Actuellement, les fabricants sont soumis à une pression économique importante et à une concurrence internationale accrue due à la globalisation des marchés. Pour réussir, les fabricants doivent être capables de répondre rapidement aux changements de la demande en adaptant leurs systèmes de production. Cette adaptation aux changements peut être réalisée à travers multiples reconfigurations du système de production.Les travaux présentés dans ce mémoire portent sur l'élaboration des méthodes de recherche opérationnelle permettant d'accompagner le décideur lors de la reconfiguration d'une ligne de transfert ou d'assemblage. Ce problème apparaît lorsqu'un nouveau produit doit être fabriqué par une ligne existante ou lorsqu'il y a eu des changements dans les caractéristiques du produit. Par conséquent, il devient nécessaire de modifier la configuration du système de production tout en minimisant les coûts induits. Ces coûts sont évalués différemment pour les systèmes automatisésou manuels. Dans le premier cas, qui correspond au cas des lignes de transfert, pour limiter les investissements, il est souhaitable de réutiliser au maximum les équipements existants à condition que les contraintes techniques et technologiques soient respectées. Dans le cas des lignes manuelles qui sont représentées dans notre étude par les lignes d'assemblage, l'objectif est de minimiser les coûts liés à l'apprentissage des opérateurs causés par la réaffectation de leurs tâches.Les méthodes de résolution exactes basées sur la modélisation mathématique et la programmation linéaire en nombre mixtes ainsi qu'une méthode de type goal programming sont développées dans ce travail pour argumenter la prise de décisions lors de la reconfiguration des lignes de production. Les méthodes proposées ont été testées avec succès sur des échantillons de problèmes proches des cas industriels et ont montré leur efficacité. / Global competition causes fluctuations in product demand and requires more frequent modifications of product characteristics. As a consequence, the production systems have to be frequently adapted to new production requirements.This work develops new combinatorial optimization methods for supporting decision makers at the reconfiguration stage considered for transfer and assembly lines. If new products have to be manufactured at the line or existing products are modified, then the line has to be reconfigured in order to meet new production requirements. In highly automated lines, as the transfer lines, the reconfiguration problem is focused on the readjustment of the equipment. To reduce the investment costs, the decision makers aim to reuse the available equipment as much as possible. The existence of compatibility constraints between new operations to be performed and existing facilities makes the reconfiguration problem hard and combinatorial.In manual assembly lines also studied in this thesis, the reconfiguration problem mostly concerns the reassignment of tasks to workers ant the minimization of the cost of retraining operators.The developed methods are based on the mathematical modelling and mixed integer programming, a goal programming approach is designed as well. These methods were successfully tested on a dataset of problem instances close to real industrial problems. The obtained results show the effectiveness and the efficiency of the solution methods proposed.

Les systèmes modernes subissent des pressions pour s'adapter à leur environnement en constante évolution afin de rester utiles. Traditionnellement, cette adaptation a été gérée lors des temps morts du système. il y a une demande croissante d'automatiser ce processus et de le réaliser pendant le fonctionnement du système. Les systèmes auto-adaptatifs ont été introduits en tant que réalisation de systèmes s'adaptant en permanence. Les systèmes auto-adaptatifs peuvent modifier au moment de l'exécution leur comportement et / ou leur structure en fonction de leur perception de l'environnement, du système lui-même et de leurs exigences. L'objectif de ce travail est de réaliser l'auto-configuration, une propriété essentielle et essentielle des systèmes auto-adaptatifs. L'auto-configuration est la capacité de reconfiguration automatique et dynamique en réponse aux changements. Cela peut inclure l’installation, l’intégration, le retrait et la composition / décomposition d’éléments du système.Cette thèse présente le framework Dr-BIP, une extension du framework BIP pour la modélisation de systèmes à configuration automatique qui repose sur une approche basée sur un modèle et basée sur des composants et des connecteurs pour prescrire des systèmes. La combinaison de ces deux