior to the implantation process if the planned stem size can achieve a sufficient degree of primary stability, under optimal press fitting conditions. An intra-operative tool was developed to this aim. It was derived from a previously validated device, which was adapted for the specific purpose. The device is able to measure the relative micromotion between the femur and the rasp, when a torsional load is applied. An in-vitro protocol was developed and validated on both composite and cadaveric specimens. High correlation was observed between one of the parameters extracted form the acquisitions made on the rasp and the stability of the corresponding stem, when optimally press-fitted by the surgeon. After tuning in-vitro the protocol as in a closed loop, verification was made on two hip patients, confirming the results obtained in-vitro and highlighting the independence of the rasp indicator from the bone quality, anatomy and preserving conditions of the tested specimens, and from the sharpening of the rasp blades. The third study is related to an approach that have been recently explored in the orthopaedic community, but that was already in use in other scientific fields. It is based on the vibration analysis technique. This method has been successfully used to investigate the mechanical properties of the bone and its application to evaluate the extent of fixation of dental implants has been explored, even if its validity in this field is still under discussion. Several studies have been published recently on the stability assessment of hip implants by vibration analysis. The aim of the reported study was to develop and validate a prototype device based on the vibration analysis technique to measure intra-operatively the extent of implant stability. The expected advantages of a vibration-based device are easier clinical use, smaller dimensions and minor overall cost with respect to other devices based on direct micromotion measurement. The prototype developed consists of a piezoelectric exciter connected to the stem and an accelerometer attached to the femur. Preliminary tests were performed on four composite femurs implanted with a conventional stem. The results showed that the input signal was repeatable and the output could be recorded accurately. The fourth study concerns the application of the device based on the vibration analysis technique to several cases, considering both composite and cadaveric specimens. Different degrees of bone quality were tested, as well as different femur anatomies and several levels of press-fitting were considered. The aim of the study was to verify if it is possible to discriminate between stable and quasi-stable implants, because this is the most challenging detection for the surgeon in the operation room. Moreover, it was possible to validate the measurement protocol by comparing the results of the acquisitions made with the vibration-based tool to two reference measurements made by means of a validated technique, and a validated device. The results highlighted that the most sensitive parameter to stability is the shift in resonance frequency of the stem-bone system, showing high correlation with residual micromotion on all the tested specimens. Thus, it seems possible to discriminate between many levels of stability, from the grossly loosened implant, through the quasi-stable implants, to the definitely stable one. Finally, an additional study was performed on a different type of hip prosthesis, which has recently gained great interest thus becoming fairly popular in some countries in the last few years: the hip resurfacing prosthesis. The study was motivated by the following rationale: although bone-prosthesis micromotion is known to influence the stability of total hip replacement, its effect on the outcome of resurfacing implants has not been investigated in-vitro yet, but only clinically. Thus the work was aimed at verifying if it was possible to apply to the resurfacing prosthesis one of the intraoperative devices just validated for the measurement of the micromotion in the resurfacing implants. To do that, a preliminary study was performed in order to evaluate the extent of migration and the typical elastic movement for an epiphyseal prosthesis. An in-vitro procedure was developed to measure micromotions of resurfacing implants. This included a set of in-vitro loading scenarios that covers the range of directions covered by hip resultant forces in the most typical motor-tasks. The applicability of the protocol was assessed on two different commercial designs and on different head sizes. The repeatability and reproducibility were excellent (comparable to the best previously published protocols for standard cemented hip stems). Results showed that the procedure is accurate enough to detect micromotions of the order of few microns. The protocol proposed was thus completely validated. The results of the study demonstrated that the application of an intra-operative device to the resurfacing implants is not necessary, as the typical micromovement associated to this type of prosthesis could be considered negligible and thus not critical for the stabilization process. Concluding, four intra-operative tools have been developed and fully validated during these three years of research activity. The use in the clinical setting was tested for one of the devices, which could be used right now by the surgeon to evaluate the degree of stability achieved through the press-fitting procedure. The tool adapted to be used on the rasp was a good predictor of the stability of the stem. Thus it could be useful for the surgeon while checking if the pre-operative planning was correct. The device based on the vibration technique showed great accuracy, small dimensions, and thus has a great potential to become an instrument appreciated by the surgeon. It still need a clinical evaluation, and must be industrialized as well. The in-vitro tool worked very well, and can be applied for assessing resurfacing implants pre-clinically.

Content comparison of health-related quality of life instruments for COPD

BACKGROUND: Due to the increasing importance of quality of life assessments in chronic obstructive pulmonary disease (COPD) patients, and the increased use of the International Classification of Functioning, Disability and Health (ICF) for comparative purposes it is essential to understand the relationship between health-related quality of life (HRQL) instruments and the ICF. OBJECTIVE: The objective of this study was to compare the content of recommended COPD-specific HRQL instruments using the ICF as reference. COPD-specific instruments mentioned in widely accepted guidelines were linked to the ICF using standardized linking rules. The degree of agreement between various health professionals was assessed by calculating the kappa statistic. RESULTS: Eleven instruments were included. They varied strongly in the number of concepts contained and the number of ICF categories used to map these concepts. A total of 548 concepts were identified and linked to 60 different ICF categories. Only the single category 'dyspnea' was covered by all instruments, whilst 21 categories were unique to specific instruments. The relationships of the measures with the ICF were identified. CONCLUSIONS: This study may aid researchers and clinicians to choose the most appropriate instrument for a specific purpose as well as help compare studies that have used different instruments for HRQL assessment.

Content comparison of health-related quality of life instruments for obstructive sleep apnea

BACKGROUND AND PURPOSE: Due to the increasing importance of quality of life assessments in obstructive sleep apnea (OSA) patients and due to an increased use of the International Classification of Functioning, Disability and Health (ICF), for comparative purposes it is essential to understand the relationship between health-related quality of life (HRQOL) instruments and the ICF. The purpose of this study was to compare the content covered by OSA-specific instruments using the ICF. PATIENTS AND METHODS: OSA-specific instruments were identified, including the Calgary Sleep Apnea Quality of Life Index, the Functional Outcomes of Sleep Questionnaire, the Obstructive Sleep Apnea Patient-Oriented Severity Index, and the Quebec Sleep Questionnaire, and linked to the ICF by six health professionals according to standardized guidelines. The degree of agreement between health professionals was calculated by means of the kappa statistic. RESULTS: A total of 308 concepts were identified and linked to 78 different ICF categories; 35 categories of the component body function, one category of the component body structure, 38 categories of the component activities and participation, and four categories of the component environmental factors. Only contents within the chapters mental functions, mobility and social life were addressed by all instruments. Forty-seven categories were covered by only one instrument. CONCLUSION: The ICF proved highly useful for the comparison of HRQOL instruments. This analysis may help researchers and clinicians to choose the most appropriate HRQOL instrument for a specific purpose as well as help to compare study outcomes of studies using different instruments for HRQOL assessment.

Development of two real-time PCR assays for the detection of Mycoplasma hyopneumoniae in clinical samples

In order to improve the diagnosis of enzootic pneumonia (EP) in pigs two real-time polymerase chain reaction (rtPCR) assays for the detection of Mycoplasma hyopneumoniae in bronchial swabs from lung necropsies were established and validated in parallel. As a gold standard, the current "mosaic diagnosis" was taken, including epidemiological tracing, clinical signs, macro- and histopathological lesions of the lungs and immunofluorescence. One rtPCR is targeting a repeated DNA element of the M. hyopneumoniae genome (REP assay), the other a putative ABC transporter gene (ABC assay). Both assays were shown to be specific for M. hyopneumoniae and did not cross react with other bacteria and mollicutes from pig. With material from pigs of defined EP-negative farms the two assays showed to be 100% specific. When testing lungs from pig farms with EP, the REP assay detected 50% and the ABC assay 90% of the farms as positive. Both tests together detected all positive farms. Within a positive herd the two assays tested similarly with on average over 90% of the lung samples analysed from a single farm showing positive scores. A series of samples with suspicion of EP and samples from pigs with diseases other than respiratory taken from current routine diagnostic was assayed. None of the assays showed false positive results. The sensitivities in this sample group were 50% for the REP and 70% for the ABC assays and for both assays together 85%. The two assays run in parallel are therefore a valuable tool for the improvement of the current diagnosis of EP.

