Computational science demands extreme performance because the running time of an application often determines the size of the experiment that a scientist can reasonably compute. Unfortunately, traditional compiler technology is ill-equipped to harness the full potential of today's computing platforms, forcing scientists to spend time manually tuning their application's performance. Although improving compiler technology should alleviate this problem, two challenges obstruct this goal: hardware platforms are rapidly changing and application software is difficult to statically model and predict. To address these problems, this thesis presents two techniques that aim to improve a compiler's adaptability: automatic resource characterization and selective, dynamic optimization. Resource characterization empirically measures a system's performance-critical characteristics, which can be provided to a parameterized compiler that specializes programs accordingly. Measuring these characteristics is important, because a system's physical characteristics do not always match its observed characteristics. Consequently, resource characterization provides an empirical performance model of a system's actual behavior, which is better suited for guiding compiler optimizations than a purely theoretical model. This thesis presents techniques for determining a system's data cache and TLB capacity, line size, and associativity, as well as instruction-cache capacity. Even with a perfect architectural-model, compilers will still often generate suboptimal code because of the difficulty in statically analyzing and predicting a program's behavior. This thesis presents two techniques that enable selective, dynamic-optimization for cases in which static compilation fails to deliver adequate performance. First, intermediate-representation (IR) annotation generates a fully-optimized native binary tagged with a higher-level compiler representation of itself. The native binary benefits from static optimization and code generation, but the IR annotation allows targeted and aggressive dynamic-optimization. Second, adaptive code-selection allows a program to empirically tune its performance throughout execution by automatically identifying and favoring the best performing variant of a routine. This technique can be used for dynamically choosing between different static-compilation strategies; or, it can be used with IR annotation for performing dynamic, feedback-directed optimization.

GENERATING USER-CENTRIC DYNAMIC AND ADAPTABLE KNOWLEDGE MODELS FOR WORLD WIDE WEB By LEI LI JUNE, 2007 Committee Chair: Dr. Vijay Vaishnavi Major Department: Computer Information Systems In the current Internet age, more and more people, organizations, and businesses access the web to share and search for information. A web-based resource is often organized and presented based on its knowledge models (categorization structures). The static and inflexible knowledge models of web-based resources have become a major challenge for web users to successfully use and understand the information on the web. In this dissertation, I propose a research approach to generate user-centric dynamic and adaptable knowledge models for web-based resources. The user-centric feature means that a knowledge model is created based on a web user specified perspective for a web resource and that the user can provide feedback on the model building process. The dynamic feature means the knowledge models are built on the fly. The adaptable feature means the web user can have control of the user adaptation process by specifying his or her perspective for the web resource of interest. In this study, I apply a design science paradigm and follow the General Design Cycle (Vaishnavi and Kuechler 2004) during the course of research. A research prototype, Semantic Facilitator TM SM V2.0, has been implemented based on the proposed approach. A simulation-based experimentation is used to evaluate the research prototype. The experimental results show that the proposed research approach can effectively and efficiently create knowledge models on the fly based on a web user preferred perspective for the web resource. I found that incorporating user feedback into the modeling building process can greatly improve the quality of the knowledge models. At the end of the dissertation, I discuss the limitations and future directions of this research.

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Thèse diffusée initialement dans le cadre d'un projet pilote des Presses de l'Université de Montréal/Centre d'édition numérique UdeM (1997-2008) avec l'autorisation de l'auteur.

This thesis presents an adaptive and reconfigurable mobile robot: the Dual Mobile Robot (DMR). It is driven by two adaptive track-wheel driving modules that combine wheels and tracks to allow real-time interchangeability according to terrain condition. The DMR can automatically convert from a wheel-based robot into a track-based robot by rotating the track-wheel driving modules by 90 degrees, either only tracks or wheels contact with the ground without any interference. It can be driven as a wheel-based robot when operating over a paved road to achieve higher speed and low energy consumption, and as a track-based robot over uneven terrain. In addition, unlike most state-of-the-art mobile robot designs that have an integrated architecture, this design provides a modular architecture which allows modifications and upgrades to be performed via simple replacements or local changes of modules. To establish the modular architecture, this research utilized a unique design paradigm, “Design for product adaptability”. A function-based design process for product adaptability has been conducted in the conceptual design stage. By following the design process, two types of design alternatives of the DMR have been created. After the best product configuration was chosen through evaluation and prioritization, the selected configuration has been implemented by detail design. The DMR prototype was developed and tested to demonstrate its adaptability and advanced mobility functions in real-world environments. The experimental results successfully validated the hypothesis of the proposed robot with its track-wheel interchangeable ability, significantly exceeding the capability of other existing systems.