approches exploite les avantages de chacune d’elles, faisant de leur combinaison une méthodologie idéale pour la réalisation de systèmes complexes à configuration automatique.Un modèle de système Dr-BIP est un modèle d'exécution qui capture le système en cours d'exécution à trois niveaux d'abstraction différents, à savoir les variantes de comportement, de configuration et de configuration. La configuration du système est capturée par le composant et les connecteurs. Dans un système de composants et de connecteurs, la configuration automatique peut avoir trois niveaux de granularité différents, notamment la possibilité d'ajouter ou de supprimer des connecteurs, d'ajouter ou de supprimer des composants et d'ajouter ou de supprimer des sous-systèmes. Dr-BIP prend en charge l'ajout et le retrait explicites de composants et de sous-systèmes, mais l'ajout et le retrait implicites de connecteurs. Le principal avantage de compter sur une addition et une suppression implicites de connecteurs est la possibilité de garantir, par la construction, des topologies de configuration spécifiques.Pour capturer les trois niveaux d'abstraction, nous introduisons des motifs en tant que structures principales pour prescrire un système Dr-BIP à configuration automatique. Un motif définit un ensemble de composants qui évoluent en fonction de règles d'interaction et de reconfiguration. Un système est composé de plusieurs motifs pouvant éventuellement partager des composants et évoluer ensemble. Les règles d'interaction dictent la manière dont les composants composant le système peuvent interagir, tandis que les règles de reconfiguration dictent l'évolution de la configuration du système. Enfin, nous montrons que le cadre proposé est à la fois minimal et expressif en modélisant quatre systèmes différents à configuration automatique. Enfin, nous proposons un langage de modélisation pour codifier les concepts du cadre et fournir une implémentation d’interprète. / Modern systems are pressured to adapt in response to their constantly changing environment to remain useful. Traditionally, this adaptation has been handled at down times of the system. there is an increased demand to automate this process and achieve it whilst the system is running. Self-adaptive systems were introduced as a realization of continuously adapting systems. Self-adaptive systems are able to modify at runtime their behavior and/or structure in response to their perception of the environment, the system itself, and their requirements. The focus of this work is on realizing self-configuration, a key and essential property of self-adaptive systems. Self-configuration is the capability of reconfiguring automatically and dynamically in response to changes. This may include installing, integrating, removing and composing/decomposing system elements.This thesis introduces the Dr-BIP framework, an extension of the BIP framework for modeling self-configuring systems that relies on a model-based and component & connector approach to prescribe systems. The combination of both of these approaches exploits the benefits of each, making their combination an ideal methodology to realize complex self-configuring systems.A Dr-BIP system model is a runtime model which captures the running system at three different levels of abstraction namely behavior, configuration, and configuration variants. The system's configuration is captured by component and connectors. In a component and connector system, self-configuration can have three different levels of granularity which includes the ability to add or remove connectors, add or remove components, and add or remove subsystems. Dr-BIP supports explicit addition and removal of both components and subsystems, but implicit addition and removal of connectors. The main advantage of relying on an implicit addition and removal of connectors is the ability to guarantee by construction specific configuration topologies.To capture the three levels of abstraction, we introduce motifs as primary structures to prescribe a self-configuring Dr-BIP system. A motif defines a set of components that evolve according to interaction and reconfiguration rules. A system is composed of multiple motifs that possibly share components and evolve together. Interaction rules dictate how components composing the system can interact and reconfiguration rules dictate how the system configuration can evolve over time. Finally, we show that the proposed framework is both minimal and expressive by modeling four different self-configuring systems. Last but not least, we propose a modeling language to codify the framework concepts and provision an interpreter implementation.

