Η διπλωματική αυτή εργασία έχει ως στόχο να δώσει στον αναγνώστη της μια σαφή εικόνα των μεθόδων αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας που υπάρχουν σήμερα, αναφέροντας εφαρμογές αυτών σε διάφορα Συστήματα Ηλεκτρικής Ενέργειας ανά τον κόσμο. Πιο συγκεκριμένα, στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια αναφορά στους λόγους που επιβάλουν την αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας, παρουσιάζοντας εν συντομία όλες τις μεθόδους αποθήκευσης που θα αναλυθούν στα επόμενα κεφάλαια. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζεται αρχικά η μέθοδος αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας με υπεραγώγημα πηνία και στη συνέχεια βλέπουμε τα αποτελέσματα εφαρμογής των συστημάτων αυτών τόσο σε επίπεδο εξομοίωσης όσο και σε πραγματικές περιπτώσεις. Στο τρίτο κεφάλαιο περιγράφεται η αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας με μπαταρίες. Αφού αναφερθούν οι κατηγορίες τους και τα χαρακτηριστικά μεγέθη τους, γίνεται μοντελοποίηση των μπαταριών και στη συνέχεια περιγράφονται δυο πραγματικές περιπτώσεις εφαρμογής των συστημάτων αυτών αποθήκευσης στο δίκτυο της Αμερικής. Στο τέταρτο κεφάλαιο περιγράφονται τα συστήματα αποθήκευσης με στρεφόμενες μάζες. Αναφέρονται τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματά τους, καθώς και τα χαρακτηριστικά των συστημάτων αυτών. Τέλος περιγράφεται η εφαρμογή των συστημάτων αυτών στην ρύθμιση της συχνότητας του δικτύου. Το πέμπτο κεφάλαιο μελετάει τα συστήματα αντλησιοταμίευσης στην αποθήκευσης ενέργειας. Αφού γίνει μια αναφορά στην υδροδυναμική ενέργεια, τα φράγματα και τους υδροστρόβιλους, εξετάζεται η περίπτωση εφαρμογής ενός τέτοιου συστήματος στο αυτόνομο σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας της Κρήτης. Στο έκτο κεφάλαιο μελετάται η χρήση των υπέρ-πυκνωτών στην αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας. Υπολογίζεται η ισοδύναμη χωρητικότητα συστήματος υπέρ-πυκνωτών καθώς και η απόδοση φόρτισης και εκφόρτισής του. Στο έβδομο κεφάλαιο γίνεται περιγραφή των συστημάτων αποθήκευσης με συμπιεσμένο αέρα και αναφέρονται δυο πραγματικές εφαρμογές των μονάδων αυτών καθώς και εκτιμώμενα μελλοντικά σχέδια ανάπτυξης νέων τέτοιων μονάδων. Στο όγδοο κεφάλαιο γίνεται μια σύντομη αναφορά στην πιθανή μελλοντική χρήση των κυψέλων υδρογόνου για αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας ενώ στο ένατο κεφαλαίο γίνεται μια σύντομη σύγκριση όλων των προαναφερόμενων διατάξεων αποθήκευσης βάση την ταχύτητα εκφόρτισής τους και βάση του κόστους εγκατάστασης ανά μονάδα παραγόμενης ενέργειας. Η διπλωματική εργασία κλείνει με ένα κεφάλαιο στο οποίο μελετάται η ενσωμάτωση των συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας στους ελεγκτές FACTS στο επίπεδο μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας και στις συσκευές CUSTOM POWER στο επίπεδο της διανομής. / -

Τη σημερινή εποχή, οι απαιτήσεις για αποθηκευτικές συσκευές που προσφέρουν πολύ υψηλές πυκνότητες σε εξαιρετικά μικρό μέγεθος και ταυτόχρονα υποστηρίζουν μεγάλες ταχύτητες στην ανταλλαγή δεδομένων, διαρκώς αυξάνουν. Ένα νέο πεδίο έρευνας ασχολείται με τη δυνατότητα εκμετάλλευσης των τεχνικών Μικροσκοπίας Ατομικής Δύναμης (AFM) για τη δημιουργία συσκευών ικανών να αποθηκεύουν δεδομένα με πολύ μεγαλύτερη πυκνότητα σε σχέση με τις συμβατικές συσκευές. Οι τεχνικές AFM χρησιμοποιούν μικροσκοπικές ακίδες, διαστάσεων μερικών νανομέτρων, με πολύ αιχμηρές άκρες, για να παρατηρούν και να τροποποιούν επιφάνειες σε ατομικό επίπεδο. Για την επίτευξη υψηλού ρυθμού εγγραφής και ανάγνωσης δεδομένων, χρησιμοποιούνται ηλεκτρομηχανικά συστήματα πολύ μικρής κλίμακας (Micro-electro-mechanical-systems, MEMS) αποτελούμενα από ακίδες που λειτουργούν παράλληλα. Κάθε ακίδα είναι προσαρμοσμένη σε έναν κατάλληλο βραχίονα και η συνολική διάταξη ονομάζεται probe. Κάθε probe εκτελεί λειτουργίες εγγραφής/ανάγνωσης/διαγραφής σε μια αφιερωμένη περιοχή του μέσου αποθήκευσης, η οποία ονομάζεται πεδίο αποθήκευσης. Στη διεθνή βιβλιογραφία έχουν προταθεί και μελετηθεί πειραματικά πολλές μέθοδοι εγγραφής και ανάγνωσης. Μια από αυτές είναι η θερμομηχανική μέθοδος αποθήκευσης, όπου η ψηφιακή πληροφορία αποθηκεύεται μέσω του φυσικού μηχανισμού δημιουργίας ή μη κοιλωμάτων διαμέτρου μερικών νανομέτρων σε πολυμερή υλικά με την χρήση ακίδας αντίστοιχων διαστάσεων. Η παρουσία (απουσία) κοιλωμάτων αντιστοιχεί στο λογικό '1' ('0'). Τα δεδομένα του χρήστη αποθηκεύονται με τη μορφή ακολουθιών κοιλωμάτων. Για την εγγραφή και την ανάγνωση των δεδομένων, το μέσο αποθήκευσης κινείται με σταθερή ταχύτητα σε σχέση με τη διάταξη των probes. Η κίνηση αυτή επιτυγχάνεται με χρήση ενός ηλεκτρομηχανικού συστήματος οδήγησης, το οποίο ελέγχεται από ένα σερβομηχανισμό. Κατά τη διάρκεια της εγγραφής/ανάγνωσης των δεδομένων, η κίνηση των probes πρέπει να γίνεται με μεγάλη ακρίβεια, καθώς όσο αυξάνουν οι αποκλίσεις σε σχέση με την κίνηση αναφοράς, ο ρυθμός των σφαλμάτων αυξάνεται με μη γραμμικό τρόπο. Εκτός από τον ενδογενή θερμικό θόρυβο και το θόρυβο κβαντισμού, αιτίες που μπορεί να προκαλέσουν αποκλίσεις στην κίνηση των probes είναι η μηχανική βλάβη της ακίδας ή κάποιο 'ξένo' σωματίδιο στο μέσο, οπότε σε αυτή την περίπτωση τα λάθη περιορίζονται σε ένα μόνο πεδίο. Μία άλλη αιτία τέτοιων αποκλίσεων είναι η εφαρμογή εξωτερικών διαταραχών στο ηλεκτρομηχανικό σύστημα οδήγησης η οποία μεταφράζεται σε διαταραχή στην κίνηση όλων των ακίδων, προκαλώντας έτσι την εμφάνιση λαθών σε όλα τα πεδία. Κατά συνέπεια, τα συστήματα αυτά είναι επιρρεπή σε λάθη ριπής. Στα συστήματα αποθήκευσης, τα δεδομένα του χρήστη λαμβάνονται με τη μορφή sectors σταθερού μεγέθους. Το γεγονός της