On-line monitoring is an important challenge in future biotechnology applications, for instance in the domain of precision livestock farming where a strong need is present for low-cost intelligent sensors to monitor animal welfare. On-line poultry monitoring can significantly improve living conditions of hens in industrial farms. A very low-cost low-energy solution needs to be provided though due to the stringent battery limitations. Domain-specific ASIPs can be an ideal solution when they cover enough submarkets to increase the production volume (reducing the price) and ultra-low energy concepts are used for their realization. This work is a part of a larger project and aiming to high energy-efficiency. The current study implements data parallelization, using a recently introduced software-controlled SIMD realization in an innovative way. The approaches that have been employed for the determination of the final instruction set of the architecture that has been created for the mapping of the critical Gauss loop of the detection application, are thoroughly explored. The re-design of the data-parallel data path, also referred to as Soft-SIMD architecture, has been necessary in order to achieve instruction encoding optimization. Furthermore, we have explored the capabilities that a commercial compiler retargetable Tool, like Target, can offer for our target design and we have suggested some potential modifications that would help the tool to become more efficient and useful for a designer’s needs in such architecture. Thereby, this study also demonstrates the promising results obtained by experimenting with detours around the current Target tool design limitations. Finding the right balance between efficiency and flexibility requires the ability to quickly evaluate alternative architectures through simulations and testing techniques. The methods developed for exactly this purpose, with the help of Target’s IP Designer retargetable tool-suite, are discussed in detail. By exploiting the profiling information produced by the ISS, and by reading the assembly code produced by the C compiler, it is possible to identify the instructions in the critical loop, and optimize them by using a number of techniques discussed. The main purpose of this optimization is to reduce the cycle count of the application, in order to reduce the overall power consumption. VHDL files of the optimized and un-optimized processor are automatically generated using the HDL generation tool. However, examining a bio-imaging application, instantiated from the ULP-ASIP architectural template [FEENECS book], many other issues are present too. In particular, the way that these kinds of implementations have to be tested should be taken into consideration. Preferably, the testability has not only to be sufficient and efficient but also reusable, in the sense that test patterns should be able to be generated not only for a specific application or for a group of applications but for the entire architectural template. Therefore, this study also illustrates a Systematic Test Vector generation process for the ULP-ASIP template. Our goal is to make generalized principles, because such principles are reusable and can be applied to any instances, such as our present processor for the Gauss Filter. Finally, this study is completed by presenting some realistic power numbers based on layout back-annotation, which concern the data path components of the processor. Based on all the advanced optimizations and broad search space explorations that are presented in this thesis, a heavily optimized ASIP architecture has been fully implemented which results in a low-cost ultra low-energy consumption while still meeting all the performance requirements. / Η αυτόματη μέθοδος παρακολούθησης ζωντανών οργανισμών, όπως έχει ερευνηθεί και δημοσιευθεί από το Τμήμα Biosystems (BIOSYST) του K.U. Leuven [1], συνίσταται από μια εϕαρμογή με «υπολογιστική όραση», η οποία, βασιζόμενη στις αποκρίσεις τους, κατηγοριοποιεί τη συμπεριϕορά τους. Η βιοτεχνολογική αυτή εϕαρμογή αναπτύσσει ένα πλήρως αυτοματοποιημένο σύστημα «υπολογιστικής όρασης» σε μεμονωμένες και υπό περιορισμό όρνι- θες.