This thesis presents an adaptive and reconfigurable mobile robot: the Dual Mobile Robot (DMR). It is driven by two adaptive track-wheel driving modules that combine wheels and tracks to allow real-time interchangeability according to terrain condition. The DMR can automatically convert from a wheel-based robot into a track-based robot by rotating the track-wheel driving modules by 90 degrees, either only tracks or wheels contact with the ground without any interference. It can be driven as a wheel-based robot when operating over a paved road to achieve higher speed and low energy consumption, and as a track-based robot over uneven terrain. In addition, unlike most state-of-the-art mobile robot designs that have an integrated architecture, this design provides a modular architecture which allows modifications and upgrades to be performed via simple replacements or local changes of modules. To establish the modular architecture, this research utilized a unique design paradigm, “Design for product adaptability”. A function-based design process for product adaptability has been conducted in the conceptual design stage. By following the design process, two types of design alternatives of the DMR have been created. After the best product configuration was chosen through evaluation and prioritization, the selected configuration has been implemented by detail design. The DMR prototype was developed and tested to demonstrate its adaptability and advanced mobility functions in real-world environments. The experimental results successfully validated the hypothesis of the proposed robot with its track-wheel interchangeable ability, significantly exceeding the capability of other existing systems.

Un système de vision embarquée multi-capteurs est doté de plusieurs capteurs d'images de technologie différente.Il peut être un capteur couleur, un capteur infrarouge ou encore un capteur bas niveau de lumière.Les caractéristiques de ces capteurs sont également hétérogènes.Nous avons différentes fréquences trames, résolutions et dynamiques de pixels.Cette multiplicité et cette hétérogénéité des capteurs d'images permet à un système de vision de mieux répondre à ses besoins.En fait, un système de vision multi-capteurs doit fonctionner dans plusieurs milieux opérationnels (urbain, marin, boisé).Il doit également s'adapter à plusieurs conditions de luminosité (jour, nuit, faible éclairage).Enfin, la multiplicité des capteurs permet d'offrir des fonctionnalités intéressantes à l'utilisateur final : fusion multispectrale, vision panoramique, vision multi-champs.Le défi de conception est que l'ensemble de ces paramètres environnementaux et opérationnels peuvent varier dynamiquement au cours de l'utilisation du système de vision.Il est nécessaire que la conception de l'architecture tienne compte de cette variabilité dynamique du contexte d'utilisation.L'architecture doit présenter la flexibilité dynamique suffisante afin de s'adapter aux variations de contexte.Elle doit également pouvoir prendre conscience de l'évolution du contexte.La solution architecturale doit tout de même satisfaire les contraintes de surface et de consommation énergétique d'un système embarqué et portable.Nous proposons dans cette thèse un moniteur permettant à l'architecture actuelle de Safran de s'auto-adapter dynamiquement.Ce moniteur joue deux rôles dans l'auto-adaptation de l'architecture.D'une part, il observe en permanence les changements de contexte.D'autre part, il décide et pilote en conséquence les adaptations à effectuer sur l'architecture.L'observation porte sur l'environnement opérationnel et sur le système de vision multi-capteurs (y compris l'architecture).Le moniteur analyse les données d'observation et prend des décisions sur l'adaptation.Enfin, il commande les différents contrôleurs de l'architecture afin d'exécuter les adaptations requises par le changement de contexte.Nous introduisons un réseau de routeurs qui a pour principal objectif l'acheminement des données de monitoring.Le réseau proposé permet d'accéder à l'architecture sans pour autant compromettre le traitement des flux d'images.Ce réseau s'inspire de nos précédents travaux pour la mise en place d'un système de paquets de données cite{Ng2011}.Un dernier volet de notre proposition porte sur la gestion de la mémoire trames.Avec les changements de contexte permanents, le besoin en ressources de mémoire évolue dynamiquement.Pour une utilisation économique et optimale des ressources, il est nécessaire d'adapter l'attribution des ressources au fil des variations des besoins.Nous présentons un contrôleur mémoire permettant l'allocation dynamique de l'espace mémoire et la régulation dynamique de la distribution de la bande passante mémoire.Nous évaluons les différents volets de notre proposition à l'aide d'une implémentation sur un FPGA Cyclone V de chez ALTERA (5CGX).Nous présentons les validations progressivement au fur et à mesure que nous abordons chaque volet de notre proposition.Chaque validation présente les performances en temps et en surface / An embedded multi-sensor vision