Les canopées sont des assemblées compactes de plantes dont l'étude concerne de nombreuses problématiques environnementales. Des applications technologiques sont également envisageables. Les précédents travaux se sont principalement focalisés sur les écoulements au-dessus des canopées, considérées comme des rugosités de fond. La présence d'un point d'inflexion dans le profil de vitesses dans le fluide autorise le développement d'instabilités de type couche de mélange à l'interface. De plus, la prise en compte de la flexibilité des plantes complique le problème, car leur forme est modifiée par le courant pour réduire la traînée exercée sur elles --c'est le phénomène de reconfiguration-- mais elles ont également une dynamique propre qui peut éventuellement influencer l'écoulement. La démarche envisagée dans cette thèse est essentiellement expérimentale. Elle cherche à comprendre la réaction des tiges à différents types d'écoulements, afin d'étudier les effets collectifs inhérents à la canopée, et d'identifier les mécanismes communs qui en sont à l'origine. On utilise pour cela des tiges modèles très simples dans un canal étroit, ce qui assure une configuration quasi 2D et facilite les observations. Dans un premier temps, on étudie la réaction statique de la canopée à un écoulement établi. L'effet de la densité est très clair tant que les plantes sont assez proches, sinon elles se comportent comme si elles étaient seules. Ensuite, la canopée est soumise à un écoulement oscillant (houle), et, de la même façon, on étudie la différence de réaction entre une tige seule et une tige incluse dans une canopée. La troisième partie s'intéresse à la dynamique de la canopée soumise à un écoulement unidirectionnel, permettant le développement d'instabilités au sommet de la canopée. Le régime de grandes ondulations cohérentes de la canopée, apparenté au ‘monami' de la littérature, est caractérisé / Vegetation in rivers is often considered as a source of water resistance which slows down the water conveyance. It is also one of the main component for river equilibrium, insofar as it prevents body erosion by providing bed stabilization, it plays a vital role during floods. It is crucial for sediment transport, water quality and also shelter to provide the necessary habitat for the biodiversity of aquatic species. It is then useful to understand the mechanical behaviour of aquatic canopies resulting from the interaction between vegetation and a water flow. From land-use planning to river management, such a knowledge would also shed light upon plant biomechanics and improve bio-inspired engineering.Traditionally, studies on aquatic vegetation explored its influence on flow properties, like velocity distribution, wake dynamics, turbulence, water conveyance and sediment transport by considering it simply as a rigid or flexible roughness element.This thesis is an experimental work which aims at understanding how a model canopy reacts to a water flow depending on the canopy geometry and the flow conditions. Three different series of experiments are performed.First, the effect of density on the canopy reconfiguration and the corresponding drag reduction is investigated. The drag acting on the canopy, and also on individual sheets, is systematically measured. A strong sheltering effect exists as long as the spacing is smaller than a critical value depending on the sheet width.Then, the canopy is submitted to a wave flow to test its sensibility to a determined frequency. Each stem is found to act like a forced oscillator with a strong resonance at natural frequency (modified by canopy density).Finally, a parallel free flow allows mixing layer instabilities to develop above the canopy. Different behaviour are observed and characterized, especially the large coherent waving called 'monami'

La théorie des systèmes a acquis un statut interdisciplinaire au cours des cinq dernières décennies, et un aspect important de cette théorie concerne la commande automatique des systèmes dynamiques. Un dispositif de commande, appelé contrôleur ou régulateur, est un dispositif qu'on interconnecte à un système donné, qu'on désigne aussi sous le terme de procédé ou processus, de manière à réaliser un système global ayant un comportement désiré ou des performances spécifiées. Dans cette thèse, nous traitons de la problématique de la commande automatique des systèmes dynamiques sujets à des défaillances. Cette problématique est fortement motivée par les exigences de sûreté de fonctionnement des systèmes en milieu industriel où la commande tolérante aux défauts constitue un moyen pour améliorer la fiabilité et accroître la disponibilté des systèmes tout en assurant les performances souhaitées. Le travail