Η εϕαρμογή χωρίζεται σε δύο αλγόριθμους, εκ των οποίων ο πρώτος ανιχνεύει το αντι- κείμενο παρακολούθησης (detection algorithm) και ο δεύτερος το εντοπίζει (tracking algorithm). Η παρούσα μελέτη αποτελεί κομμάτι ενός μεγαλυτέρου project και συνέχεια της προηγούμενης δουλείας που αναπτύχθηκε στον τομέα αυτό.Ο σκοπός αυτής της μελέτης είναι η εξερεύνηση της αρχιτεκτονικής που έχει δημιουργηθεί για την αντιστοίχιση του κρίσιμου βρόχου Gauss του αλγόριθμου ανίχνευσης προκειμένου να καθοριστεί το τελικό σύνολο εντολών του ULP-ASIP SIMD επεξεργαστή. Οι τεχνικές και οι προσεγγίσεις που χρησιμοποιούνται για την υποστήριξη της διαδικασίας βελτιστοποίησης της κωδικοποίησης του συνόλου εντολών παρουσιάζονται εκτεταμένα στο κεϕάλαιο 2. Επιπλέον, κατά τη διάρκεια της εξερεύνησης της αρχιτεκτονικής, το σύνολο εντολών που ορίστηκε και οι τεχνικές αντιστοίχισης επανεξετάζονται, προκειμένου να μειωθεί το συνολικό κόστος εκτέλεσης. Η εύρεση της σωστής ισορροπίας μεταξύ της αποτελεσματικότητας και της ευελιξίας απαιτεί την ικανότητα να αξιολογούνται γρήγορα εναλλακτικές αρχιτεκτονικές μέσω εξομοιώσεων και τεχνικών δοκιμών. Το Κεϕάλαιο 3 επεξηγεί τις μεθόδους που αναπτύχθηκαν ακριβώς για το σκοπό αυτό, με τη βοήθεια του περιβάλλοντος σχεδίασης IP των TARGET Compiler Τεχνολογιών η οποία προσϕέρει ένα πλήρες reTARGETable εργαλείο. Ωστόσο, μια πιο συστηματική διαδικασία παραγωγής διανυσμάτων δοκιμής για ολόκληρη την πλατϕόρμα ULP-ASIP κατέληξε να είναι ένα πολύ σημαντικό πλεονέκτημα για την επικύρωση της λειτουργίας του επεξεργαστή ULP-ASIP. Ως εκ τούτου, μια τέτοια μέθοδος, αναλύεται και παρουσιάζεται εκτεταμένα στο κεϕάλαιο 4. Τέλος, το Κεϕάλαιο 5 παρουσιάζει την εκτίμηση της ενέργειας του data path του επεξεργαστή. Με βάση όλες τις προηγμένες βελτιστοποιήσεις και τις ευρείες εξερευνήσεις του χώρου αναζήτησης που παρουσιάζονται στα προηγούμενα κεϕάλαια, μια ισχυρά βελτιστοποιημένη συνθέσιμη αρχιτεκτονική ASIP υλοποιείται πλήρως η οποία οδηγεί σε μια χαμηλού κόστους, πολύ χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας πλατϕόρμα, καλύπτοντας συγχρόνως όλες τις απαιτήσεις επιδόσεων.

Le contexte incertain dans lequel évoluent les applications embarquées influencefortement ces dernières. L'objectif de disponibilité induit généralement une forteredondance matérielle et fonctionnelle. A l'inverse, le paramètre de consommation prôneun nombre et un fonctionnement à minima des ressources. Avec la réduction de latechnologie, la variabilité des procédés de fabrication induit la possibilité accrue dedéfaillances. De façon à garantir une qualité de service acceptable par l'utilisateur, et cesur la totalité de la durée de vie du circuit, il convient de mener des études associant dèsles phases amont les deux paramètres sûreté de fonctionnement et consommation. Cettethèse a pour objectif de proposer une nouvelle conception pour les réseaux de capteurssans fil, afin de réduire consommation d'énergie et d'augmenter la fiabilité du réseau. / The uncertain contexts in which recent WSN embedded applications evolve have bigimpact on these applications. Traditionally, the objective of availability generally doubleshardware and functional redundancy; it means that the overhead is doubled in term ofenergy and cost. Besides, wireless node system is powered by limited battery; hencepower consumption parameter is only set to a number of components and functionalitiesat minimum resources. However, due to the technology reduction, process variabilityconducts to increase the possibility of failures. In order to guarantee an acceptablequality of service for the users, and on the operating lifetime of the system, it should carrystudies at the upper phases involving both dependability and consumption constraints.This thesis aims to propose novel design for wireless sensor networks, in order to reduceenergy consumption and to increase network dependability.