Diagnostic value of immunoassays for heparin-induced thrombocytopenia: a systematic review and meta-analysis.

Immunoassays are essential in the workup of patients with suspected heparin-induced thrombocytopenia. However, the diagnostic accuracy is uncertain with regard to different classes of assays, antibody specificities, thresholds, test variations, and manufacturers. We aimed to assess diagnostic accuracy measures of available immunoassays and to explore sources of heterogeneity. We performed comprehensive literature searches and applied strict inclusion criteria. Finally, 49 publications comprising 128 test evaluations in 15 199 patients were included in the analysis. Methodological quality according to the revised tool for quality assessment of diagnostic accuracy studies was moderate. Diagnostic accuracy measures were calculated with the unified model (comprising a bivariate random-effects model and a hierarchical summary receiver operating characteristics model). Important differences were observed between classes of immunoassays, type of antibody specificity, thresholds, application of confirmation step, and manufacturers. Combination of high sensitivity (>95%) and high specificity (>90%) was found in 5 tests only: polyspecific enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA) with intermediate threshold (Genetic Testing Institute, Asserachrom), particle gel immunoassay, lateral flow immunoassay, polyspecific chemiluminescent immunoassay (CLIA) with a high threshold, and immunoglobulin G (IgG)-specific CLIA with low threshold. Borderline results (sensitivity, 99.6%; specificity, 89.9%) were observed for IgG-specific Genetic Testing Institute-ELISA with low threshold. Diagnostic accuracy appears to be inadequate in tests with high thresholds (ELISA; IgG-specific CLIA), combination of IgG specificity and intermediate thresholds (ELISA, CLIA), high-dose heparin confirmation step (ELISA), and particle immunofiltration assay. When making treatment decisions, clinicians should be a aware of diagnostic characteristics of the tests used and it is recommended they estimate posttest probabilities according to likelihood ratios as well as pretest probabilities using clinical scoring tools.

¿Cómo analizar los fenómenos de contacto lingüístico? : Una propuesta para ver el árbol sin perder de vista el bosque

Este artículo tiene por objetivo principal contribuir a la discusión acerca de la necesidad de construir un marco teórico apropiado para el análisis de las situaciones de contacto lingüístico. Proponemos abordar el problema desde la teoría general del lenguaje para lo cual presentamos herramientas metodológicas acordes con el enfoque teórico que sustenta nuestro trabajo. Desde una concepción no apriorística del estudio del lenguaje, intentamos mostrar la importancia de los análisis basados en el uso real de las lenguas. Esta concepción metodológica del análisis lingüístico otorga un lugar central al estudio de la variación sintáctica, relevante para el conocimiento de los fenómenos de contacto de lenguas, de conformación de variedades y de cambio lingüístico. Por último, presentamos el aporte sustancial que reviste la validación cualitativa y cuantitativa de los datos desde un enfoque como el aquí planteado

¿Cómo analizar los fenómenos de contacto lingüístico? : Una propuesta para ver el árbol sin perder de vista el bosque

Este artículo tiene por objetivo principal contribuir a la discusión acerca de la necesidad de construir un marco teórico apropiado para el análisis de las situaciones de contacto lingüístico. Proponemos abordar el problema desde la teoría general del lenguaje para lo cual presentamos herramientas metodológicas acordes con el enfoque teórico que sustenta nuestro trabajo. Desde una concepción no apriorística del estudio del lenguaje, intentamos mostrar la importancia de los análisis basados en el uso real de las lenguas. Esta concepción metodológica del análisis lingüístico otorga un lugar central al estudio de la variación sintáctica, relevante para el conocimiento de los fenómenos de contacto de lenguas, de conformación de variedades y de cambio lingüístico. Por último, presentamos el aporte sustancial que reviste la validación cualitativa y cuantitativa de los datos desde un enfoque como el aquí planteado

¿Cómo analizar los fenómenos de contacto lingüístico? : Una propuesta para ver el árbol sin perder de vista el bosque

Este artículo tiene por objetivo principal contribuir a la discusión acerca de la necesidad de construir un marco teórico apropiado para el análisis de las situaciones de contacto lingüístico. Proponemos abordar el problema desde la teoría general del lenguaje para lo cual presentamos herramientas metodológicas acordes con el enfoque teórico que sustenta nuestro trabajo. Desde una concepción no apriorística del estudio del lenguaje, intentamos mostrar la importancia de los análisis basados en el uso real de las lenguas. Esta concepción metodológica del análisis lingüístico otorga un lugar central al estudio de la variación sintáctica, relevante para el conocimiento de los fenómenos de contacto de lenguas, de conformación de variedades y de cambio lingüístico. Por último, presentamos el aporte sustancial que reviste la validación cualitativa y cuantitativa de los datos desde un enfoque como el aquí planteado

Criterios de optimización de los incentivos en contratos de concesión ligados a indicadores de calidad de servicio para firmes bituminosos