όμοιας και ταυτόχρονης κίνησης όλων των probes, έχει οδηγήσει στην υιοθέτηση της τακτικής τα δεδομένα ενός sector να μοιράζονται σε ισόποσα μέρη ίσα με το πλήθος των πεδίων. Για την αντιμετώπιση των λαθών ριπής χρησιμοποιείται ένας συνδυασμός μη-δυαδικών κωδίκων διόρθωσης λαθών RS και κατάλληλων κυκλωμάτων διεμπλοκής που μετασχηματίζουν τα δεδομένα του χρήστη πριν αποθηκευτούν στο μέσο. Κάθε sector χωρίζεται σε κωδικολέξεις, ανάλογα με τα χαρακτηριστικά του κώδικα RS. Όμως, ανάλογα με τις παραμέτρους του συστήματος μπορεί να μην είναι εφικτή η τοποθέτηση του ίδιου αριθμού δεδομένων σε όλα τα πεδία. Σε αυτές τις περιπτώσεις, στα πεδία όπου υπάρχει κενό χρησιμοποιείται κατάλληλος αριθμός συμπληρωματικών συμβόλων (padding) που αποτελούνται από μηδενικά, μειώνοντας σημαντικά την αποδοτικότητα αποθήκευσης της συσκευής, ειδικά για μεγάλο αριθμό πεδίων. Στο πλαίσιο της διδακτορικής διατριβής προτάθηκε ένας βέλτιστος τρόπος κατανομής των δεδομένων του χρήστη που εξαλείφει τα συμπληρωματικά σύμβολα, μεγιστοποιώντας έτσι τη δυνατότητα αποθήκευσης της συσκευής και αυξάνοντας πάρα πολύ τη χωρητικότητα του συστήματος σε σχέση με τις μέχρι σήμερα γνωστές διαδικασίες. Στο πλαίσιο της διδακτορικής διατριβής μελετήθηκε επίσης το θέμα της αξιοπιστίας ενός συστήματος αποθήκευσης πολλαπλών πεδίων. Το γεγονός ότι τα συστήματα αυτά είναι επιρρεπή στην εμφάνιση λαθών ριπής καθιστά κρίσιμη τη μελέτη της αξιοπιστίας ενός τέτοιου συστήματος για όλες τις περιπτώσεις λαθών που μπορεί να εμφανιστούν και να διερευνηθεί η επίδραση των διαφόρων παραμέτρων του συστήματος, όπως ο αριθμός των πεδίων αποθήκευσης, το μέγεθος του sector και ο ρυθμός του κώδικα, στη διορθωτική ικανότητα του συστήματος, ώστε να εκτιμηθεί ο βέλτιστος συνδυασμός τους. Στην περίπτωση των συστημάτων αποθήκευσης, ως αξιοπιστία ορίζεται η πιθανότητα να διαβαστεί σωστά ο sector. Για τον λόγο αυτόν, αναπτύχθηκε το σύνολο των μαθηματικών μοντέλων και σχέσεων που επιτρέπουν τον υπολογισμό της πιθανότητας αυτής όταν στο σύστημα εμφανίζονται τόσο τυχαία λάθη όσο και λάθη ριπής σε ένα πεδίο αποθήκευσης ή σε όλα τα πεδία ταυτόχρονα. Ιδιαίτερη βαρύτητα δόθηκε στη μοντελοποίηση των λαθών ριπής που εμφανίζονται ταυτόχρονα σε όλα τα πεδία αποθήκευσης, εξαιτίας της εφαρμογής εξωτερικών επιταχύνσεων στο ηλεκτρομηχανικό σύστημα κίνησης, καθώς αυτή είναι η κύρια αιτία που μπορεί να οδηγήσει σε αποτυχία το σύστημα. Αναπτύχθηκε ένα πλήρες μοντέλο καναλιού λαθών ριπής που συσχετίζει την απόκλιση θέσης με την πιθανότητα εμφάνισης λαθών στα δεδομένα που είναι αποθηκευμένα στα πολλαπλά πεδία. Με βάση πειραματικές μετρήσεις περιγράφεται η επίδραση της διαταραχής στο κανάλι ανάγνωσης, ενώ ταυτόχρονα μοντελοποιούνται με τη χρήση διεργασιών Markov τα λάθη ριπής που εμφανίζονταισε επίπεδο συμβόλου στα διάφορα πεδία εξαιτίας της συγκεκριμένης διαταραχής. Είναι έτσι δυνατή η σε βάθος μελέτη του φυσικού μηχανισμού που εισάγει τα λάθη ριπής στα πολλαπλά πεδία, της συσχέτισης των λαθών που εμφανίζονται ταυτόχρονα στα διαφορετικά πεδία, όπως επίσης και της επίδρασης των εξωτερικών διαταραχών στη διορθωτική ικανότητα των διαδικασιών αποκωδικοποίησης. Η μελέτη της συσχέτισης των λαθών ριπής που επηρεάζουν ταυτόχρονα τα δεδομένα σε όλα τα πεδία αποθήκευσης οδήγησε στην ανάπτυξη μιας μεθόδου που εκμεταλλεύεται το χαρακτηριστικό της παράλληλης λειτουργίας των πεδίων και τη δυνατότητα επέκτασης της διορθωτικής ικανότητας των κωδίκων RS, όταν είναι γνωστή η θέση κάποιων από τα λάθη. Τα λάθη αυτά ονομάζονται erasures και η χρήση τους μπορεί να βελτιώσει την αξιοπιστία των διαδικασιών αποκωδικοποίησης χωρίς να αυξηθεί η πλεονάζουσα πληροφορία στο σύστημα. Η προτεινόμενη μέθοδος εφαρμόζεται στην περίπτωση που η διαταραχή είναι τέτοια ώστε να οδηγεί τη διαδικασία διόρθωσης λαθών σε αποτυχία αλλά τουλάχιστον μία κωδικολέξη διορθώθηκε σωστά οπότε οι θέσεις των λαθών της είναι γνωστές. Με βάση τις γνωστές θέσεις λαθών, εκτιμάται η πιθανότητα να υπάρχει λάθος στα σύμβολα των ίδιων θέσεων στα άλλα πεδία, τα οποία όμως ανήκουν σε κωδικολέξεις που δεν ήταν δυνατό να διορθωθούν αρχικά. Τα σύμβολα με τις μεγαλύτερες πιθανότητες τίθενται ως erasures και ένας δεύτερος γύρος αποκωδικοποίησης εκτελείται. Τα αποτελέσματα για την απόδοση της μεθόδου δείχνουν ότι υπάρχει μεγάλη βελτίωση στη διορθωτική ικανότητα του συστήματος. Συγκεντρωτικά, η παρούσα διατριβή ασχολήθηκε με τη βελτιστοποίηση της κατανομής δεδομένων σε συστήματα αποθήκευσης πληροφορίας πολλαπλών πεδίων, τη μοντελοποίηση των διαφόρων τύπων λαθών που εμφανίζονται σε τέτοια συστήματα, την ανάλυση της αξιοπιστίας των διαδικασιών αποκωδικοποίησης και διεμπλοκής δεδομένων και την πρόταση μεθόδων για τη βελτίωσή της. / Nowadays, the need for storage devices that offer very high densities at extremely small size and, at the same time, support very high data rates, is constantly increasing. A new research area investigates whether the Atomic Force Microscopy (AFM) techniques that use nanometer-sharp tips for imaging and investigating the structure of materials down to the atomic scale, can be exploited to create data storage devices capable of storing data with much higher density than conventional devices. To achieve high data read/write rates, micro-electro-mechanical-systems (MEMS) with arrays of probes operating simultaneously are used, with each probe performing read/write/erase operations in a dedicated storage field. Several methods of probe-based data recording have been proposed and experimentally studied. One such method is the thermomechanical one, where digital information is stored by forming nanometer-scale indentations in thin polymer films. The presence or absence