Malgré des avantages certains en terme d'adaptabilité et en gain de surface, la reconfiguration dynamique sur FPGA a du mal à être utilisée dans l'industrie. Le manque de moyens et de méthodes d'évaluation d'une telle architecture en est la cause majeure. Pire, aucun outil officiel ne permet aux développeurs de déterminer facilement un ordonnancement de la reconfiguration adapté pour une architecture donnée. Cette thèse s'inscrit dans ce contexte et propose une méthodologie de modélisation SystemC d'architectures reconfigurables dynamiquement. Cet outil d'aide à la conception permet de faire gagner un temps considérable lors de la phase de conception en fournissant une première estimation des performances et des ressources nécessaires au développement de l'architecture. Il permet également le développement et la validation de scénarios d'ordonnancement de la reconfiguration, tout en respectant les contraintes temps réel liées à l'application. Afin de valider notre modèle sur une application réelle, des IP de transcodage vidéo ont été développées et seront détaillées. Cette application consiste en la réalisation d'un transcodeur H.264/MPEG-2, rendu auto-adaptable grâce à l'utilisation de la reconfiguration dynamique. Ces travaux ont été menés dans le cadre du projet ARDMAHN financé par l'Agence Nationale de la Recherche portant la référence ANR-09-SEGI-001 / Despite clear benefits in terms of fexibility and surface efficiency, dynamic reconfiguration of FPGAs is still finding it hard to break through into massive industrial project. One of the main reasons is the lack of means and methods for evaluation of reconfigurable architectures. Worse, main FPGA vendors do not provide official tools allowing developers to easily determine an optimal scheduling reconfiguration for a specific architecture. Within this framework, the proposed research work described in this thesis proposes a methodology for modeling dynamically reconfigurable architectures based on SystemC. The proposed methodology allows designers to save significant time during the design phases of an application specific reconfigurable architecture by providing an initial estimate of performance and resources needed for its development. It also allows development and validation of scheduling reconfiguration scenarios, while respecting real-time constraints associated with the given application. To validate our methodology on a real application, video transcoding IP have been developed and tested. This application consists in the realization of a H.264/MPEG-2 transcoder made self-adaptable through the use of dynamic reconfiguration. This work was conducted as a part of the ARDMAHN project sponsored by the National Research Agency (Agence Nationale de Recheche) with the reference number ANR-09-SEGI-001

Η μετάδοση δεδομένων µέσω ασύρματων δικτύων αποτελεί ένα από τα σημαντικότερα αντικείμενα μελέτης στον χώρο των τηλεπικοινωνιών τα τελευταία χρόνια. Λόγω του μεγάλου όγκου δεδομένων που απαιτείται για μετάδοση μέσα σε πολύ μικρό χρονικό διάστημα, απαιτείται η εφαρμογή όσο το δυνατόν αποδοτικότερης κωδικοποίησης και διαμόρφωσης, σκοπεύοντας παράλληλα στην επίτευξη μικρής κατανάλωσης ισχύος και ταυτόχρονα υψηλού throughput. Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη, σχεδίαση και την υλοποίηση της αρχιτεκτονικής ενός OFDM συστήματος, βασισμένο στις προδιαγραφές που ορίζει το πρότυπο IEEE802.11. Το πρότυπο αυτό επιλέχθηκε, καθώς τυγχάνει ευρείας αποδοχής, όσον αφορά τη μετάδοση δεδομένων σε ασύρματα δίκτυα. Στα πλαίσια της διπλωματικής παρουσιάζονται εξομοιώσεις και μετρήσεις για την εύρεση των κατάλληλων χαρακτηριστικών και του τύπου των φίλτρων που χρησιμοποιούνται σε ένα OFDM σύστημα, ενώ εισάγονται δύο νέες αρχιτεκτονικές του τμήματος κατασκευής του OFDM συμβόλου, καθώς και τα αποτελέσματα της σύνθεσης αυτών. Ιδιαίτερη βαρύτητα δίνεται στη σχεδίαση και την υλοποίηση των αρχιτεκτονικών αυτών με σκοπό την ενσωμάτωσή τους σε συσκευές FPGA. / Transmission of data through wireless networks is one of the most important aspects in the study telecommunications systems. The large volume of data that needs to be transmitted in a very small time interval has resulted in the need to make the system more efficient while increasing the throughput. This has been accomplished through more efficient coding, reduction of the power consumption and through the use of modulation. This masters thesis deals with the study, design and implementation of the typical OFDM system architecture, based on the standard IEEE802.11. This standard was chosen because of its wide acceptance and use regarding transmission of data in wireless networks. The thesis details the adjustments and measurements needed for determining suitable characteristics and the types of filters required in an OFDM system. Additionally two new OFDM system architectures arte introduced aiming at reducing the overall power consumption and the complexity of the formulae used for symbol construction. Particular importance is given in the designing and the implementation of these architectures regarding their incorporation in FPGA devices.