system involves several types of image sensors such as colour, infrared or low-light sensor.Characteristics of the sensors are often various (different resolution, frame rate and pixel depth).Hence, the vision system has to deal with several heterogeneous image streams.That multiplicity and the heterogeneity of the sensors help to face various environmental contexts.We consider a multi-sensor vision system that has to work in different area (city, sea, forest) and handle several operations (multispectral fusion, panoramic, multifocus).The vision system has to also face various luminosity conditions : day, night or low-light condition.The challenge of designing architecture for such a vision system is that the working context can dynamically vary.The designer has to take in account this dynamic variation of the working context.The architecture should be enough flexible to adapt its processing to the requirements of the context.It also has to be able to detect any variation of the context and adapt itself according to the context.Above all, the design should satisfy area and power constraints of an embedded and portable system.In this thesis, we propose an embedded monitor enabling dynamic auto-adaptation of the current multi-stream architecture of Safran.The monitor accomplishes two tasks for the auto-adaptation of the architecture.First, he continuously observes changes of both external and internal contexts.Then, he decides the adaptation that the architecture needs in response to the context variation.Observation of the external context is about the type of the area and the luminosity conditions.While, observation of the internal context focuses on the current status of the vision system and its architecture.To perform the adaptation, the monitor sends adaptation commands toward controllers of the architecture.We introduce a Network-on-Chip (NoC) based interconnexion layer to fulfill monitoring communication.This NoC is inspired from our previous work cite{Ng2011}.This layer allows observing and commanding the processing stages without compromising the existing pixels streams.Routers of the NoC are responsible for routing observation data from processing stages to the monitor and adaptation commands from the monitor toward processing stages.The proposed NoC takes in account the heterogeneity of working frequencies.Finally, we present a memory controller that enables dynamic allocation of the frame memory.When the working context changes, memory resources requirements change too.For an optimised and economical resources utilisation, we propose to dynamically adapt the frame buffer allocation.Also, the proposed has the possibility to dynamically manage the bandwidth of the frame memory.We introduce a pondered round robin-based method with the ability to adapt the weights on-the-fly.Our proposition has been evaluated with a typical Safran multi-stream architecture.It has been implemented in a FPGA target.Area performances have been evaluated through synthesis for a ALTERA Cyclone V FPGA (5CGX).Latency performances have been evaluated thanks to ModelSim simulations

Les besoins croissants continuels de la médecine et de la santé accentuent la nécessité de systèmes d'alertes médicales bien adaptés. Ces systèmes d'alerte peuvent être utilisés par une variété de patients et d'acteurs médicaux. Ils devraient permettre de contrôler un large éventail de variables médicales. Nous proposons Tempas, un système d'alertes paramétrées par les utilisateurs. Aux alertes détectées on associées deux indices de qualité. L'indice d'applicabilité qui exprime dans quelle mesure un patient est concerné par l'alerte, et l'indice de confiance qui exprime la fiabilité de l'alerte concernant la fraicheur des données utilisées lors de sa détection. Les indices de qualité associés à une alerte détectée se calculent grâce aux informations liées à une situation d'alerte paramétrée par l'utilisateur. Une situation d'alerte est définie à partir d'une composition de conditions d'activation. Une condition d'activation est construite à partir d'une valeur linguistique exprimant l'état (par exemple température élevée) ou la tendance (par exemple tension systolique à la hausse) d'une entité observable (la température, la tension systolique, etc.). Lorsque la situation d'alerte est évaluée, le système utilise les connaissances préparées préalablement par les utilisateurs concernant les valeurs linguistiques. C'est-à-dire, quelle valeur linguistique représente le mieux une valeur quantitative sous un contexte spécifique. Les alertes détectées pouvant être nombreuses, nous définissons un politique de notification pour ne notifier que les alertes pertinentes dans le but de ne pas fatiguer les utilisateurs. D'abord les alertes sont filtrées à partir des indices de qualité. Parmi les alertes restantes, le système filtre par expressivité : choisir les tendances plus durables et les valeurs linguistiques les plus expressives. Ensuite, dans le cas d'alertes consécutives, le système ne garde que les alertes qui accomplissent les préférences des