Actualmente se está empezando a consolidar una nueva forma de gestionar la conservación y mantenimiento de la red viaria de las Administraciones Públicas, basándose en contratos de colaboración público-privadas (PPP). Las motivaciones que están provocando este movimiento son de diversa índole. Por un lado, en el seno de la Unión Europea, existen serias restricciones presupuestarias debido al alto endeudamiento del sector público, lo que está llevando a buscar la forma óptima de disminuir el endeudamiento público, sin dejar de prestar servicios a la sociedad como la conservación y mantenimiento de las redes viarias. Por esta vertiente, se trata de convertir contratos convencionales de conservación viaria a esquemas de colaboración público-privada, donde se transferiría al sector privado el riesgo de disponibilidad de la vía mediante el uso de indicadores de calidad y servicio. Con esta transferencia de riesgo, junto con la transferencia del riesgo de demanda/construcción, no consolidaría la deuda de la sociedad de propósito específico constituida para la gestión del contrato de colaboración público-privada dentro de las cuentas públicas, con lo que se conseguiría no aumentar el déficit público, permitiendo continuar ofreciendo el servicio demandado por la sociedad. Por otro lado, la segunda motivación del desarrollo de este tipo de contratos, no tan economicista como la anterior y más enfocada a la gestión, se trata de utilizar los contratos de gestión basados en el uso de indicadores de calidad de servicio para mejorar las prestaciones de la red viaria competencia de una Administración. Con el uso de estos indicadores, el gestor tiene una herramienta muy útil para controlar la actividad del sector privado y asegurar que se ofrece un buen servicio. En la presente tesis, la investigación se ha centrado más en la vertiente de los indicadores de calidad relacionados con la gestión eficiente de las vías objeto de conservación y mantenimiento mediante el empleo de contratos de gestión privada que utilicen este tipo de herramientas de control, monitorización y gestión. En una primera parte, la presente tesis estudia el estado de la red de carreteras, referido principalmente a España, comparando su estado con el resto de redes de carreteras de Europa, detectando las principales carencias de la misma, sobre todo en cuanto a la gestión y conservación de firmes. En un segundo bloque, la tesis analiza el estado del arte de los nuevos procedimientos de gestión de la conservación y mantenimiento basados en indicadores de calidad del servicio en el mundo, destacándose que se trata de un tema relativamente reciente, con gran interés para el sector de la gestión y financiación de infraestructuras viarias. Al ser tan novedoso, por la falta de experiencias previas, las distintas Administración, tanto propias como foráneas, han pecado de un exceso de celo a la hora de establecer los umbrales sobre los que giran los distintos indicadores de calidad de servicio que permiten controlar la gestión de la conservación y mantenimiento de la vía. Partiendo de la labor de análisis descrita, la tesis realiza una investigación más detallada de los indicadores de calidad de servicio correspondientes a firmes bituminosos, debido a que estos indicadores son los más delicados y decisivos a la hora de realizar una correcta gestión de la vía a largo plazo. Dentro de los indicadores de firmes bituminosos, se ha realizado un modelo específico de evolución de comportamiento a lo largo del tiempo de la regularidad superficial, parámetro básico para numerosas Administraciones y organismos investigadores para poder conocer la evolución de un firme a lo largo del tiempo. A esta metodología se le ha dado el nombre de Modelo JRB para evaluar la racionalidad económica de indicadores de calidad asociados a parámetros de firmes. El modelo propuesto básicamente evalúa el valor óptimo desde la perspectiva económica que ha de tener el parámetro técnico que defina alguna propiedad del firme, aplicado a la definición de los indicadores de calidad de servicio. Esta visión del valor umbral del indicador deja a un lado consideraciones de equidad o de cualquier otra índole, basándose más en una visión económica. La metodología del Modelo JRB se puede aplicar a cualquier indicador de calidad relacionado con firmes, ya que lo que se obtiene es el valor óptimo económico que debería tener el umbral del indicador de calidad. El Modelo JRB consta de varias fases. En las primeras etapas el Modelo realiza el cálculo de los costes totales de transporte utilizando como herramienta el software HDM-IV desarrollado por el Banco Mundial. En etapas posteriores, el Modelo realiza análisis de sensibilidad para distintas propuestas de sección de firme, intensidades de tráfico y restricciones al parámetro técnico que define el indicador de calidad de servicio. Como ejercicio práctico de cara a contrastar la metodología del Modelo JRB se ha realizado un Caso de Estudio. Se ha tomado un tramo teórico, con características similares a la red de carreteras española, y con una flota vehicular similar a la española, donde se ha elegido como indicador de calidad la regularidad superficial (IRI). Con las sensibilidades realizadas con el Modelo JRB, se ha determinado el rango de valores que debería tener un indicador de calidad basado en el IRI para que dichos valores fueran óptimos desde la perspectiva económica Nowadays is becoming a new way to manage O&M (operation and maintenance) in public road networks, based on PPP contracts (public-private partnership). There are several issues which are driving this trend. On the one hand, EU (European Union) has serious budgetary constraints due to the high public sector borrowing. EU politicians are looking for the best way to reduce public debt, keeping services to society such as O&M of road networks. For this aspect, conventional O&M contracts are switching to PPP scenarios, where availability risk would be transfer to private sector using PI (performance indicators), along with demand risk transfer With this risk transference, along with the transfer of demand/construction risk, SPV (specific purpose vehicle) debt doesn’t consolidate in public accounts, so deficit wouldn’t increase, allowing the continuation of services demanded by society. On the other hand, the second motivation for developing this kind of contracts, not so economist as above and more focused to management, it is about using O&M contracts based on the use of PI to improve road network maintenance. Using these indicators, manager has a very useful tool to monitor private sector activity and ensure that it is provided a good service. In this thesis, the research has been focused on PI quality aspect, related with efficient management of PPP contracts for roads, which use these tools for control, monitoring and management. In the first part, this thesis examines the state of road network, based mainly in Spain, comparing with other road networks in Europe, identifying the main gaps in it, especially with regard to the management and maintenance of pavements. In a second block, the thesis analyzes the state of art of new O&M contracts based on PI in the world, emphasizing that they are relatively recent. These kinds of contracts have a great interest in road management and financing sector. Administrations all around the world have launch tenders with very exigent PI thresholds due to several factors: this knowledge is a new area, the lack of previous experiences and the variety of Administrations which have bid these contracts. Building on the described analysis, thesis develops a more detailed research about PI for bituminous pavements, because these PI are the most delicate and decisive in making a proper long term road management. Among bituminous pavements PI, IRI (International Roughness Index) has been analyzed with more detail and has been developed a specific model of behaviour evolution over time for evenness (IRI), basic parameter for many administrations and research departments in order to know the evolution of a pavement over time. This methodology has been given the name of JRB Model to evaluate the economic rationality of performance indicators associated with pavements parameters. The proposed model basically evaluates the optimal value from an economic perspective it must have the technical parameter which defines some pavement characteristic applied to the definition of performance indicators. This point of view of indicator value threshold sets aside justice considerations or otherwise, based more on an economic perspective. JRB Model methodology can be applied to any performance indicator associated to pavements, because what you get is the economic optimum threshold should have the performance indicator. JRB Model consists of several phases. In the early stages, the Model calculates transport total cost using HDM-IV software, developed by the World Bank, as a tool. In later stages, the Model performs sensitivity analyzes for different pavement section, AADT and restrictions to the technical parameter which defines the performance indicator. As a practical exercise to test JRB Model methodology, it has done a Case Study. It has taken a theoretical section, with similar characteristics to Spanish road network, and a vehicles fleet similar to Spanish. Evenness (IRI) was chosen as a performance indicator. JRB Model calculated some sensitivities, which were useful to determined thresholds range for pavement performance indicators based on IRI to be optimal from an economic perspective.

Transformation�based implementation and optimization of programs exploiting the basic Andorra model.

The characteristics of CC and CLP systems are in principle very dierent However a recent trend towards convergence in the implementation techniques for these systems can be observed While CLP and Prolog systems have been incorporating capabilities to deal with userdened suspension and coroutining CC compilers have been trying to coalesce negrained tasks into coarsergrained sequential threads This convergence of techniques opens up the possibility of having a general purpose kernel language and abstract machine to serve as a compilation target for a variety of userlevel languages We propose a transformation technique directed towards such an objective In particular we report on techniques to support the Andorra computational model essentially emulating the AndorraI system via program transformation into a sequential language with delay primitives The system is automatic comprising an optional program analyzer and a basic transformer to the kernel language It turns out that a simple parallel CLP or Prolog system with dynamic scheduling is sucient as a kernel language for this purpose The preliminary results are quite encouraging performance of the resulting system is comparable to the current AndorraI implementation.