of indentations corresponds to logical ones or zeros, respectively. The user data are stored in the form of sequences of indentations. For writing and reading data, the storage medium is moved at a constant velocity underneath the array of probes. This movement is achieved using a MEMS-based microscanner with X/Y motion capability. During the read/write operations, the movement of the probes must be extremely precise, since even the slightest deviations from the reference movement increase the data error rate in a non-linear way. Apart from the intrinsic thermal and quantization noise, other causes that result to deviations in the movement of the probes, are, among others, a mechanical failure of a tip or a dust particle on the polymer medium. In these cases burst errors appear in a single field. Another severe error condition is observed when an external disturbance is applied to the system. In this case, all probes are affected simultaneously by the same statistical characteristics, leading to the occurrence of burst errors in all fields. Consequently, these storage systems are prone to burst errors. In storage systems, user data are usually exchanged in the form of fixed-size sectors. Due to the simultaneous movement of all probes, the technique of partitioning the user data sector into equal parts, each of which is stored in a different field, is usually applied. To deal with burst errors, a combination of non-binary Reed-Solomon (RS) error correction codes and appropriate interleaving circuits is used. So, initially each sector is divided into a number of codewords, depending on the characteristics of the RS code. However, depending on the system parameters it may not be possible to allocate the same number of data in all storage fields. In such a case, the gaps are filled with zero padding symbols, reducing the storage efficiency of the device, especially when the number of fields is large. The thesis proposes an optimal data allocation method that eliminates the unnecessary information, and therefore maximizes the storage efficiency of the device and increases at the same time the system capacity compared with the hitherto known processes. The thesis also studies the reliability of a probe-based storage device with multiple fields. The fact that these systems are prone to burst errors makes it critical to study their reliability for all possible cases of errors that may occur and investigate the effect of the various system parameters, such as the number of storage fields, the sector size and the RS code rate, on the error correction capability of the system, so that the optimal combination is determined. Regarding storage systems, the reliability is defined as the probability of correct sector retrieval. For that reason, the necessary mathematical models have been developed and the equations have been specified, which allow the calculation of the correct sector retrieval probability when the system is affected by all types of errors, namely random errors and burst errors, either in a single storage field or in all fields simultaneously. Particular focus was placed on the modeling of burst errors that occur simultaneously in all storage fields, due to the application of external disturbances to the entire system, which is the main source of errors that can lead the system to failure. A complete burst errors channel model has been developed, which describes the correlation between the deviations in the movement of the probes and the probability of error appearance in the data stored in the multiple fields. Based on experimental data, the effect of the disturbance on the reading channel is described, while the burst errors that appear consequently in the symbols stored in the various fields are modeled using Markov processes. It is thus possible to study thoroughly the physical mechanism that introduces burst errors in the multiple storage fields, the correlation of the errors that occur simultaneously in the different fields, as well as the impact of the level of the external disturbances on the error correction capability of the decoding scheme. The study of the correlation among the burst errors that appear in all storage fields due to external disturbances led to the development of a new method that exploits the simultaneous operation of the probes and the possibility to extend the error correction capability of the RS codes, when the position of a number of errors, called erasures, is known, and improves the reliability of the decoding procedures without increasing the redundancy used in the system. The proposed method is applicable when the disturbance is such that it leads to a sector retrieval failure but at least one codeword was properly corrected and the positions of its errors are revealed. Based on the known error locations, an estimate of the probability that the symbols that lie at the same positions in the other fields, but belong to non-decodable codewords, are in error is produced. Then, a second decoding iteration that employs the additional information is executed. The results regarding the performance of the method show that there is a big improvement in the error correction capability of the system. In summary, the thesis deals with the optimization of the data allocation method in storage systems that use multiple fields that operate simultaneously, the modeling of the different types of errors that occur in such systems, the analysis of the reliability of the decoding and data interleaving procedures and finally, the introduction of new methods that improve their effectiveness.