Bibliography: leaves 233-259 / xii, 259 leaves : ill ; 30 cm. / Title page, contents and abstract only. The complete thesis in print form is available from the University Library. / Thesis (Ph.D.)--University of Adelaide, 1991

Οι συστοιχίες προγραμματιζόμενων πυλών (FPGAs) αποτελούν μια σημαντική τεχνολογία, η οποία επιτρέπει στους σχεδιαστές κυκλωμάτων την παραγωγή συγκεκριμένου σκοπού ολοκληρωμένων κυκλωμάτων σε σύντομο χρόνο. Tα σημαντικότερα των χαρακτηριστικών τους είναι η αρχιτεκτονική τους και η δυνατότητα σχεδιασμού τους μέσω υπολογιστών, η χαμηλή κατανάλωση ισχύος καθώς και το μικρό χρονικό διάστημα που απαιτείται για τον επαναπρογραμματισμό τους. Τα FPGAs είναι κατάλληλα σχεδιασμένα για ψηφιακές εφαρμογές φιλτραρίσματος. Η πυκνότητα των προγραμματιζόμενων αυτών συστημάτων είναι τέτοια ώστε πολύ μεγάλος αριθμός αριθμητικών πράξεων όπως αυτές που προκύπτουν μέσω ψηφιακού φιλτραρίσματος να μπορεί να εφαρμοστεί σε μία μόνο συσκευή. Τα πλεονεκτήματα των FPGA στην υλοποίηση ψηφιακών φίλτρων είναι μεταξύ άλλων οι υψηλότεροι ρυθμοί δειγματοληψίας από παραδοσιακούς DSP chip, το χαμηλότερο κόστος από μια μέτρια ASIC (Application Specific Integrated Circuit, Kύκλωμα οριζόμενο από εφαρμογή) για εφαρμογές μεγάλου όγκου, καθώς και η μεγαλύτερη ευελιξία από όλες τις εναλλακτικές προσεγγίσεις για την υλοποίηση των FIR φίλτρων. Σπουδαιότερο όλων είναι ότι προγραμματίζονται μέσα στο σύστημα και έχουν δυνατότητα επαναπρογραμματισμού για την υλοποίηση διαφόρων εναλλακτικών λειτουργιών φιλτραρίσματος. Στόχος της παρούσας διπλωματικής είναι να συνδυασθούν τεχνικές VLSI και ψηφιακής επεξεργασίας σήματος και μέσω κατανόησης της αρχιτεκτονικής του υπολογιστή να δημιουργηθεί μια χρήσιμη εφαρμογή. Επιλέχθηκε για τον λόγο αυτό: α) η ανάπτυξη ενός FIR φίλτρου σε γλώσσα περιγραφής υλικού, β) υλοποίησή του σε FPGA, γ) εισαγωγή αυτού σε ενσωματωμένο σύστημα και σύνδεση σε διάδρομο δεδομένων επεξεργαστή και δ) έλεγχος του φίλτρου με τη βοήθεια του επεξεργαστή μέσω γλώσσας υψηλού επιπέδου. Η συγγραφή του κώδικα του φίλτρου έγινε σε γλώσσα VHDL, με structural μεθόδους και η προσομοίωση του συστήματος στο Modelsim. Επιπροσθέτως χρησιμοποιήθηκε ο Project Navigator ISE της Xilinx για τον έλεγχο του κώδικα αλλά και τον προγραμματισμό του FPGA Spartan 3E Starter Board. Χρησιμοποιήθηκαν ακόμα τα υποπρογράμματα Plan Ahead και ChipScope Pro του ISE ώστε να ελεγχθεί η λειτουργία του κυκλώματος στο FPGA. To κύκλωμα τελικά εισάγεται σε ενσωματωμένο σύστημα με τη βοήθεια του εργαλείου σχεδίασης EDK της Xilinx και ελέγχεται η λειτουργία του προγραμματίζοντας τον επεξεργαστή Microblaze. Ακόμα ελέγχεται η λειτουργία του φίλτρου για διαφορετικούς συντελεστές FIR φίλτρων που χρησιμοποιούν διαφορετικά παράθυρα και συγκρίνονται οι «ιδανικές» τιμές που παράγονται από το Matlab με αυτές που παράγονται από το φίλτρο. Τέλος μετράται η ενέργεια (δυναμική και στατική) που καταναλώνεται κατά τη λειτουργία του κυκλώματος στο FPGA με τη βοήθεια του XPower Analyzer. / Field-programmable gate arrays (FPGAs) is a technology of great importance that allows the designers to produce specific purpose integrated circuits in a limited amount of time. The most important of their characteristics are their architecture and the ability of their design with the help of computers, the low power dissipation, as well as the need of a short amount of time to be reprogrammed. FPGAs are properly designed for digital filtering applications. The density of these programmable systems is such that a great amount of numerical calculations such as those that result via digital filtering can be applied to one device only. The advantages of FPGAs as for the implementation of digital filters is between others the great rates of sampling compared to traditional DSP chips, their low cost compared to a moderate ASIC (Application Specific Integrated Circuit) for applications that take up a large area, as well as the flexibility compared to alternative approaches for the implementation of FIR filters. Their most important characteristic is that they can be programmed on-chip and that they have the ability of being reprogrammed for the implementation of different filtering purposes. The aim of this thesis is to combine VLSI techniques and digital signal processing techniques and via the understanding of the computer