utilisateurs, comme celles dont l'indice d'applicabilité augmente. L'objectif final est de fidéliser l'utilisateur au système d'alertes en lui fournissant un service de qualité. Il s'approprie le système en même temps qu'il définit les situations d'alerte. Ainsi, il est capable de l'adapter lui-même au contexte afin d'obtenir des alertes de meilleure qualité. L'adaptation est guidée par les indices de qualité utilisés pour réduire les faux-positifs et faux-négatifs ainsi que pour contrôler la sur-notification d'alertes. Nous proposons de nous appuyer sur les systèmes existants en apportant des fonctionnalités de dynamisme et d'évolution, ainsi que des facilités de paramétrage et d'adaptation en temps réel au contexte d'utilisation afin d'exploiter au mieux les observations. / The continuous increasing needs in medicine and healthcare, accentuate the need of well-adapted medical alert systems. Such alert systems may be used by a variety of patients and medical actors. These systems should allow monitoring a wide range of medical variables. We work on Tempas an alert system setup by users. Detected alerts have two quality indices. The applicability index which indicates how well a patient is affected by the alert, and the confidence index, which expresses the reliability of the alert concerning the freshness of the data used in its detection. Quality indices associated with a detected alert are calculated using information related to an alert situation configured by the user. An alert situation is defined from multiple activation conditions. An activation condition is constructed from a linguistic value expressing the state (e.g. high temperature) or trend (e.g. systolic blood pressure rising) of an observable entity (temperature, systolic blood pressure, etc.). When the alert condition is evaluated, the system uses knowledge previously prepared by users regarding linguistic values. That is, what linguistic value best represents a quantitative value in a specific context. Since many alerts can be detected, we define a notification policy to notify only the relevant alerts in order to keep the users' interest. First alerts are filtered from the quality indices. Of the remaining alerts, the system filters by expressiveness: to keep more sustainable trends and the most expressive linguistic values. Then, in the case of consecutive alerts, the system keeps only those that fulfill the user preferences, such as those whose applicability index increases. The ultimate goal is to keep the user loyalty to the alert system by providing quality service. The user appropriates the system while he defines the alert situation. Thus, he is able to adapt the alert situation by himself to the context to obtain better alerts. The adaptation is guided by quality indices used to reduce false positives and false negatives as well as to control the over-alerting. We propose to leverage existing systems by providing dynamism and evolution features, as well as facilities for setup and real-time adaptation to the context of use in order to fully exploit the observations.

Les systèmes multiprocesseurs sur puce (MPSoC) offrent des performances supérieures tout en conservant la flexibilité et la réutilisabilité grâce à la customisation du logiciel embarqué. Alors que la plupart de MPSoC sont aujourd'hui hétérogènes pour mieux répondre aux besoins des applications ciblées, les MPSoCs homogènes pourraient devenir dans un proche avenir une alternative viable apportant d'autres avantages tels que l'équilibrage de charge de l'exécution, la migration des tâches et l'ájustement de fréquence dynamique. Cette thèse s'appuie sur une plateforme MPSoC homogène, développée pour explorer techniques d'adaptation en ligne. Chaque processeur de ce système est compact et exécute un système d'exploitation préemptif qui surveille diverses métriques et est habilité à prendre des décisions de remapping grâce à des techniques de migration de code et du changement dynamique de la fréquence. Cette approche permet la mise en œuvre des capacités de raffinage d'application à l'exécution en fonction de différents critères. / Multiprocessor Systems-on-Chip (MPSoC) offer superior performance while maintaining flexibility and reusability thanks to software oriented personalization. While most MPSoCs are today heterogeneous for better meeting the targeted application requirements, homogeneous MPSoCs may become in a near future a viable alternative bringing other benefits such as run-time load balancing, task migration and dynamic frequency scaling. This thesis relies on a homogeneous NoC-based MPSoC platform developed for exploring scalable and adaptive on-line continuous mapping techniques. Each processor of this system is compact and runs a tiny preemptive operating system that monitors various metrics and is entitled to take remapping decisions through code migration techniques and dynamic frequency scaling. This approach that endows the architecture with decisional capabilities permits refining application implementation at run-time according to various criteria.