Πολλά πρότυπα ασφαλούς επικοινωνίας, όπως το secure shell (SSH), IP security (IPsec), καθώς και διάφορες μορφές κρυπτογράφησης e-mail δημιουργήθηκαν για να προστατεύουν τις πληροφορίες κατά τη μεταφορά, διασφαλίζοντας το κανάλι επικοινωνίας. Ωστόσο, γίνεται αντιληπτό ότι τα δεδομένα σε αποθήκευση (data at rest) είναι επίσης ευάλωτα σε επιθέσεις και πρέπει να προστατευτούν. Το πρότυπο IEEE P1619, το οποίο έχει προταθεί από το IEEE, προσδιορίζει τα βασικά στοιχεία μιας αρχιτεκτονικής, η οποία παρέχει ασφάλεια σε sector-level-random-access διαμοιραζόμενα μέσα αποθήκευσης, επιλέγοντας ως το καταλληλότερο mode λειτουργίας το Electronic codebook (ECB). Βασικό μειονέκτημα αυτού του τρόπου κρυπτογράφησης είναι ότι κατά το ECB mode το ίδιο plaintext παράγει πάντα (κρυπτογραφείται) το ίδιο ciphertext, δημιουργώντας την ανάγκη για συχνή αλλαγή στο συμμετρικό κλειδί. Μια τέτοια πρακτική όμως δεν θα αποδίδει λόγω του απαιτούμενου χρόνου για την επέκταση των νέων κλειδιών. Το πρόβλημα αυτό αντιμετωπίζει το IEEE P1619, κάνοντας χρήση της θέσης (location) των δεδομένων ως την επιθυμητή μεταβαλλόμενη τιμή κλειδιού, εφαρμόζοντας block-cipher αλγόριθμους κρυπτογράφησης. Το νέο αυτό πρότυπο έχει προσελκύσει την προσοχή εταιριών, ως μια καλή λύση για τις απαιτήσεις των καταναλωτών για υψηλό επίπεδο ασφάλειας των δεδομένων σε συσκευές αποθήκευσης. Πρόσφατες ερευνητικές εργασίες ερευνούν ή/και παρουσιάζουν διάφορες αρχιτεκτονικές για την υλοποίηση του προτύπου σε υλικό (hardware), με στόχο την υιοθέτησή τους σε μελλοντικά προϊόντα. Οι προτεινόμενες προσεγγίσεις στοχεύουν στην αξιοποίηση είτε πόρων του υπολογιστή (προσεγγίσεις λογισμικού) είτε ειδικού σκοπού υλικού, στοχεύοντας σε διαφορετικές απαιτήσεις, ανάλογων της εφαρμογής. Η εργασία αυτή επικεντρώνεται σε ένα Narrow-block Tweak-able σχήμα κρυπτογράφησης (XTS-AES) και διερευνά διάφορες αρχιτεκτονικές που προσφέρουν μια ποικιλία χαρακτηριστικών. Αυτή είναι η πρώτη προσπάθεια διερεύνησης αρχιτεκτονικών προσεγγίσεων (υφιστάμενων και προτεινόμενων), με σκοπό να αναδειχθεί η καταλληλότερη αρχιτεκτονική για μια ποικιλία εφαρμογών. Το βασικό χαρακτηριστικό των προτεινόμενων αρχιτεκτονικών είναι η μεγιστοποίηση της αξιοποίησης των πόρων που υλοποιούν το IEEE P1619, ώστε να επιτευχθεί η υψηλότερη απόδοση, λαμβάνοντας υπόψη διάφορα κριτήρια σχεδιασμού, όπως είναι η υψηλή ταχύτητα, η μικρή επιφάνεια, το χαμηλό κόστος και η σχεδιαστική πολυπλοκότητα. / A standard for the protection of data in shared storage media has been proposed by IEEE, the IEEE P1619. It specifies the fundamental elements of an architecture that provides security in block-based shared storage media applying block-cipher encryption algorithms to blocks of data. The newly presented standard has attracted the attention of the market vendors, as a good solution to the demands of the consumers for higher security levels in storage devices. The manufacturers have already developed future platforms based on IEEE P1619. Recent research works introduced various approaches targeting their adoption in future products. The proposed approaches are aiming to exploit either computer resources (software approaches) or special purpose hardware. This work focuses on the Narrow-block Tweakable encryption scheme (XTS-AES transform) and explores various architectures offering a variety of characteristics to the final implementation. This is the first, to the authors knowledge, attempt to explore the various architecture approaches that have been proposed until now and additionally introduce new ones, with an aim to highlight the appropriate architecture for a variety of applications. The key feature of the proposed architectures is parallelism, with respect to data block processing. The target is to exploit in full the resources of the core(s) implementing the IEEE P1619 and achieve the highest performance, respecting various design criteria as low cost, and/or design complexity. Basic details regarding IEEE P1619 and its dominant unit (the XTS-AES transform) are offered, a summary of previous works is presented and several issues are considered for potential optimization of the system architecture. Novel architectures are introduced, exploring time-scheduling of the processes to be performed and the characteristics of the various architectures are analyzed and compared.