présenté dans cette thèse porte essentiellement sur la synthèse de techniques de commande en ligne en vue de garantir une tolérance aux pannes à tout moment pour le système bouclé. Deux approches sont proposées, à savoir une première approche basée sur une banque de contrôleurs pré-conçus et une seconde approche basée sur la conception en ligne des commandes. L'originalité de ces approches réside dans le fait qu'aucune information a priori sur le procédé n'est exigée ou n'est disponible en temps réel. En particulier, aucune identification ni estimation des paramètres du procédé n'est effectuée en temps réel. La reconfiguration des contrôleurs suite à une défaillance du procédé se base uniquement sur les trajectoires réelles (signaux) issues du procédé. Nous utilisons l'approche comportementale des systèmes comme paradigme de modélisation mathématique pour le développement des solutions proposées. Dans ce cadre mathématique, le concept d'interconnexion entre deux systèmes dynamiques, à savoir le contrôleur et le procédé, joue un rôle important dans la formulation et la solution du problème de commande et permet de déterminer l'ensemble admissible des trajectoires du procédé qui sont compatibles avec les spécifications de performance. Du point de vue pratique, la réduction des transitoires lors de la reconfiguration des contrôleurs est l'une des exigences importantes dans les algorithmes de commandes tolérantes aux défauts. La dernière partie de la thèse traite de la gestion de ces transitoires à l'aide d'une technique d'implantation des contrôleurs en temps réel qui assure une transition sans-à-coup lors des reconfigurations. En outre, on illustre dans cette dernière partie de la thèse les solutions de commandes obtenues pour la tolérance aux fautes sur des exemples issus du monde réel, à savoir un procédé hydraulique constitué de deux bacs à niveau, un avion en phase d'approche à l'atterrissage, et une éolienne NREL de 5 mégawatts / The field of system and control theory has achieved an interdisciplinary status during the past five decades, and we refer to the theory that was developed during this period as the conventional control theory. This mainly relates to the study of automation and the design of controllers. A controller is a device that makes the interconnection with a given system so that the controlled system can behave in a desired way. In this thesis, we deal with the issues when the controlled system becomes faulty. The control of a faulty system addresses the concept of Fault-Tolerant Control System (FTCS). The study of such systems is in response to the demands of large-scale industries since from their viewpoint it is the foremost task to design control systems, which are capable of tolerating potential faults occurring either in the internal closedloops or from the environmental factors in order to improve the reliability and availability of a system while providing the expected performance. The work presented in this thesis is mainly focused on synthesizing the online controllers that guarantee the closed-loop system to be fault-tolerant at anytime. Two methodologies are proposed in this work, which rest under the broad classification of FTC systems, namely projection-based approach and online redesign approach. The novelty of these approaches lies in the fact that any a priori information about the plant is not available in realtime. In addition, no online identification or estimation of the operating plant is carried out. Rather, the re-configuration procedure of the controllers is solely based on the measurements generated by the unknown plant. This phenomenon is very nicely demonstrated by using the time-trajectory based viewpoint of behavioral theory. Within this mathematical framework, the interconnection between two dynamical systems, namely the plant and the controller, plays the significant role. Consequently, taking the benefits of this behavioral framework, the real-time measurement based solutions are proposed to handle the fault-tolerant control problem. From the practical implementation viewpoint, the transient management during the controller reconfiguration mechanism is one of the important requirements for active FTCS. The last part of the thesis deals with the online implementation of the controllers within the behavioral framework, which takes care of the transient mechanism. The proposed approach guarantees the "real-time smooth interconnection" between the controller and the unknown plant. Moreover, in this part the application of the theory developed in the thesis is effectively demonstrated on real-world examples, namely the two-tanks system, the aircraft landing mechanism, and the NREL's 5MW wind turbine system.