Run-Time Scalable Hardware for Reconfigurable Systems

La optimización de parámetros tales como el consumo de potencia, la cantidad de recursos lógicos empleados o la ocupación de memoria ha sido siempre una de las preocupaciones principales a la hora de diseñar sistemas embebidos. Esto es debido a que se trata de sistemas dotados de una cantidad de recursos limitados, y que han sido tradicionalmente empleados para un propósito específico, que permanece invariable a lo largo de toda la vida útil del sistema. Sin embargo, el uso de sistemas embebidos se ha extendido a áreas de aplicación fuera de su ámbito tradicional, caracterizadas por una mayor demanda computacional. Así, por ejemplo, algunos de estos sistemas deben llevar a cabo un intenso procesado de señales multimedia o la transmisión de datos mediante sistemas de comunicaciones de alta capacidad. Por otra parte, las condiciones de operación del sistema pueden variar en tiempo real. Esto sucede, por ejemplo, si su funcionamiento depende de datos medidos por el propio sistema o recibidos a través de la red, de las demandas del usuario en cada momento, o de condiciones internas del propio dispositivo, tales como la duración de la batería. Como consecuencia de la existencia de requisitos de operación dinámicos es necesario ir hacia una gestión dinámica de los recursos del sistema. Si bien el software es inherentemente flexible, no ofrece una potencia computacional tan alta como el hardware. Por lo tanto, el hardware reconfigurable aparece como una solución adecuada para tratar con mayor flexibilidad los requisitos variables dinámicamente en sistemas con alta demanda computacional. La flexibilidad y adaptabilidad del hardware requieren de dispositivos reconfigurables que permitan la modificación de su funcionalidad bajo demanda. En esta tesis se han seleccionado las FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) como los dispositivos más apropiados, hoy en día, para implementar sistemas basados en hardware reconfigurable De entre todas las posibilidades existentes para explotar la capacidad de reconfiguración de las FPGAs comerciales, se ha seleccionado la reconfiguración dinámica y parcial. Esta técnica consiste en substituir una parte de la lógica del dispositivo, mientras el resto continúa en funcionamiento. La capacidad de reconfiguración dinámica y parcial de las FPGAs es empleada en esta tesis para tratar con los requisitos de flexibilidad y de capacidad computacional que demandan los dispositivos embebidos. La propuesta principal de esta tesis doctoral es el uso de arquitecturas de procesamiento escalables espacialmente, que son capaces de adaptar su funcionalidad y rendimiento en tiempo real, estableciendo un compromiso entre dichos parámetros y la cantidad de lógica que ocupan en el dispositivo. A esto nos referimos con arquitecturas con huellas escalables. En particular, se propone el uso de arquitecturas altamente paralelas, modulares, regulares y con una alta localidad en sus comunicaciones, para este propósito. El tamaño de dichas arquitecturas puede ser modificado mediante la adición o eliminación de algunos de los módulos que las componen, tanto en una dimensión como en dos. Esta estrategia permite implementar soluciones escalables, sin tener que contar con una versión de las mismas para cada uno de los tamaños posibles de la arquitectura. De esta manera se reduce significativamente el tiempo necesario para modificar su tamaño, así como la cantidad de memoria necesaria para almacenar todos los archivos de configuración. En lugar de proponer arquitecturas para aplicaciones específicas, se ha optado por patrones de procesamiento genéricos, que pueden ser ajustados para solucionar distintos problemas en el estado del arte. A este respecto, se proponen patrones basados en esquemas sistólicos, así como de tipo wavefront. Con el objeto de poder ofrecer una solución integral, se han tratado otros aspectos relacionados con el diseño y el funcionamiento de las arquitecturas, tales como el control del proceso de reconfiguración de la FPGA, la integración de las arquitecturas en el resto del sistema, así como las técnicas necesarias para su implementación. Por lo que respecta a la implementación, se han tratado distintos aspectos de bajo nivel dependientes del dispositivo. Algunas de las propuestas realizadas a este respecto en la presente tesis doctoral son un router que es capaz de garantizar el correcto rutado de los módulos reconfigurables dentro del área destinada para ellos, así como una estrategia para la comunicación entre módulos que no introduce ningún retardo ni necesita emplear recursos configurables del dispositivo. El flujo de diseño propuesto se ha automatizado mediante una herramienta denominada DREAMS. La herramienta se encarga de la modificación de las netlists correspondientes a cada uno de los módulos reconfigurables del sistema, y que han sido generadas previamente mediante herramientas comerciales. Por lo tanto, el flujo propuesto se entiende como una etapa de post-procesamiento, que adapta esas netlists a los requisitos de la reconfiguración dinámica y parcial. Dicha modificación la lleva a cabo la herramienta de una forma completamente automática, por lo que la productividad del proceso de diseño aumenta de forma evidente. Para facilitar dicho proceso, se ha dotado a la herramienta de una interfaz gráfica. El flujo de diseño propuesto, y la herramienta que lo soporta, tienen características específicas para abordar el diseño de las arquitecturas dinámicamente escalables propuestas en esta tesis. Entre ellas está el soporte para el realojamiento de módulos reconfigurables en posiciones del dispositivo distintas a donde el módulo es originalmente implementado, así como la generación de estructuras de comunicación compatibles con la simetría de la arquitectura. El router has sido empleado también en esta tesis para obtener un rutado simétrico entre nets equivalentes. Dicha posibilidad ha sido explotada para aumentar la protección de circuitos con altos requisitos de seguridad, frente a ataques de canal lateral, mediante la implantación de lógica complementaria con rutado idéntico. Para controlar el proceso de reconfiguración de la FPGA, se propone en esta tesis un motor de reconfiguración especialmente adaptado a los requisitos de las arquitecturas dinámicamente escalables. Además de controlar el puerto de reconfiguración, el motor de reconfiguración ha sido dotado de la capacidad de realojar módulos reconfigurables en posiciones arbitrarias del dispositivo, en tiempo real. De esta forma, basta con generar un único bitstream por cada módulo reconfigurable del sistema, independientemente de la posición donde va a ser finalmente reconfigurado. La estrategia seguida para implementar el proceso de realojamiento de módulos es diferente de las propuestas existentes en el estado del arte, pues consiste en la composición de los archivos de configuración en tiempo real. De esta forma se consigue aumentar la velocidad del proceso, mientras que se reduce la longitud de los archivos de configuración parciales a almacenar en el sistema. El motor de reconfiguración soporta módulos reconfigurables con una altura menor que la altura de una región de reloj del dispositivo. Internamente, el motor se encarga de la combinación de los frames que describen el nuevo módulo, con la configuración existente en el dispositivo previamente. El escalado de las arquitecturas de procesamiento propuestas en esta tesis también se puede beneficiar de este mecanismo. Se ha incorporado también un acceso directo a una memoria externa donde se pueden almacenar bitstreams parciales. Para acelerar el proceso de reconfiguración se ha hecho funcionar el ICAP por encima de la máxima frecuencia de reloj aconsejada por el fabricante. Así, en el caso de Virtex-5, aunque la máxima frecuencia del reloj deberían ser 100 MHz, se ha conseguido hacer funcionar el puerto de reconfiguración a frecuencias de operación de hasta 250 MHz, incluyendo el proceso de realojamiento en tiempo real. Se ha previsto la posibilidad de portar el motor de reconfiguración a futuras familias de FPGAs. Por otro lado, el motor de reconfiguración se puede emplear para inyectar fallos en el propio dispositivo hardware, y así ser capaces de evaluar la tolerancia ante los mismos que ofrecen las arquitecturas reconfigurables. Los fallos son emulados mediante la generación de archivos de configuración a los que intencionadamente se les ha introducido un error, de forma que se modifica su funcionalidad. Con el objetivo de comprobar la validez y los beneficios de las arquitecturas propuestas en esta tesis, se han seguido dos líneas principales de aplicación. En primer lugar, se propone su uso como parte de una plataforma adaptativa basada en hardware evolutivo, con capacidad de escalabilidad, adaptabilidad y recuperación ante fallos. En segundo lugar, se ha desarrollado un deblocking filter escalable, adaptado a la codificación de vídeo escalable, como ejemplo de aplicación de las arquitecturas de tipo wavefront propuestas. El hardware evolutivo consiste en el uso de algoritmos evolutivos para diseñar hardware de forma autónoma, explotando la flexibilidad que ofrecen los dispositivos reconfigurables. En este caso, los elementos de procesamiento que componen la arquitectura son seleccionados de una biblioteca de elementos presintetizados, de acuerdo con las decisiones tomadas por el algoritmo evolutivo, en lugar de definir la configuración de las mismas en tiempo de diseño. De esta manera, la configuración del core puede cambiar cuando lo hacen las condiciones del entorno, en tiempo real, por lo que se consigue un control autónomo del proceso de reconfiguración dinámico. Así, el sistema es capaz de optimizar, de forma autónoma, su propia configuración. El hardware evolutivo tiene una capacidad inherente de auto-reparación. Se ha probado que las arquitecturas evolutivas propuestas en esta tesis son tolerantes ante fallos, tanto transitorios, como