Αντικείμενο αυτής της διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη και η υλοποίηση ενός ολοκληρωμένου κατανεμημένου συστήματος διανομής δεδομένων σε πραγματικό χρόνο. Η ταχεία ανάπτυξη του Διαδικτύου και η πολυπλοκότητα των υπηρεσιών που προσφέρονται μέσα από αυτό έχει εξαντλήσει τα περιθώρια- όρια της κλασικής αρχιτεκτονικής του εξυπηρετητή και του πελάτη , καθώς, ο συνεχώς αυξανόμενος αριθμός χρηστών που ζητούν διάφορες υπηρεσίες δημιουργούν ένα τεράστιο φορτίο στους εξυπηρετητές, το οποίο δεν είναι σε θέση πια να ικανοποιήσουν. Η αρχιτεκτονική των διομότιμων συστημάτων αποτελεί σήμερα τον πιο υποσχόμενο αντικαταστάτη της αρχιτεκτονικής του εξυπηρετητή-πελάτη για την παροχή υπηρεσιών μέσω του Διαδικτύου. Η υπόθεση αυτή δικαιολογείται, αφού αξιοποιώντας τους πόρους των ίδιων των χρηστών, που αποτελούν πλέον ενεργό κομμάτι του συστήματος, η συγκεκριμένη αρχιτεκτονική μπορεί να εξασφαλίσει κλιμάκωση των συστημάτων αυτών σε αριθμό χρηστών αλλά και σε πόρους, του οποίους και αυτό-διαχειρίζονται για την παροχή οποιασδήποτε υπηρεσίας. Η ανάπτυξη, όμως, διομότιμων συστημάτων προϋποθέτει την επίλυση ενός συνόλου προβλημάτων που προκύπτουν από την κατανεμημένη φύση τους και την πολυπλοκότητα τους. Τα τελευταία χρόνια, η επιστημονική κοινότητα έχει ασχοληθεί εκτενώς με τα συστήματα αυτά και έχει προτείνει τρόπους επίλυσης των προβλημάτων που εμφανίζουν, οι οποίες όμως επικεντρώνονται σε συγκεκριμένες πτυχές τους, με αποτέλεσμα να μην προσφέρουν ακόμα δυνατότητες επαρκούς αξιοποίησης των πλεονεκτημάτων τους. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή μελετήθηκαν η ανάπτυξη και η υλοποίηση ενός ολοκληρωμένου κατανεμημένου συστήματος διαμοιρασμού δεδομένων σε πραγματικό χρόνο. Το σύστημα αυτό αποτελείται από τρία διακριτά υποσυστήματα: 1. Ένα διομότιμο σύστημα για το διαμοιρασμό δεδομένων σε πραγματικό χρόνο. Το υποσύστημα αυτό αποτελείται από το γράφο διασύνδεσης των κόμβων που το συγκροτούν και το χρονοπρογραμματιστή που εκτελείται σε κάθε κόμβο. 2. Ένα σύστημα υποστήριξης, το οποίο είναι υπεύθυνο για την παρακολούθηση της λειτουργίας του υποσυστήματος διαμοιρασμού και την παροχή επιπλέον εύρους ζώνης, στην περίπτωση που δεν επαρκούν οι πόροι του πρώτου. 3. Ένα διομότιμο σύστημα για την αποθήκευση και την εύρεση των αντικειμένων που είναι διαθέσιμα προς διανομή μέσω του πρώτου υποσυστήματος. Για την ανάπτυξη του πρώτου υποσυστήματος, αρχικά διερευνήθηκε η φύση της εφαρμογής και ορίστηκαν τα επιθυμητά χαρακτηριστικά. Αυτά είναι ο μικρός χρόνος στησίματος, η ανοχή του σε δυναμικά φαινόμενα, όπως είναι η δυναμική συμπεριφορά των χρηστών και του φυσικού δικτύου, η ικανότητα κλιμάκωσης ως προς τον αριθμό των κόμβων και η ικανότητα για διαμοιρασμό δεδομένων με το μεγαλύτερο δυνατό ρυθμό υπό τον περιορισμό του μέσου εύρους ζώνης των κόμβων που αποτελούν το σύστημα. Στη συνέχεια ακολούθησε η μοντελοποίηση της λειτουργίας των συστημάτων κατανεμημένου διαμοιρασμού μέσα από την οποία προέκυψε η κατάλληλη αρχιτεκτονική ενός τέτοιου συστήματος που εγγυάται τη βέλτιστη εκπλήρωση των παραπάνω χαρακτηριστικών. Η προσφορά της παρούσας διατριβής στην έρευνα του επιστημονικού πεδίου των διομότιμων συστημάτων διαμοιρασμού δεδομένων σε πραγματικό χρόνο συνοψίζεται στα παρακάτω σημεία/συμπεράσματα : • Αντίθετα με τη μέχρι τώρα πρακτική που εφαρμόζεται στα συστήματα κατανεμημένου διαμοιρασμού, είναι αναγκαία η παράλληλη ανάπτυξη του γράφου διασύνδεσης και του χρονοπρογραμματιστή έτσι ώστε να μπορεί το κάθε υποσύστημα να χρησιμοποιήσει με βέλτιστο τρόπο τα χαρακτηριστικά του άλλου. • Ο γράφος διασύνδεσης πρέπει να αντικατοπτρίζει τη θέση των κόμβων στο φυσικό υποδίκτυο και να μπορεί να αυτό-οργανώνεται στις δυναμικές αλλαγές του δικτύου ή του πληθυσμού των κόμβων. • Η λειτουργία του χρονοπρογραμματιστή γίνεται πιο αποτελεσματική όταν διαχωρίζεται σε τρεις διαφορετικούς μηχανισμούς. Στο μηχανισμό δημιουργίας κουπονιών, στο μηχανισμό προ-ενεργής αίτησης πακέτου και στο μηχανισμό απόφασης επόμενου κόμβου προς αποστολή πακέτου. Τέλος, υλοποιήθηκαν κατανεμημένοι αλγόριθμοι για τη δημιουργία και την αυτό-οργάνωση του γράφου διασύνδεσης καθώς και οι απαραίτητοι αλγόριθμοι για την υλοποίηση του χρονοπρογραμματιστή. Οι αλγόριθμοι αυτοί σχεδιάστηκαν με τέτοιο τρόπο έτσι ώστε να χρησιμοποιούν ένα ελάχιστο ποσοστό του εύρους ζώνης των κόμβων χωρίς να συμβιβάζουν την αποτελεσματικότητα και την ταχύτητα σύγκλισής τους. Το δεύτερο ζήτημα που μελετήθηκε είναι η βοηθητική χρήση εξυπηρετητών με στόχο την αδιάλειπτη διάθεση απαραίτητων δικτυακών πόρων (εύρος ζώνης) που απαιτούνται από το σύστημα για τον πλήρη και συνεχή διαμοιρασμό του αντικειμένου. Αναλυτικότερα, ο σύγχρονος διαμοιρασμός βίντεο μέσω διομότιμων συστημάτων απαιτεί τη συνεχή ύπαρξη μέσου εύρους ζώνης συμμετεχόντων κόμβων μεγαλύτερο από το ρυθμό αναπαραγωγής του αντικειμένου που διαμοιράζεται. Αντιθέτως, λόγω της δυναμικής συμπεριφοράς των χρηστών και του απρόβλεπτου μέσου όρου εύρους ζώνης που διατίθεται από τους κόμβους