architecture to create a useful application. To fulfill that purpose: a) a FIR filter was designed with the use of a hardware description language b) the filter was implemented by using an FPGA c) the filter was imported to an embedded system and it was connected to the bus of a microprocessor d) the filter was controlled by the microprocessor via a high-level programming language. The filter was designed using the VHDL language, specifically using structural methods, and its simulation was performed with Modelsim. Also the Project Navigator ISE of Xilinx was used to correct unwanted warnings and to program the FPGA Spartan 3E Starter Board. Some other subprograms of ISE were also used, such as Plan Ahead and ChipScope Pro in order to check the performance of the filter. The circuit is finally imported to an embedded system using the Embedded Developer’s Kit (EDK) of Xilinx. Microblaze was the microprocessor that was used to control the filter’s performance. Additionally, the performance of the filter is checked by using different coefficients of FIR filters by different windowing methods. The ideal values that are produced from Matlab are compared to those of the filter. Finally the power dissipation (static and dynamic) of the filter is measured using XPower Analyzer.

Maitriser et optimiser les performances et la consommation énergétique dans les systèmes embarqués est aujourd'hui crucial. Pour ce faire, des techniques d'estimation de ces métriques sont utilisées dans des environnements où la réalisation de mesures est difficile. Ce travail cible l'évaluation des performances et de la consommation énergétique du service du stockage secondaire dans un système d'exploitation embarqué utilisant une mémoire flash NAND. L'un des moyens de gérer ce type de média est l'utilisation de systèmes de fichiers dédiés (Flash File Systems, FFS), pour lequel on peut constater un manque de travaux dans la littérature concernant les techniques d'estimation des performances et de la consommation. Les contributions apportées dans cette thèse s'articulent autour d'une méthodologie de modélisation pour l'estimation des performances et de la consommation des systèmes de stockage embarqués de type FFS. Cette méthodologie est divisée en trois phases. En phase d'exploration on identifie, via des micro-benchmarks, les éléments du système de stockage impactant les performances et la consommation du système embarqué. En phase de modélisation, cet impact est représenté sous la forme de modèles de différents types, dont les principaux sont les modèles fonctionnels, de performances et de consommation. Les paramètres de ces modèles sont extraits via des mesures. En phase de simulation, les modèles sont implémenté dans un simulateur, développé dans le cadre de cette thèse, permettant d'obtenir des estimations concernant les performances et la consommation d'un système de stockage à base de mémoire flash soumis à une charge d'entrées / sorties donnée. / Controlling and optimizing embedded system performance and power consumption is critical. In this context, estimation techniques are used when performing measurement campaigns is difficult due to time or financial constraints. This work targets the performance and power consumption evaluation of the secondary storage service in an embedded operating system using NAND flash memory. One way to manage flash memory is to used dedicated Flash File Systems (FFS). One can observe a lack of work in the literature concerning FFS performance and power consumption estimation techniques.The contributions presented in this thesis rely on a three steps performance and power consumption modeling methodology. During the exploration phase, we identify through micro-benchmarking the main elements of a FFS based system impacting performance and power consumption of the embedded system. In the modeling phase, this impact is represented by building models of various types. The main models types are the functional, performance and power consumption models. Models parameters are extracted through measurements on a real platform. During the simulation phase the models are implemented in a simulator. This tool allows obtaining performance and power consumption estimations concerning a flash-based storage system processing a given I/O workload.