permanentes y acumulativos. La plataforma evolutiva se ha empleado para implementar filtros de eliminación de ruido. La escalabilidad también ha sido aprovechada en esta aplicación. Las arquitecturas evolutivas escalables permiten la adaptación autónoma de los cores de procesamiento ante fluctuaciones en la cantidad de recursos disponibles en el sistema. Por lo tanto, constituyen un ejemplo de escalabilidad dinámica para conseguir un determinado nivel de calidad, que puede variar en tiempo real. Se han propuesto dos variantes de sistemas escalables evolutivos. El primero consiste en un único core de procesamiento evolutivo, mientras que el segundo está formado por un número variable de arrays de procesamiento. La codificación de vídeo escalable, a diferencia de los codecs no escalables, permite la decodificación de secuencias de vídeo con diferentes niveles de calidad, de resolución temporal o de resolución espacial, descartando la información no deseada. Existen distintos algoritmos que soportan esta característica. En particular, se va a emplear el estándar Scalable Video Coding (SVC), que ha sido propuesto como una extensión de H.264/AVC, ya que este último es ampliamente utilizado tanto en la industria, como a nivel de investigación. Para poder explotar toda la flexibilidad que ofrece el estándar, hay que permitir la adaptación de las características del decodificador en tiempo real. El uso de las arquitecturas dinámicamente escalables es propuesto en esta tesis con este objetivo. El deblocking filter es un algoritmo que tiene como objetivo la mejora de la percepción visual de la imagen reconstruida, mediante el suavizado de los "artefactos" de bloque generados en el lazo del codificador. Se trata de una de las tareas más intensivas en procesamiento de datos de H.264/AVC y de SVC, y además, su carga computacional es altamente dependiente del nivel de escalabilidad seleccionado en el decodificador. Por lo tanto, el deblocking filter ha sido seleccionado como prueba de concepto de la aplicación de las arquitecturas dinámicamente escalables para la compresión de video. La arquitectura propuesta permite añadir o eliminar unidades de computación, siguiendo un esquema de tipo wavefront. La arquitectura ha sido propuesta conjuntamente con un esquema de procesamiento en paralelo del deblocking filter a nivel de macrobloque, de tal forma que cuando se varía del tamaño de la arquitectura, el orden de filtrado de los macrobloques varia de la misma manera. El patrón propuesto se basa en la división del procesamiento de cada macrobloque en dos etapas independientes, que se corresponden con el filtrado horizontal y vertical de los bloques dentro del macrobloque. Las principales contribuciones originales de esta tesis son las siguientes: - El uso de arquitecturas altamente regulares, modulares, paralelas y con una intensa localidad en sus comunicaciones, para implementar cores de procesamiento dinámicamente reconfigurables. - El uso de arquitecturas bidimensionales, en forma de malla, para construir arquitecturas dinámicamente escalables, con una huella escalable. De esta forma, las arquitecturas permiten establecer un compromiso entre el área que ocupan en el dispositivo, y las prestaciones que ofrecen en cada momento. Se proponen plantillas de procesamiento genéricas, de tipo sistólico o wavefront, que pueden ser adaptadas a distintos problemas de procesamiento. - Un flujo de diseño y una herramienta que lo soporta, para el diseño de sistemas reconfigurables dinámicamente, centradas en el diseño de las arquitecturas altamente paralelas, modulares y regulares propuestas en esta tesis. - Un esquema de comunicaciones entre módulos reconfigurables que no introduce ningún retardo ni requiere el uso de recursos lógicos propios. - Un router flexible, capaz de resolver los conflictos de rutado asociados con el diseño de sistemas reconfigurables dinámicamente. - Un algoritmo de optimización para sistemas formados por múltiples cores escalables que optimice, mediante un algoritmo genético, los parámetros de dicho sistema. Se basa en un modelo conocido como el problema de la mochila. - Un motor de reconfiguración adaptado a los requisitos de las arquitecturas altamente regulares y modulares. Combina una alta velocidad de reconfiguración, con la capacidad de realojar módulos en tiempo real, incluyendo el soporte para la reconfiguración de regiones que ocupan menos que una región de reloj, así como la réplica de un módulo reconfigurable en múltiples posiciones del dispositivo. - Un mecanismo de inyección de fallos que, empleando el motor de reconfiguración del sistema, permite evaluar los efectos de fallos permanentes y transitorios en arquitecturas reconfigurables. - La demostración de las posibilidades de las arquitecturas propuestas en esta tesis para la implementación de sistemas de hardware evolutivos, con una alta capacidad de procesamiento de datos. - La implementación de sistemas de hardware evolutivo escalables, que son capaces de tratar con la fluctuación de la cantidad de recursos disponibles en el sistema, de una forma autónoma. - Una estrategia de procesamiento en paralelo para el deblocking filter compatible con los estándares H.264/AVC y SVC que reduce el número de ciclos de macrobloque necesarios para procesar un frame de video. - Una arquitectura dinámicamente escalable que permite la implementación de un nuevo deblocking filter, totalmente compatible con los estándares H.264/AVC y SVC, que explota el paralelismo a nivel de macrobloque. El presente documento se organiza en siete capítulos. En el primero se ofrece una introducción al marco tecnológico de esta tesis, especialmente centrado en la reconfiguración dinámica y parcial de FPGAs. También se motiva la necesidad de las arquitecturas dinámicamente escalables propuestas en esta tesis. En el capítulo 2 se describen las arquitecturas dinámicamente escalables. Dicha descripción incluye la mayor parte de las aportaciones a nivel arquitectural realizadas en esta tesis. Por su parte, el flujo de diseño adaptado a dichas arquitecturas se propone en el capítulo 3. El motor de reconfiguración se propone en el 4, mientras que el uso de dichas arquitecturas para implementar sistemas de hardware evolutivo se aborda en el 5. El deblocking filter escalable se describe en el 6, mientras que las conclusiones finales de esta tesis, así como la descripción del trabajo futuro, son abordadas en el capítulo 7. ABSTRACT The optimization of system parameters, such as power dissipation, the amount of hardware resources and the memory footprint, has been always a main concern when dealing with the design of resource-constrained embedded systems. This situation is even more demanding nowadays. Embedded systems cannot anymore be considered only as specific-purpose computers, designed for a particular functionality that remains unchanged during their lifetime. Differently, embedded systems are now required to deal with more demanding and complex functions, such as multimedia data processing and high-throughput connectivity. In addition, system operation may depend on external data, the user requirements or internal variables of the system, such as the battery life-time. All these conditions may vary at run-time, leading to adaptive scenarios. As a consequence of both the growing computational complexity and the existence of dynamic requirements, dynamic resource management techniques for embedded systems are needed. Software is inherently flexible, but it cannot meet the computing power offered by hardware solutions. Therefore, reconfigurable hardware emerges as a suitable technology to deal with the run-time variable requirements of complex embedded systems. Adaptive hardware requires the use of reconfigurable devices, where its functionality can be modified on demand. In this thesis, Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) have been selected as the most appropriate commercial technology existing nowadays to implement adaptive hardware systems. There are different ways of exploiting reconfigurability in reconfigurable devices. Among them is dynamic and partial reconfiguration. This is a technique which consists in substituting part of the FPGA logic on demand, while the rest of the device continues working. The strategy followed in this thesis is to exploit the dynamic and partial reconfiguration of commercial FPGAs to deal with the flexibility and complexity demands of state-of-the-art embedded systems. The proposal of this thesis to deal with run-time variable system conditions is the use of spatially scalable processing hardware IP cores, which are able to adapt their functionality or performance at run-time, trading them off with the amount of logic resources they occupy in the device. This is referred to as a scalable footprint in the context of this thesis. The distinguishing characteristic of the proposed cores is that they rely on highly parallel, modular and regular architectures, arranged in one or two dimensions. These architectures can be scaled by means of the addition or removal of the composing blocks. This strategy avoids implementing a full version of the core for each possible size, with the corresponding benefits in terms of scaling and adaptation time, as well as bitstream storage memory requirements. Instead of providing specific-purpose architectures, generic architectural templates, which can be tuned to solve different problems, are proposed in this thesis. Architectures following both systolic and wavefront templates have been selected. Together with the proposed scalable architectural templates, other issues needed to ensure the proper design and operation of the scalable cores, such as the device reconfiguration control, the run-time management of the architecture and the implementation techniques have been also addressed in this thesis. With regard to the implementation of dynamically reconfigurable architectures, device dependent low-level details are addressed. Some of the aspects