οδηγούμαστε συχνά στη μη ομαλή λειτουργία του συστήματος ή/και στο διαμοιρασμό ενός αντικειμένου με μικρό ρυθμό αναπαραγωγής. Η επίλυση αυτού του προβλήματος απαιτεί την εξασφάλιση του ακριβούς και σε πραγματικό χρόνο υπολογισμού των διαθέσιμων πόρων του συστήματος. Επιπλέον, προϋποθέτει το σχεδιασμό μιας αρχιτεκτονικής που είναι κλιμακούμενη, δηλαδή επιτρέπει την παρακολούθηση συστημάτων στα οποία συμμετέχει πολύ μεγάλος αριθμός χρηστών. Παράλληλα, το προτεινόμενο σύστημα παρακολούθησης και ελέγχου του εύρους ζώνης πρέπει να εισάγει στο σύστημα όσο το δυνατόν μικρότερη κατανάλωση πόρων. Ομοίως, το εύρος ζώνης που συνεισφέρουν οι εξυπηρετητές πρέπει να ελαχιστοποιείται με στόχο την ελαχιστοποίηση του κόστους λειτουργίας. Τέλος, οι συνδέσεις που δημιουργούνται μεταξύ εξυπηρετητών και κόμβων πρέπει να εισάγουν με τη σειρά τους ελάχιστο φορτίο στο δίκτυο του προτεινόμενου συστήματος. Εκμεταλλευόμενοι, λοιπόν, τις ιδιότητες του χρονοπρογραμματιστή που αναπτύχθηκε είμαστε σε θέση μετρώντας ένα μικρό μόνο υποσύνολο κόμβων να εκτιμήσουμε γρήγορα και με ακρίβεια το συνολικό διαθέσιμο εύρος ζώνης του συστήματος. Επιπλέον, μετρώντας κάποιες παραμέτρους του χρονοπρογραμματιστή ανταλλαγής μπλοκ εκτιμούμε δυναμικά το φορτίο που αυτός εισάγει για διαμοιρασμό ανάλογα με τις επικρατούσες συνθήκες. Ο αριθμός των κόμβων αυτών είναι αρκετά μικρός και ανεξάρτητος από τον αριθμό των συμμετεχόντων κόμβων καθιστώντας το προτεινόμενο σύστημα ικανό για εξαιρετική κλιμάκωση. Με τις μετρήσεις αυτές γίνεται εφικτός ο υπολογισμός του εύρους ζώνης που απαιτείται από τους εξυπηρετητές για την ομαλή λειτουργία του συστήματος διαμοιρασμού. Τέλος, με τη βοήθεια ενός δυναμικά προσαρμόσιμου στο δίκτυο γράφου διασύνδεσης επιτυγχάνεται η μέγιστη εκμετάλλευση του εύρους ζώνης που συνεισφέρουν οι εξυπηρετητές και ο διαμοιρασμός του σε κόμβους με τη μικρότερη δυνατή δικτυακή καθυστέρηση. Το προτεινόμενο σύστημα αξιολογήθηκε σε κάθε είδους κατάσταση όπως: αυξομειούμενο μέσο εύρος ζώνης, γρήγορες μεταβολές στο μέσο εύρος ζώνης, μέσο εύρος ζώνης μεγαλύτερο και μικρότερο από το ρυθμό αναπαραγωγής. Η αξιολόγηση απέδειξε ότι ο πλήρης διαμοιρασμός του αντικειμένου, η ελαχιστοποίηση του εύρους ζώνης που συνεισφέρουν οι εξυπηρετητές μέσω της ακριβούς εκτίμησης των διαθέσιμων πόρων και η δυνατότητα εκτίμησης μέσω ενός μικρού υποσυνόλου συμμετεχόντων κόμβων είναι εφικτά κάτω από οποιεσδήποτε συνθήκες. Ο τρίτος στόχος που επιδιώξαμε να εκπληρώσουμε είναι η δημιουργία ενός κατανεμημένου συστήματος αποθήκευσης δεδομένων. Αυτό το σύστημα βασίστηκε στους Κατανεμημένους Πίνακες Κατακερματισμού (ΚΠΚ). Σκοπός αυτού του συστήματος είναι η δημιουργία ενός κατανεμημένου αποθηκευτικού χώρου, αποτελούμενου από πόρους των συμμετεχόντων κόμβων, για την αποθήκευση και ανάκτηση δεδομένων που πρόκειται να διαμοιραστούν. Οι απαιτήσεις ενός τέτοιου συστήματος περιλαμβάνουν την γρήγορη αναζήτηση δεδομένων, τη χρησιμοποίηση του μικρότερου δυνατού ποσοστού εύρος ζώνης για τη δρομολόγηση των αναζητήσεων, τη δυνατότητα εκτέλεσης σύνθετων αναζητήσεων και τη συμμέτοχη των κόμβων στο σύστημα ανάλογα με τους διαθέσιμους πόρους τους. Οι παραπάνω απαιτήσεις είναι αδύνατον να ικανοποιηθούν από έναν μόνο γράφο διασύνδεσης, καθώς προϋποθέτουν ετερόκλητα χαρακτηριστικά από το γράφο. Προκειμένου να είναι εφικτή η γρήγορη δρομολόγηση ο γράφος πρέπει να αντανακλά τη θέση των κόμβων στο φυσικό δίκτυο συνεπώς η εισαγωγή των κόμβων στον γράφο πρέπει επίσης να βασίζεται σε αυτό το χαρακτηριστικό. Η δυνατότητα για σύνθετες αναζητήσεις και η συμμετοχή των κόμβων ανάλογα με τους διαθέσιμους πόρους τους προϋποθέτει την μη ομοιόμορφη κατανομή των δεδομένων στο γράφο καθώς και επίσης και την εισαγωγή των κόμβων σε αυτόν ανάλογα με τους πόρους τους και τα δεδομένα που επιθυμούν να αποθηκεύσουν στο δίκτυο. Στα πλαίσια αυτής της διδακτορικής διατριβής προτείνεται ένα σύστημα κατανεμημένης αποθήκευσης το οποίο αποτελείται από δύο συνδεόμενους γράφους διασύνδεσης και μπορεί να ικανοποιήσει τις απαιτήσεις που έχουν τεθεί. Αυτοί οι δύο γράφοι είναι: • Ο γράφος διασύνδεσης και δρομολόγησης ο οποίος είναι υπεύθυνος για τη δρομολόγηση των αιτήσεων αναζήτησης. Οι κόμβοι εισέρχονται σε αυτόν ανάλογα με τη θέση τους στο φυσικό δίκτυο. Η παραπάνω συνθήκη συντελεί στην ταχύτατη δρομολόγηση των αιτήσεων αναζήτησης και τη χρησιμοποίηση ελάχιστου εύρους ζώνης για την εκτέλεσή τους. Για τη δημιουργία αυτού του γράφου αναπτύχτηκαν/σχεδιάστηκαν δύο κατανεμημένοι αλγόριθμοι. Ο πρώτος είναι υπεύθυνος για την εισαγωγή ενός κόμβου στο γράφο ανάλογα με τη θέση του στο φυσικό δίκτυο. Ο δεύτερος είναι υπεύθυνος για τη βελτιστοποίηση και προσαρμοστικότητα του γράφου στις δυναμικές αλλαγές των ιδιοτήτων του φυσικού δικτύου ή του πληθυσμού των συμμετεχόντων κόμβων. • Ο γράφος αποθήκευσης δεδομένων. Αυτός ο γράφος είναι υπεύθυνος για την αποθήκευση των δεδομένων στους κόμβους του συστήματος με τέτοιο τρόπο ώστε να είναι δυνατή η σύνθετη αναζήτησή τους καθώς επίσης και η αποθήκευσή τους