Que ce soit dans l’automobile avec des contraintes thermiques ou dans l’aérospatial et lenucléaire soumis à des rayonnements ionisants, l’environnement entraîne l’apparition de fautesdans les systèmes électroniques. Ces fautes peuvent être transitoires ou permanentes et vontinduire des résultats erronés inacceptables dans certains contextes applicatifs. L’utilisation decomposants dits « rad-hard » est parfois compromise par leurs coûts élevés ou les difficultésd’approvisionnement liés aux règles d’exportation.Cette thèse propose une approche conjointe matérielle et logicielle indépendante de la technologied’intégration permettant d’utiliser des composants numériques programmables dans desenvironnements susceptibles de générer des fautes. Notre proposition comporte la définitiond’une Architecture Reconfigurable à Gros Grains (CGRA) capable d’exécuter des codes applicatifscomplets mais aussi l’ensemble des mécanismes matériels et logiciels permettant de rendrecette architecture tolérante aux fautes. Ce résultat est obtenu par l’association de redondance etde reconfiguration dynamique du CGRA en s’appuyant sur une banque de configurations généréepar une chaîne de programmation complète. Cette chaîne outillée repose sur un flot permettantde porter un code sous forme de Control and Data Flow Graph (CDFG) sur l’architecture enobtenant un grand nombre de configurations différentes et qui permet d’exploiter au mieux lepotentiel de l’architecture.Les travaux, qui ont été validés aux travers d’expériences sur des applications du domaine dutraitement du signal et de l’image, ont fait l’objet de publications en conférences internationaleset de dépôts de brevets. / Whether in automotive with heat stress or in aerospace and nuclear field subjected to cosmic,neutron and gamma radiation, the environment can lead to the development of faults in electronicsystems. These faults, which can be transient or permanent, will lead to erroneous results thatare unacceptable in some application contexts. The use of so-called rad-hard components issometimes compromised due to their high costs and supply problems associated with exportrules.This thesis proposes a joint hardware and software approach independent of integrationtechnology for using digital programmable devices in environments that generate faults. Ourapproach includes the definition of a Coarse Grained Reconfigurable Architecture (CGRA) ableto execute entire application code but also all the hardware and software mechanisms to make ittolerant to transient and permanent faults. This is achieved by the combination of redundancyand dynamic reconfiguration of the CGRA based on a library of configurations generated by acomplete conception flow. This implemented flow relies on a flow to map a code represented as aControl and Data Flow Graph (CDFG) on the CGRA architecture by obtaining directly a largenumber of different configurations and allows to exploit the full potential of architecture.This work, which has been validated through experiments with applications in the field ofsignal and image processing, has been the subject of two publications in international conferencesand of two patents.

Recent major electrical disturbances highlight the extent to which modern societies depend on a reliable power infrastructure and the impact of these undesirable events on the economy and society. Numerous blackout models have been developed in the last decades that capture effectively the cascade mechanism leading to a partial or complete blackout. These models usually consider only the state of the electrical part of the system and investigate how failures or limitations in this system affect the probability and severity of a blackout.However, an analysis of the major disturbances that occurred during the last decade, such as the North America blackout of 2003 and the UCTE system disturbance of 2006, shows that failures or inadequacies in the Information and Communication Technology (ICT) infrastructure and also human errors had a significant impact on most of these blackouts.The aim of this thesis is to evaluate the contribution of these non-electrical events to the risk of power system blackouts. As the nature of these events is probabilistic and not deterministic, different probabilistic techniques have been developed to evaluate their impact on power systems reliability and operation.In particular, a method based on Monte Carlo simulation is proposed to assess the impact of an ICT failure on the operators’ situation awareness and consequently on their performance during an emergency. This thesis also describes a generic framework using Markov modeling for quantifying the impact of insufficient situation awareness on the probability of cascading electrical outages leading to a blackout. A procedure based on Markov modeling and fault tree analysis is also proposed for assessing the impact of ICT failures and human errors on the reliable operation of fast automatic protection actions, which are used to provide protection against fast-spreading electrical incidents. The impact of undesirable interactions and the uncoordinated operation of these protection schemes on power system reliability is also assessed in this thesis.The simulation results of these probabilistic methods show that a deterioration in the state of the ICT infrastructure and human errors affect significantly the probability and severity of power system blackouts. The conclusion of the work undertaken in this research is that failures in all the components of the power system, and not just the “heavy electrical” ones, must be considered when assessing the reliability of the electrical supply.