covered in this thesis are the area constrained routing for reconfigurable modules, or an inter-module communication strategy which does not introduce either extra delay or logic overhead. The system implementation, from the hardware description to the device configuration bitstream, has been fully automated by modifying the netlists corresponding to each of the system modules, which are previously generated using the vendor tools. This modification is therefore envisaged as a post-processing step. Based on these implementation proposals, a design tool called DREAMS (Dynamically Reconfigurable Embedded and Modular Systems) has been created, including a graphic user interface. The tool has specific features to cope with modular and regular architectures, including the support for module relocation and the inter-module communications scheme based on the symmetry of the architecture. The core of the tool is a custom router, which has been also exploited in this thesis to obtain symmetric routed nets, with the aim of enhancing the protection of critical reconfigurable circuits against side channel attacks. This is achieved by duplicating the logic with an exactly equal routing. In order to control the reconfiguration process of the FPGA, a Reconfiguration Engine suited to the specific requirements set by the proposed architectures was also proposed. Therefore, in addition to controlling the reconfiguration port, the Reconfiguration Engine has been enhanced with the online relocation ability, which allows employing a unique configuration bitstream for all the positions where the module may be placed in the device. Differently to the existing relocating solutions, which are based on bitstream parsers, the proposed approach is based on the online composition of bitstreams. This strategy allows increasing the speed of the process, while the length of partial bitstreams is also reduced. The height of the reconfigurable modules can be lower than the height of a clock region. The Reconfiguration Engine manages the merging process of the new and the existing configuration frames within each clock region. The process of scaling up and down the hardware cores also benefits from this technique. A direct link to an external memory where partial bitstreams can be stored has been also implemented. In order to accelerate the reconfiguration process, the ICAP has been overclocked over the speed reported by the manufacturer. In the case of Virtex-5, even though the maximum frequency of the ICAP is reported to be 100 MHz, valid operations at 250 MHz have been achieved, including the online relocation process. Portability of the reconfiguration solution to today's and probably, future FPGAs, has been also considered. The reconfiguration engine can be also used to inject faults in real hardware devices, and this way being able to evaluate the fault tolerance offered by the reconfigurable architectures. Faults are emulated by introducing partial bitstreams intentionally modified to provide erroneous functionality. To prove the validity and the benefits offered by the proposed architectures, two demonstration application lines have been envisaged. First, scalable architectures have been employed to develop an evolvable hardware platform with adaptability, fault tolerance and scalability properties. Second, they have been used to implement a scalable deblocking filter suited to scalable video coding. Evolvable Hardware is the use of evolutionary algorithms to design hardware in an autonomous way, exploiting the flexibility offered by reconfigurable devices. In this case, processing elements composing the architecture are selected from a presynthesized library of processing elements, according to the decisions taken by the algorithm, instead of being decided at design time. This way, the configuration of the array may change as run-time environmental conditions do, achieving autonomous control of the dynamic reconfiguration process. Thus, the self-optimization property is added to the native self-configurability of the dynamically scalable architectures. In addition, evolvable hardware adaptability inherently offers self-healing features. The proposal has proved to be self-tolerant, since it is able to self-recover from both transient and cumulative permanent faults. The proposed evolvable architecture has been used to implement noise removal image filters. Scalability has been also exploited in this application. Scalable evolvable hardware architectures allow the autonomous adaptation of the processing cores to a fluctuating amount of resources available in the system. Thus, it constitutes an example of the dynamic quality scalability tackled in this thesis. Two variants have been proposed. The first one consists in a single dynamically scalable evolvable core, and the second one contains a variable number of processing cores. Scalable video is a flexible approach for video compression, which offers scalability at different levels. Differently to non-scalable codecs, a scalable video bitstream can be decoded with different levels of quality, spatial or temporal resolutions, by discarding the undesired information. The interest in this technology has been fostered by the development of the Scalable Video Coding (SVC) standard, as an extension of H.264/AVC. In order to exploit all the flexibility offered by the standard, it is necessary to adapt the characteristics of the decoder to the requirements of each client during run-time. The use of dynamically scalable architectures is proposed in this thesis with this aim. The deblocking filter algorithm is the responsible of improving the visual perception of a reconstructed image, by smoothing blocking artifacts generated in the encoding loop. This is one of the most computationally intensive tasks of the standard, and furthermore, it is highly dependent on the selected scalability level in the decoder. Therefore, the deblocking filter has been selected as a proof of concept of the implementation of dynamically scalable architectures for video compression. The proposed architecture allows the run-time addition or removal of computational units working in parallel to change its level of parallelism, following a wavefront computational pattern. Scalable architecture is offered together with a scalable parallelization strategy at the macroblock level, such that when the size of the architecture changes, the macroblock filtering order is modified accordingly. The proposed pattern is based on the division of the macroblock processing into two independent stages, corresponding to the horizontal and vertical filtering of the blocks within the macroblock. The main contributions of this thesis are: - The use of highly parallel, modular, regular and local architectures to implement dynamically reconfigurable processing IP cores, for data intensive applications with flexibility requirements. - The use of two-dimensional mesh-type arrays as architectural templates to build dynamically reconfigurable IP cores, with a scalable footprint. The proposal consists in generic architectural templates, which can be tuned to solve different computational problems. •A design flow and a tool targeting the design of DPR systems, focused on highly parallel, modular and local architectures. - An inter-module communication strategy, which does not introduce delay or area overhead, named Virtual Borders. - A custom and flexible router to solve the routing conflicts as well as the inter-module communication problems, appearing during the design of DPR systems. - An algorithm addressing the optimization of systems composed of multiple scalable cores, which size can be decided individually, to optimize the system parameters. It is based on a model known as the multi-dimensional multi-choice Knapsack problem. - A reconfiguration engine tailored to the requirements of highly regular and modular architectures. It combines a high reconfiguration throughput with run-time module relocation capabilities, including the support for sub-clock reconfigurable regions and the replication in multiple positions. - A fault injection mechanism which takes advantage of the system reconfiguration engine, as well as the modularity of the proposed reconfigurable architectures, to evaluate the effects of transient and permanent faults in these architectures. - The demonstration of the possibilities of the architectures proposed in this thesis to implement evolvable hardware systems, while keeping a high processing throughput. - The implementation of scalable evolvable hardware systems, which are able to adapt to the fluctuation of the amount of resources available in the system, in an autonomous way. - A parallelization strategy for the H.264/AVC and SVC deblocking filter, which reduces the number of macroblock cycles needed to process the whole frame. - A dynamically scalable architecture that permits the implementation of a novel deblocking filter module, fully compliant with the H.264/AVC and SVC standards, which exploits the macroblock level parallelism of the algorithm. This document is organized in seven chapters. In the first one, an introduction to the technology framework of this thesis, specially focused on dynamic and partial reconfiguration, is provided. The need for the dynamically scalable processing architectures proposed in this work is also motivated in this chapter. In chapter 2, dynamically scalable architectures are described. Description includes most of the architectural contributions of this work. The design flow tailored to the scalable architectures, together with the DREAMs tool provided to implement them, are described in chapter 3. The reconfiguration engine is described in chapter 4. The use of the proposed scalable archtieectures to implement evolvable hardware systems is described in chapter 5, while the scalable deblocking filter is described in chapter 6. Final conclusions of this thesis, and the description of future work, are addressed in chapter 7.