Pour supporter l’évolution constante des standards de communication numérique, du GSM vers la 5G, les équipements de communication doivent continuellement s’adapter. Face à l’utilisation croissante de l’internet, on assiste à une explosion du trafic de données, ce qui augmente la consommation d'énergie des appareils de communication sans fil et conduit donc à un impact significatif sur les émissions mondiales de CO2. De plus en plus de recherches se sont concentrées sur l'efficacité énergétique de la communication sans fil. La radio Intelligente, ou Cognitive Radio (CR), est considérée comme une technologie pertinente pour les communications radio vertes en raison de sa capacité à adapter son comportement à son environnement. Sur la base de métriques fournissant suffisamment d'informations sur l'état de fonctionnement du système, une décision optimale peut être effectuée en vue d'une action de reconfiguration, dans le but de réduire au minimum la dissipation d'énergie tout en ne compromettant pas les performances. Par conséquent, tout équipement intelligent doit disposer d’une architecture de gestion de la reconfiguration. Nous avons retenu l’architecture HDCRAM (Hierarchical and Distributed Cognitive Radio Architecture Management), développée dans notre équipe, et nous l’avons déployée sur des plates-formes hétérogènes. L'un des objectifs est d'améliorer l'efficacité énergétique par la mise en œuvre de l’architecture HDCRAM. Nous l’avons appliquée à un système OFDM simplifié pour illustrer comment HDCRAM permet de gérer efficacement le système et son adaptation à un environnement évolutif. / As the digital communication systems evolve from GSM and now toward 5G, the supported standards are also growing. The desired communication equipments are required to support different standards in a single device at the same time. And more and more wireless Internet services have been being provided resulting in the explosive growth in data traffic, which increase the energy consumption of the communication devices thus leads to significant impact on global CO2 emission. More and more researches have focused on the energy efficiency of wireless communication. Cognitive Radio (CR) has been considered as an enabling technology for green radio communications due to its ability to adapt its behavior to the changing environment. In order to efficiently manage the sensing information and the reconfiguration of a cognitive equipment, it is essential, first of all, to gather the necessary metrics so as to provide enough information about the operating condition thus helping decision making. Then, on the basis of the metrics obtained, an optimal decision can be made and is followed by a reconfiguration action, whose aim is to minimize the power dissipation while not compromising on performance. Therefore, a management architecture is necessary to be added into the cognitive equipment acting as a glue to realize the CR capabilities. We introduce a management architecture, namely Hierarchical and Distributed Cognitive Radio Architecture Management (HDCRAM), which has been proposed for CR management by our team. This work focuses on the implementation of HDCRAM on heterogeneous platforms. One of the objectives is to improve the energy efficiency by the management of HDCRAM. And an example of a simplified OFDM system is used to explain how HDCRAM works to efficiently manage the system to adapt to the changing environment.

La radio logicielle est une technologie prometteuse pour répondre aux exigences de flexibilité des nouvelles générations de standards de communication. Elle peut être facilement reprogrammée au niveau logiciel pour implémenter différentes formes d'onde. En s'appuyant sur une technologie dite logicielle telle que les microprocesseurs, cette approche est particulièrement flexible et assez facile à mettre en œuvre. Cependant, ce type de technologie conduit généralement à une faible capacité de calcul et, par conséquent, à des débit faibles. Pour résoudre ce problème, la technologie FPGA s'avère être une bonne alternative pour la mise en œuvre de la radio logicielle. En effet, les FPGAs offrent une puissance de calcul élevée et peuvent être reconfigurés. Ainsi, inclure des FPGAs dans le concept de radio logicielle peut permettre de prendre en charge plus de formes d'onde avec des exigences plus strictes qu'une approche basée sur la technologie logicielle. Cependant, les principaux inconvénients d’une conception à base de FPGAs sont le niveau du langage de description d'entrée qui doit typiquement être le niveau matériel, et le temps de reconfiguration qui peut dépasser les exigences d'exécution si le FPGA est entièrement reconfiguré. Pour surmonter ces problèmes, cette thèse propose une méthodologie de conception qui exploite à la fois la synthèse de haut niveau et la reconfiguration dynamique. La méthodologie proposée donne un cadre pour construire une radio flexible pour la radio logicielle à base de FPGAs et qui peut être reconfigurée pendant l'exécution. / Software defined radio (SDR) is a promising technology to tackle flexibility requirements of new generations of communication standards. It can be easily reprogrammed at a software level to implement different waveforms. When relying on a software-based technology such as microprocessors, this approach is clearly flexible and quite easy to design. However, it usually provides low computing capability and therefore low throughput performance. To tackle this issue, FPGA technology turns out to be a good alternative for implementing SDRs. Indeed, FPGAs have both high computing power and reconfiguration capacity. Thus, including FPGAs into the SDR concept may allow to support more waveforms with more strict requirements than a processor-based approach. However, main drawbacks of FPGA design are the level of the input description language that basically needs to be the hardware level, and, the reconfiguration time that may exceed run-time requirements if the complete FPGA is reconfigured. To overcome these issues, this PhD thesis proposes a design methodology that leverages both high-level synthesis tools and dynamic reconfiguration. The proposed methodology is a guideline to completely build a flexible radio for FPGA-based SDR, which can be reconfigured at run-time.