En esta memoria se describen los fundamentos, procedimientos y resultados obtenidos en la implementación de un conjunto de estrategias de control de temperatura sobre una plataforma de automatización industrial. Este desarrollo fue aplicado a una planta piloto de calentamiento inductivo de fluidos de pasada (PPCI) con aplicaciones directas en procesos de Biolixiviación. El principal objetivo del trabajo es obtener una implementación de un sistema de control que sea robusto frente a las perturbaciones medioambientales propias de un contexto de montaña. Este trabajo se enmarca en el proyecto FONDEF D05I10098 “Mejoramiento de Operaciones de Biolixiviación de Minerales de Cobre y Electro-Obtención en Plantas a Gran Altura Mediante Calentamiento de Soluciones por Inducción Magnética”, donde participan la Universidad de Chile, la Universidad Técnica Federico Santa María, IDT S.A. y AngloAmerican Chile. Las estrategias de control aquí implementadas y evaluadas comparativamente fueron 3: Control PI Tradicional, Control PI Fraccionario (FOPI) y Control Adaptable Combinado por Referencia a Modelo (CMRAC). De este último esquema se desarrollaron 2 versiones para procesamiento en tiempo discreto: una basada en la discretización de la formulación de tiempo continuo de la estrategia (CMRAC-C) y otra a partir de la formulación en tiempo discreto de la estrategia (CMRAC-D). La implementación se realizó en un controlador industrial NI compact FieldPoint programado en ambiente LabView, esto con el fin de contar con una plataforma tecnológica de control confiable bajo condiciones de operación ambientales adversas. La metodología aplicada comenzó con la programación de las estrategias de control en la plataforma industrial. Luego, se probó su correcta implementación aplicándolas a una planta de prueba, consistente en un motor de inducción manejado por un variador de frecuencia, manipulando este último con el controlador. Los resultados obtenidos en esta planta fueron utilizados para realizar de forma iterativa correcciones y ajustes a la implementación, validando su funcionamiento. Hecho esto, se procedió a probar las estrategias en la PPCI, comparando el desempeño de cada estrategia discutiendo sobre cuál es la más adecuada para las condiciones de operación requeridas. Producto del proceso de corrección iterativo en la planta de prueba se detectaron problemas con la implementación discreta del operador integro-diferencial fraccionario, necesario para la aplicación de la estrategia FOPI. Al utilizar una ventana de datos, la información que se pierde resulta relevante, obteniéndose resultados deficientes. Se propuso una forma de aproximar dichos datos perdidos prolongando el período de validez del resultado, lo que se traduce en un mejoramiento considerable en el cálculo de la acción de control de la estrategia FOPI. Esta aproximación fue validada mediante simulaciones aplicándose a algunos sistemas sencillos y probada experimentalmente en la planta de prueba. Los resultados obtenidos permiten concluir que, para un punto de operación particular, con cualquiera de las estrategias de control estudiadas puede obtenerse un buen seguimiento de referencia. En estas condiciones, el comportamiento obtenido con las estrategias adaptables es considerablemente más lento que aquel obtenido con los controladores lineales PI tradicional y FOPI. Esto debido a que existe un retardo importante en la lectura de temperatura de la planta, lo que determina una mayor lentitud en la estimación de los parámetros adaptables. Sin perjuicio de lo anterior, las estrategias adaptables aplicadas presentaron comportamientos más robustos que las de parámetros fijos frente a cambios en las condiciones ambientales, lo que determina que potencialmente estas estrategias sean las más adecuadas para la operación del equipo en contexto de montaña. Con respecto a la comparación entre las dos implementaciones realizadas de la estrategia CMRAC, se mostró que con ambas estrategias fue posible obtener resultados de similar desempeño. Tomando en consideración que la versión CMRAC-C es considerablemente más simple y rápida de implementar que la CMRAC-D, además de ser conceptualmente más intuitiva, se sugiere utilizar la primera en el prototipo semi-industrial de 500KW que se esta construyendo dentro del proyecto FONDEF D05I10098.