ανάλογα με τους διαθέσιμους πόρους κάθε κόμβου. Η αξιολόγηση του συστήματος αυτού απέδειξε ότι ο διαχωρισμός της διαδικασίας δρομολόγησης από τη διαδικασία αποθήκευσης δεδομένων με την δημιουργία δύο ξεχωριστών γράφων διασύνδεσης εξασφαλίζει την εκπλήρωση όλων των απαιτήσεων ενός τέτοιου συστήματος. / The subject of this phd thesis is the study and development of a complete distributed system for real time data distribution. The rapid growth of the Internet and the complexity of the provided services, renders the investigation for a new architectural paradigm necessary, since classic server-client architecture has reached its full potential. The main reason for the above is that the continuously increasing number of users demanding a diversity of services generates an enormous overhead on the servers, that can’t be dealt with efficiently. Today, Peer-to-Peer architecture is considered to be the most promising replacement for client-server architecture for providing such services via the Internet. This assumption can be easily justified since, taking advantage of users resources, who now become active members of the system, peer-to-peer architecture can guarantee the scalability of these systems in respect to the number of participating users as well as the amount of data that they can manage. The development, however, of peer-to-peer systems requires the clarification of a set of problems which stem from their distributed nature and their complexity. In recent years, scientific community has been focusing on these systems suggesting a number of solutions, which, however, deal with certain only aspects of them, thus are unable to provide a holistic approach that could benefit from their numerous advantages. The complete distributed system for the real time distribution of data developed in the current dissertation thesis consists of three discrete subsystems: • a peer-to-peer live streaming system. This subsystem consists of an overlay, for the interconnection of peers, and a scheduler, which runs in every peer. • a supporting system, responsible for the monitoring of live streaming system and the supply of extra bandwidth in cases when peers’ aggregated resources are insufficient to sustain the streaming process • a peer-to-peer system for the storage and query of objects available for streaming, aided by the first subsystem described above. For the development of the first subsystem initially we investigated the nature of the application and defined the required characteristics. Those are the small setup time values, the tolerance of the system in dynamic conditions, like the dynamic behavior of the participating users and the dynamic conditions of the underlying network, the increased scalability concerning the number of supported users, and the ability to support streaming rates as high as possible having as constrain the aggregated upload bandwidth of the participating peers. The contribution of the present dissertation in the research of the scientific field of P2P real time data distribution systems is summarized below: 1. in contrast to contemporary practices regarding distributed live streaming systems the parallel development of the overlay and scheduler are necessary in order for the systems to be able to benefit from each other characteristics 2. the overlay should reflect the locations of the peers in the underlying network and be able to self-organize in response to dynamic changes of the peer population and the network conditions 3. the performance of the scheduler is enhanced when it comprises of three different mechanisms: the token generation algorithm, the mechanism of pro-active block request and the mechanism for selecting the next peer for packet transmitting. At last, distributed algorithms for the realization and self-organization of the overlay along with the necessary algorithms for the actualization of the scheduler were developed. These algorithms were designed in a way that allows for the usage of a small percentage of the nodes’ upload capacities without compromising the efficiency and the speed of their convergence A second subject that was studied was the use of supporting servers for the continuous provision of the required resources (upload bandwidth) for the complete and uninterrupted delivery of a stream. In more detail, peer-to-peer live streaming requires the constant presence of aggregated upload bandwidth greater than the rate of the stream being delivered. In contrast, the dynamic behavior of peers and the unpredictable upload bandwidth of nodes and of the conditions of the underlying network, often result in the disturbance of the streaming process and/or the delivery of a stream with low rate. Solving the above problems requires precise and real time monitoring of participating peers’ resources. Moreover, it assumes the development of an architecture which is scalable, allowing for the monitoring of systems with