Le Cloud Computing est un paradigme émergent dans les technologies de l'information. L'un de ses atouts majeurs étant la mise à disposition des ressources fondée sur le modèle pay-as-you-go. Les ressources Cloud se situent dans un environnement très dynamique. Cependant, chaque ressource provisionnée offre des services fonctionnels et peut ne pas offrir des services non fonctionnels tels que la supervision, la reconfiguration, la sécurité, etc. Dans un tel environnement dynamique, les services non fonctionnels ont une importance critique pour le maintien du niveau de service des ressources ainsi que le respect des contrats entre les fournisseurs et les consommateurs. Dans notre travail, nous nous intéressons à la supervision, la reconfiguration et la gestion autonomique des ressources Cloud. En particulier, nous mettons l'accent sur les applications à base de services. Ensuite, nous poussons plus loin notre travail pour traiter les ressources Cloud d'une manière générale. Par conséquent, cette thèse contient deux contributions majeures. Dans la première contribution, nous étendons le standard SCA (Service Component Architecture) afin de permettre l'ajout de besoins en supervision et reconfiguration à la description des composants. Dans ce contexte, nous proposons une liste de transformations qui permet d'ajouter automatiquement aux composants des facilités de supervision et de reconfiguration, et ce, même si ces facilités n'ont pas été prévues dans la conception des composants. Ceci facilite la tâche au développeur en lui permettant de se concentrer sur les services fonctionnels de ses composants. Pour être en conformité avec la scalabilité des environnements Cloud, nous utilisons une approche basée sur des micro-conteneurs pour le déploiement de composants. Dans la deuxième contribution, nous étendons le standard OCCI (Open Cloud Computing Interface) pour ajouter dynamiquement des facilités de supervision et de reconfiguration aux ressources Cloud, indépendamment de leurs niveaux de service. Cette extension implique la définition de nouvelles Ressources, Links et Mixins OCCI pour permettre d'ajouter dynamiquement des facilités de supervision et de reconfiguration à n'importe quelle ressource Cloud. Nous étendons par la suite nos deux contributions de supervision et reconfiguration afin d'ajouter des capacités de gestion autonomique aux applications SCA et ressources Cloud. Les solutions que nous proposons sont génériques, granulaires et basées sur les standards de facto (i.e., SCA et OCCI). Dans ce manuscrit de thèse, nous décrivons les détails de nos implémentations ainsi que les expérimentations que nous avons menées pour l'évaluation de nos propositions / Cloud Computing is an emerging paradigm in Information Technologies (IT). One of its major assets is the provisioning of resources based on pay-as-you-go model. Cloud resources are situated in a highly dynamic environment. However, each provisioned resource comes with functional properties and may not offer non functional properties like monitoring, reconfiguration, security, accountability, etc. In such dynamic environment, non functional properties have a critical importance to maintain the service level of resources and to make them respect the contracts between providers and consumers. In our work, we are interested in monitoring, reconfiguration and autonomic management of Cloud resources. Particularly, we put the focus on Service-based applications. Afterwards, we push further our work to treat Cloud resources. Consequently, this thesis contains two major contributions. On the first hand, we extend Service Component Architecture (SCA) in order to add monitoring and reconfiguration requirements description to components. In this context, we propose a list of transformations that dynamically adds monitoring and reconfiguration facilities to components even if they were designed without them. That alleviates the task of the developer and lets him focus just on the business of his components. To be in line with scalability of Cloud environments, we use a micro-container based approach for the deployment of components. On the second hand, we extend Open Cloud Computing Interface standards to dynamically add monitoring and reconfiguration facilities to Cloud resources while remaining agnostic to their level. This extension entails the definition of new Resources, Links and Mixins to dynamically add monitoring and reconfiguration facilities to resources. We extend the two contributions to couple monitoring and reconfiguration in order to add self management capabilities to SCA-based applications and Cloud resource. The solutions that we propose are generic, granular and are based on the de facto standards (i.e., SCA and OCCI). In this thesis manuscript, we give implementation details as well as experiments that we realized to evaluate our proposals