Editor web de conexiones para la creación visual de aplicaciones composicionales mediante mashup

A lo largo de este documento se describe el trabajo llevado a cabo para el logro de todos objetivos de este Trabajo Fin de Grado, el cual tiene como objetivo principal la mejora de la herramienta de edición de las conexiones internas de un mashup proporcionada actualmente por la plataforma web WireCloud. WireCloud es una plataforma web centrada en la construcción visual de mashups de aplicaciones a partir de la interconexión de pequeñas aplicaciones web denominadas widgets. Los principales inconvenientes presentes en el actual editor de conexiones que incluye esta plataforma afectan principalmente a sus usuarios con poca experiencia en diseño web. Estos usuarios tienen dificultades a la hora de interpretar el esquema de conexiones de un mashup ajeno y también, de crear el esquema de conexiones de un mashup propio. La mejora realizada supone un cambio en la metáfora utilizada para la creación de las conexiones, que ahora se organiza en torno a unidades conceptuales denominadas comportamientos que representan subconjuntos cohesionados de conexiones con significado (representando por si mismos comportamientos relevantes del mashup). Con este cambio se logra solventar los inconvenientes que presenta el actual sistema, principalmente la necesidad de crear (y visualizar) simultáneamente todas las conexiones requeridas por el mashup, lo cual supone que: a) es difícil identificar con qué propósito se ha creado cada conexión y qué relación guardan unas conexiones con otras. b) existe un riesgo de olvidar alguna conexión, fundamentalmente por ser difícil la interpretación del propósito de cada conexión y por la imposibilidad de identificar y nombrar conjuntos de conexiones que tienen un propósito determinado. Antes de implementar el código fuente se realizó un estudio pormenorizado de las tecnologías que actualmente utiliza WireCloud, además de un estudio en profundidad de la situación del anterior editor y de las nuevas características y ventajas buscadas en este nuevo editor. Con este último propósito se definieron varios casos de estudio que ayudaron a concretar qué se ha de entender por un comportamiento en el diseño de las conexiones de un mashup y también, ayudaron a definir la mejor organización visual del nuevo editor en torno al concepto de comportamiento. El resto del trabajo consistió en la implementación del nuevo editor y en la elaboración de toda la documentación relacionada: principalmente el manual de uso del nuevo editor que estará disponible como parte de la documentación online de WireCloud.---ABSTRACT---This document describes the work carried out for the achievement of all targets of this Final Project, which has as its main objective the improvement of the edition tool of the mashup’s internal connections that is currently provided by WireCloud. WireCloud is a web platform focused on building visual of web mashups from the interconnection of web applications called web widgets. The main drawbacks present in the current web editor of connections, includes on this platform, mainly affect to users with little experience in web design. These users have difficulties for interpreting the wiring diagram of any web mashup and also, creating the wiring diagram of an own web mashup. The improvement made a change in the metaphor used for creating connections, now managing a conceptual units called behaviors that represent subsets of meaningful connections. This change overcomes the drawbacks of the current system, mainly the need to create and display simultaneously all connections required by the web mashup, which means that: a) Difficultly identify what purpose is created each connection and how they relate to each other connections. b) There is the risk of forgetting some connection, mainly for being difficult to interpret the purpose of each connection and the inability to identify and name sets of connections that have a specific purpose. Before deploying the source code, the study of the technologies currently used WireCloud was performed, plus the study of the situation of the previous editor and new features and advantages searched for this new editor was performed too. For the latter purpose was defined several case studies that helped to specify what understood by behavior in the design of the connections of a web mashup and also that helped to define the best visual organization of the new behavior-oriented wiring editor. The rest of the work involved in implementing the new wiring web editor and in the preparation of all documentation related: mainly user manual for using the new wiring web editor that will be available as part of the WireCloud online documentation.

Modelo de concurrencia de ADA: implementación y sus implicaciones en el interfaz con el entorno

El principal problema que impide actualmente una mayor utilización de las máquinas paralelas es la falta de herramientas de programación que permitan generar programas transportables a máquinas con diferentes prestaciones. En este trabajo se ha estudiado si los lenguajes con paralelismo explícito cumplen este requisito y son, por lo tanto, adecuados para programar este tipo de máquinas. El exceso de paralelismo, esto es, el uso de mayor paralelismo en el programa que el proporcionado por la máquina para esconder la latencia en la comunicación, se presenta en este trabajo como una solución a los problemas de eficiencia de los programas con paralelismo explícito cuando se ejecutan en máquinas que no tienen una granularidad adecuada. Con esta técnica, por lo tanto, los programas escritos con estos lenguajes pueden transportarse con eficiencia a diferentes máquinas. Para llevar a cabo el estudio de los lenguajes con paralelismo explícito, se ha desarrollado un modelo abstracto de paralelismo, en el cual un sistema está formado por una jerarquía de máquinas virtuales paralelas. Este modelo permite realizar un análisis genérico de la implementación de este tipo de lenguajes, ya sea sobre una máquina con sistema operativo o directamente sobre la máquina física. Este análisis genérico se ha aplicado a un lenguaje de este tipo, el lenguaje Ada. Se han estudiado las características específicas de Ada que pueden influir en la implementación eficiente del lenguaje, analizando también la propuesta de modificación del lenguaje correspondiente al proceso de revisión Ada 9X. Dentro del marco del modelo de paralelismo, se analiza también la problemática específica de las implementaciones del lenguaje sobre el sistema operativo. En este tipo de implementaciones, las interacciones de un programa con el entorno externo pueden causar ciertos problemas, como el bloqueo del proceso correspondiente del sistema operativo, que disminuyen el rendimiento del programa. Se analizan estos problemas y se proponen soluciones a los mismos. Se desarrolla en profundidad un ejemplo de este tipo de problemas: El acceso al estándar gráfico GKS desde Ada.---ABSTRACT---The major obstacle to the widespread utilization of the parallel machines is the lack of programming tools allowing the development of software portable between machines with different performance. This dissertation analyzes whether languages with explicit parallelism fulfil this requirement. The approach of using programs with more parallelism than available on the machine (parallel slackness) is presented. This technique can solve the efficiency problems appearing in the execution of programs with explicit parallelism over machines with a too coarse granularity. Therefore, with this approach programs can run efficiently on different machines. A new abstract model of parallelism allowing the generic study of the implementation of languages with explicit parallelism is developed. In this model, a parallel system is described by a hierarchy of parallel virtual machines. This generic analysis is applied to Ada language. Ada specific features with problematic implementation are identified and analyzed. The change proposals to Ada language in the frame of Ada 9X revisión process are also analyzed. The specific problematic of the language implementation on top of the operating system is studied under the scope of the parallelism model. With this kind of implementation, program interactions with extemal environments can lead to problems, like the blocking of the corresponding operating system process, decreasing the program execution performance. A practical example of this kind of problems, the access to GKS (Graphic Kernel System) from Ada programs, is analyzed and the implemented solution is described.