Η υλοποίηση αποδοτικών αριθμητικών κυκλωμάτων αποτελεί ένα ανοικτό πεδίο έρευνας καθώς η συνεχής εξέλιξη της τεχνολογίας απαιτεί την επανεκτίμηση των μεθόδων σχεδίασής τους, ενώ παράλληλα δημιουργεί νέους τομείς εφαρμογής τους. Ο τεράστιος όγκος πληροφορίας και η ανάγκη γρήγορης επεξεργασίας της έχει οδηγήσει στην ανάγκη αύξησης της συχνότητας λειτουργίας των αντίστοιχων κυκλωμάτων. Μεγάλης σημασίας παραμένει επίσης η ανάγκη για τη μείωση της κατανάλωσης ισχύος των συστημάτων αυτών, αλλά και του κόστους τους, που συνδέονται άμεσα με την επιφάνεια ολοκλήρωσής τους. Η ικανοποίηση των παραμέτρων αυτών επιτάσσει σε διάφορες περιπτώσεις την υιοθέτηση αριθμητικών συστημάτων, πέραν του συμβατικού δυαδικού συστήματος. Χαρακτηριστικά παραδείγματα αποτελούν το Αριθμητικό Σύστημα Υπολοίπων (Residue Number System – RNS) όπως επίσης και τα αριθμητικά συστήματα πλεοναζουσών αναπαραστάσεων (redundant number systems). Η διδακτορική αυτή διατριβή ασχολείται με την υλοποίηση αποδοτικών κυκλωμάτων για το Αριθμητικό Σύστημα Υπολοίπων, με την έρευνα να επικεντρώνεται στην υιοθέτηση τόσο πλεοναζουσών όσο και μη-πλεοναζουσών αναπαραστάσεων στα διάφορα κανάλια επεξεργασίας του. Το πρώτο μέρος της διατριβής έχει ως στόχο τη σχεδίαση αποδοτικών κυκλωμάτων υπολοίπων με χρήση μη-πλεοναζουσών αναπαραστάσεων τόσο για τις κύριες-βασικές αριθμητικές πράξεις (πρόσθεση, πολλαπλασιασμός) όσο και για τις δευτερεύουσες-βοηθητικές (αφαίρεση, ύψωση σε δύναμη) πράξεις. Συγκεκριμένα, παρουσιάζονται κυκλώματα αφαίρεσης και πρόσθεσης/αφαίρεσης για κανάλια υπολοίπου της μορφής 2^n+-1, κυκλώματα πολλαπλασιασμού με σταθερά για το σύνολο διαιρετών {2^n-1, 2^n, 2^n+1} καθώς και κυκλώματα Booth πολλαπλασιασμού προγραμματιζόμενης λογικής για τα κανάλια υπολοίπου 2^n+-1. Επιπλέον, παρουσιάζονται κυκλώματα ύψωσης στον κύβο για το κανάλι υπολοίπου 2^n-1. Προτείνεται επίσης μια οικογένεια αριθμητικών κυκλωμάτων (αθροιστές, αφαιρέτες, πολλαπλασιαστές, κυκλώματα ύψωσης στο τετράγωνο) υπολοίπου 2^n+1 για την αναπαράσταση ελάττωσης κατά 1, που ενσωματώνουν τη μετατροπή του αποτελέσματος στην κανονική αναπαράσταση μέσα στην αρχιτεκτονική τους, ενώ παρουσιάζεται και μία ενιαία μεθοδολογία σχεδίασης κυκλωμάτων ανάστροφης μετατροπής για σύνολα διαιρετών με κανάλια της μορφής 2^n+1 που υιοθετούν την αναπαράσταση ελάττωσης κατά 1. Τέλος, διερευνούνται και οι διαιρέτες της μορφής 2^n-2 και προτείνονται για αυτούς αποδοτικές αρχιτεκτονικές κυκλωμάτων πρόσθεσης, πολλαπλασιασμού, ύψωσης στο τετράγωνο και ευθείας μετατροπής. Στο δεύτερο μέρος της διατριβής το ενδιαφέρον εστιάζεται σε μία διαφορετική κατηγορία αναπαραστάσεων, οι οποίες παρέχουν περισσότερους από ένα δυνατούς τρόπους κωδικοποίησης των εντέλων τους. Οι πλεονάζουσες αυτές αναπαραστάσεις παρουσιάζουν συγκεκριμένα χαρακτηριστικά, όπως η δυνατότητα εξισορρόπησης ταχύτητας και επιφάνειας υλοποίησης. Στη διατριβή εξετάζονται τρεις πλεονάζουσες αναπαραστάσεις για το Αριθμητικό Σύστημα Υπολοίπων με κανάλια διαιρετών της μορφής 2^n+-1 και παρουσιάζεται μία γενικευμένη μεθοδολογία διαχείρισης των ψηφίων τους, η οποία εφαρμόζεται στη σχεδίαση κυκλωμάτων μετατροπής. Στο τελευταίο μέρος περιγράφονται δύο εφαρμογές συστημάτων που