Processing power is a key technical challenge holding back the development of a high-performance software defined radio (SDR). Traditionally, SDR has utilized digital signal processors (DSPs), but increasingly complex algorithms, higher data rates, and multi-tasking needs have exceed the processing capabilities of modern DSPs. Reconfigurable computers, such as field-programmable gate arrays (FPGAs), are popular alternatives because of their performance gains over software for streaming data applications like SDR. However, FPGAs have not yet realized the ideal SDR because architectures have not fully utilized their partial reconfiguration (PR) capabilities to bring needed flexibility. A reconfigurable processor architecture is proposed that utilizes PR in reconfigurable computers to achieve a more sophisticated SDR. The proposed processor contains run-time swappable blocks whose parameters and interconnects are programmable. The architecture is analyzed for performance and flexibility and compared with available alternate technologies. For a sample QPSK algorithm, hardware performance gains of at least 44x are seen over modern desktop processors and DSPs while most of their flexibility and extensibility is maintained.

Reconfigurable computing is an evolving paradigm in computer architecture where the ability to load different designs onto a field programmable gate array (FPGA) at execution time has proven useful in adapting FPGA prototypes to a wide range of applications. Reconfiguration techniques can be primarily categorized as Partial Dynamic Reconfiguration (PDR) and Partial Bitstream Relocation (PBR). PDR involves reconfiguring a single Partial Reconfiguration Region (PRR) with a partial bitstream, while PBR is targeted at reconfiguring multiple PRRs on the FPGA with a partial bitstream. Previous techniques have primarily focused on using either slower off-chip memory or on-chip memory-based solutions to store the partial bitstream, and then reconfigure a PRR on the FPGA. Another technique called Accelerated Relocation Circuit (ARC) provides a more efficient method where a PRR (active bitstream) is used to relocate to other PRRs on the fly using minimal on-chip memory. This thesis proposes a novel technique for Memory-based Frame Data Reconfiguration (M-FDR) of multi-row PRRs. ARC hardware was re-architected to provide an improved frame data reconfiguration framework, called Accelerated Memory-based Reconfiguration Circuit (AMRC) for use in MBR scenarios. A performance prediction model is also proposed that confirms the speedup achieved by AMRC, in comparison to ARC and earlier methods. This technique was found to be 26.6% faster than ARC in PRR-PRR relocation. In comparison to other relocation techniques like Bit Relocation Filter (BiRF), AMRC provides a speedup of 231x. The AMRC method was also able to dynamically parallelize multi-row designs with an average context switching time of 0.37 ms.

The objective of this thesis is to develop a method for the reconfiguration of three-dimensional modular robots. A modular robot is composed of simple individual building blocks or modules. Each of these modules needs to be controlled and actuated individually in order to make the robot perform useful tasks. The presented method allows us to reconfigure arbitrary initial configurations of modules into any pre-specified target configuration by using graph grammar rules that rely on local information only. Local in a sense that each module needs just information from neighboring modules in order to decide its next reconfiguration step. The advantage of this approach is that the modules do not need global knowledge about the whole configuration. We propose a two stage reconfiguration process composed of a centralized planning stage and a decentralized, rule-based reconfiguration stage. In the first stage, paths are planned for each module and then rewritten into a ruleset, also called a graph grammar. Global knowledge about the configuration is available to the planner. In stage two, these rules are applied in a decentralized fashion by each node individually and with local knowledge only. Each module can check the ruleset for applicable rules in parallel. This approach has been implemented in Matlab and currently, we are able to generate rulesets for arbitrary homogeneous input configurations.