Aportación al análisis de espectros de radiación: estructuras y algoritmos

A lo largo del presente trabajo se investiga la viabilidad de la descomposición automática de espectros de radiación gamma por medio de algoritmos de resolución de sistemas de ecuaciones algebraicas lineales basados en técnicas de pseudoinversión. La determinación de dichos algoritmos ha sido realizada teniendo en cuenta su posible implementación sobre procesadores de propósito específico de baja complejidad. En el primer capítulo se resumen las técnicas para la detección y medida de la radiación gamma que han servido de base para la confección de los espectros tratados en el trabajo. Se reexaminan los conceptos asociados con la naturaleza de la radiación electromagnética, así como los procesos físicos y el tratamiento electrónico que se hallan involucrados en su detección, poniendo de relieve la naturaleza intrínsecamente estadística del proceso de formación del espectro asociado como una clasificación del número de detecciones realizadas en función de la energía supuestamente continua asociada a las mismas. Para ello se aporta una breve descripción de los principales fenómenos de interacción de la radiación con la materia, que condicionan el proceso de detección y formación del espectro. El detector de radiación es considerado el elemento crítico del sistema de medida, puesto que condiciona fuertemente el proceso de detección. Por ello se examinan los principales tipos de detectores, con especial hincapié en los detectores de tipo semiconductor, ya que son los más utilizados en la actualidad. Finalmente, se describen los subsistemas electrónicos fundamentales para el acondicionamiento y pretratamiento de la señal procedente del detector, a la que se le denomina con el término tradicionalmente utilizado de Electrónica Nuclear. En lo que concierne a la espectroscopia, el principal subsistema de interés para el presente trabajo es el analizador multicanal, el cual lleva a cabo el tratamiento cualitativo de la señal, y construye un histograma de intensidad de radiación en el margen de energías al que el detector es sensible. Este vector N-dimensional es lo que generalmente se conoce con el nombre de espectro de radiación. Los distintos radionúclidos que participan en una fuente de radiación no pura dejan su impronta en dicho espectro. En el capítulo segundo se realiza una revisión exhaustiva de los métodos matemáticos en uso hasta el momento ideados para la identificación de los radionúclidos presentes en un espectro compuesto, así como para determinar sus actividades relativas. Uno de ellos es el denominado de regresión lineal múltiple, que se propone como la aproximación más apropiada a los condicionamientos y restricciones del problema: capacidad para tratar con espectros de baja resolución, ausencia del concurso de un operador humano (no supervisión), y posibilidad de ser soportado por algoritmos de baja complejidad capaces de ser instrumentados sobre procesadores dedicados de alta escala de integración. El problema del análisis se plantea formalmente en el tercer capítulo siguiendo las pautas arriba mencionadas y se demuestra que el citado problema admite una solución en la teoría de memorias asociativas lineales. Un operador basado en este tipo de estructuras puede proporcionar la solución al problema de la descomposición espectral deseada. En el mismo contexto, se proponen un par de algoritmos adaptativos complementarios para la construcción del operador, que gozan de unas características aritméticas especialmente apropiadas para su instrumentación sobre procesadores de alta escala de integración. La característica de adaptatividad dota a la memoria asociativa de una gran flexibilidad en lo que se refiere a la incorporación de nueva información en forma progresiva.En el capítulo cuarto se trata con un nuevo problema añadido, de índole altamente compleja. Es el del tratamiento de las deformaciones que introducen en el espectro las derivas instrumentales presentes en el dispositivo detector y en la electrónica de preacondicionamiento. Estas deformaciones invalidan el modelo de regresión lineal utilizado para describir el espectro problema. Se deriva entonces un modelo que incluya las citadas deformaciones como una ampliación de contribuciones en el espectro compuesto, el cual conlleva una ampliación sencilla de la memoria asociativa capaz de tolerar las derivas en la mezcla problema y de llevar a cabo un análisis robusto de contribuciones. El método de ampliación utilizado se basa en la suposición de pequeñas perturbaciones. La práctica en el laboratorio demuestra que, en ocasiones, las derivas instrumentales pueden provocar distorsiones severas en el espectro que no pueden ser tratadas por el modelo anterior. Por ello, en el capítulo quinto se plantea el problema de medidas afectadas por fuertes derivas desde el punto de vista de la teoría de optimización no lineal. Esta reformulación lleva a la introducción de un algoritmo de tipo recursivo inspirado en el de Gauss-Newton que permite introducir el concepto de memoria lineal realimentada. Este operador ofrece una capacidad sensiblemente mejorada para la descomposición de mezclas con fuerte deriva sin la excesiva carga computacional que presentan los algoritmos clásicos de optimización no lineal. El trabajo finaliza con una discusión de los resultados obtenidos en los tres principales niveles de estudio abordados, que se ofrecen en los capítulos tercero, cuarto y quinto, así como con la elevación a definitivas de las principales conclusiones derivadas del estudio y con el desglose de las posibles líneas de continuación del presente trabajo.---ABSTRACT---Through the present research, the feasibility of Automatic Gamma-Radiation Spectral Decomposition by Linear Algebraic Equation-Solving Algorithms using Pseudo-Inverse Techniques is explored. The design of the before mentioned algorithms has been done having into account their possible implementation on Specific-Purpose Processors of Low Complexity. In the first chapter, the techniques for the detection and measurement of gamma radiation employed to construct the spectra being used throughout the research are reviewed. Similarly, the basic concepts related with the nature and properties of the hard electromagnetic radiation are also re-examined, together with the physic and electronic processes involved in the detection of such kind of radiation, with special emphasis in the intrinsic statistical nature of the spectrum build-up process, which is considered as a classification of the number of individual photon-detections as a function of the energy associated to each individual photon. Fbr such, a brief description of the most important matter-energy interaction phenomena conditioning the detection and spectrum formation processes is given. The radiation detector is considered as the most critical element in the measurement system, as this device strongly conditions the detection process. Fbr this reason, the characteristics of the most frequent detectors are re-examined, with special emphasis on those of semiconductor nature, as these are the most frequently employed ones nowadays. Finally, the fundamental electronic subsystems for preaconditioning and treating of the signal delivered by the detector, classically addresed as Nuclear Electronics, is described. As far as Spectroscopy is concerned, the subsystem most interesting for the scope covered by the present research is the so-called Multichannel Analyzer, which is devoted to the cualitative treatment of the signal, building-up a hystogram of radiation intensity in the range of energies in which the detector is sensitive. The resulting N-dimensional vector is generally known with the ñame of Radiation Spectrum. The different radio-nuclides contributing to the spectrum of a composite source will leave their fingerprint in the resulting spectrum. Through the second chapter, an exhaustive review of the mathematical methods devised to the present moment to identify the radio-nuclides present in the composite spectrum and to quantify their relative contributions, is reviewed. One of the more popular ones is the so-known Múltiple Linear Regression, which is proposed as the best suited approach according to the constraints and restrictions present in the formulation of the problem, i.e., the need to treat low-resolution spectra, the absence of control by a human operator (un-supervision), and the possibility of being implemented as low-complexity algorithms amenable of being supported by VLSI Specific Processors. The analysis problem is formally stated through the third chapter, following the hints established in this context, and it is shown that the addressed problem may be satisfactorily solved under the point of view of Linear Associative Memories. An operator based on this kind of structures may provide the solution to the spectral decomposition problem posed. In the same context, a pair of complementary adaptive algorithms useful for the construction of the solving operator are proposed, which share certain special arithmetic characteristics that render them specially suitable for their implementation on VLSI Processors. The adaptive nature of the associative memory provides a high flexibility to this operator, in what refers to the progressive inclusión of new information to the knowledge base. Through the fourth chapter, this fact is treated together with a new problem to be considered, of a high interest but quite complex nature, as is the treatment of the deformations appearing in the spectrum when instrumental drifts in both the detecting device and the pre-acconditioning electronics are to be taken into account. These deformations render the Linear Regression Model proposed almost unuseful to describe the resulting spectrum. A new model including the drifts is derived as an extensión of the individual contributions to the composite spectrum, which implies a simple extensión of the Associative Memory, which renders this suitable to accept the drifts in the composite spectrum, thus producing a robust analysis of contributions. The extensión method is based on the Low-Amplitude Perturbation Hypothesis. Experimental practice shows that in certain cases the instrumental drifts may provoke severe distortions in the resulting spectrum, which can not be treated with the before-mentioned hypothesis. To cover also these less-frequent cases, through the fifth chapter, the problem involving strong drifts is treated under the point of view of Non-Linear Optimization Techniques. This reformulation carries the study to the consideration of recursive algorithms based on the Gauss-Newton methods, which allow the introduction of Feed-Back Memories, computing elements with a sensibly improved capability to decompose spectra affected by strong drifts. The research concludes with a discussion of the results obtained in the three main levéis of study considerad, which are presented in chapters third, fourth and fifth, toghether with the review of the main conclusions derived from the study and the outline of the main research lines opened by the present work.

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.