βασίζονται στο Αριθμητικό Σύστημα Υπολοίπων. Αναλυτικότερα, σχεδιάζεται και υλοποιείται ένα σύστημα ανίχνευσης ακμών σε εικόνα με ένα στάδιο προ-επεξεργασίας για μείωση του θορύβου καθώς και τρία φίλτρα πεπερασμένης κρουστικής απόκρισης. / The implementation of efficient arithmetic circuits has always been an open field for research, since the technology evolves rapidly, demanding the reevaluation of their design methods. At the same time this continuous evolution opens new research areas for these circuits. The need for fast processing of a vast amount of information demands an increase of the operational frequency of the corresponding circuits, while at the same time low power consumption, low cost and therefore low area remain of crucial importance. Meeting these needs in arithmetic circuits usually implies the employment of alternative, non-binary number systems. Such examples are the Residue Number System (RNS) and number systems with redundant representations. The subject of this PhD dissertation is the implementation of efficient arithmetic circuits for the RNS emphasizing both in redundant and not redundant representations. The first part of the dissertation deals with the design of efficient non-redundant arithmetic circuits for main arithmetic operations such as addition and multiplication that are met in every processing system, as well as for auxiliary operations like subtraction, squaring and cubing. Specifically, the circuits presented include subtractors and adders/subtractors for the moduli channels of the 2^n+-1 form, single-constant multipliers for the {2^n-1, 2^n, 2^n+1} moduli set, configurable modulo 2^n +-1 Booth-encoded multipliers as well as modulo 2^n-1 cubing units. Furthermore, a family of diminished-1 modulo 2^n+1 arithmetic circuits (adders, subtractors, multipliers and squarers) is also presented, that produces the respective result directly to weighted (normal) representation, embedding that way the conversion process between these two representations. The design of efficient Residue-to-Binary converters is also considered and a novel generic methodology is proposed for the systematic design of those circuits. The modulo 2^n-2 channel is also investigated and an arithmetic processing framework is proposed including adders, multipliers, squarers and Binary-to-Residue converters. In the second part, we focus on a different category of representations, where operands can be encoded in more than one ways. Such representations offer certain characteristics such as a tradeoff between area and speed. In particular, we consider three redundant representations for the RNS processing channels of the 2^n+-1 form, which are the most common choice. A generic methodology is presented for treating their digits in order to design efficient converters for them. The last part of the dissertation presents two applications that are implemented entirely in the RNS domain. Their architectures rely on the proposed arithmetic circuits. The first application is an image edge detector with a pre-processing noise filtering stage. The second application involves the design of three Finite Impulse Response (FIR) filters.