large peers number. Additionally, the proposed monitoring and bandwidth control system should introduce as little overhead as possible to the system, meaning that the amount of bandwidth used by the servers should be the minimum required to support peer-to-peer streaming system. Finally, connections established between servers and nodes should introduce, in their turn, the least possible overhead. Benefitting from the properties of our proposed peer-to-peer live streaming system’s scheduler we manage, by monitoring a small subset of participating peers, to measure with accuracy and in real time the aggregated upload bandwidth of the total participating peers. In addition, by measuring some parameters of the scheduler of bloc exchange we can dynamically estimate the overhead introduced for the distribution depending on the present conditions. The number of nodes is quite small and independent of the number of participant nodes allowing for the exceptional scalability of the proposed system. Because of these measurements the approximation of the bandwidth necessary for the successful performance of the distribution system becomes feasible. The evaluation process proved that the complete distribution of data, the minimization of the available servers bandwidth through the precise estimation of the available resources as well as the potential for estimation of a small subset of participating nodes are possible under any given circumstances. The third goal we tried to achieve is the development of a distributed data storage system. This system is based on DHTs. It aims to create a distributed storage space that consists of resources belonging to participating nodes, for the storage and retrieval of data about to be distributed. The prerequisites of such a system include: - fast routing process - usage of the smallest possible percentage of bandwidth for the querying process - the potential for execution of complex queries and - the participation of nodes in the system depending on their available recourses The above prerequisites can not be met by one only overlay, since they require diverse characteristics/ from the overlay. In order to achieve fast queries the overlay should reflect the location of all nodes in the physical network, therefore the introduction of nodes in the overlay should also rely on the above feature. The potential for complex queries and the participation of nodes depending on their available resources assumes a non-uniform node distribution in the overlay as well as the introduction of nodes in the system depending on their resources and the data needed to be stored in the network. In this work we propose a system for distributed storage that comprises of two interconnected overlays and can achieve all the demands set. The two overlays are described below: - LCAN is responsible for the routing process. Nodes enter this overlay in terms of their location on the physical network. The condition above leads to the fast routing of queries and the usage of the least possible bandwidth for their execution. In order to design this overlay the development of two distributed algorithms was necessary. The first one performs the introduction of nodes in the overlay according to their location in the network. The second distributed algorithm is responsible for the optimization and the adjustability of the overlay to the dynamic changes of the physical network properties or the participating nodes population. - VCAN. This is responsible for the storage of data in the nodes of the system in a way their storage according to each node’s available resources becomes feasible, while complex queries can be performed. The evaluation of the system has proved that the separation of the routing process from the data storage process with the creation of two separate overlays can result in the successful achievement of all prerequisites set by a distributed data storage system.

Οι ηλεκτρομηχανικές συσκευές αποθήκευσης δεδομένων πολύ μικρής κλίμακας που βασίζονται στη χρήση ακίδων (probes) αποτελούν ανερχόμενες εναλλακτικές επιλογές για τη βελτίωση της πυκνότητας αποθήκευσης, του χρόνου πρόσβασης των δεδομένων και της απαιτούμενης ισχύος σε σχέση με τις συμβατικές συσκευές αποθήκευσης. Μία υλοποίηση μιας τέτοιας συσκευής χρησιμοποιεί θερμομηχανικές μεθόδους για την αποθήκευση πληροφορίας σε λεπτές μεμβράνες πολυμερών υλικών. Στην περίπτωση αυτή, η ψηφιακή πληροφορία αποθηκεύεται με τη μορφή κοιλωμάτων πάνω στο πολυμερές υλικό, τα οποία δημιουργούνται από τις ακίδες, διαμέτρου μερικών nm. Με στόχο την αύξηση του ρυθμού εγγραφής και ανάγνωσης χρησιμοποιούνται δισδιάστατες διατάξεις από ακίδες που λειτουργούν παράλληλα, με κάθε ακίδα να εκτελεί λειτουργίες εγγραφής /ανάγνωσης /διαγραφής σε ξεχωριστό αποθηκευτικό πεδίο. Η μετατόπιση του αποθηκευτικού μέσου σε σχέση με τη διάταξη των ακίδων επιτυγχάνεται με τη χρησιμοποίηση ηλεκτρομηχανικού συστήματος μικρής κλίμακας (MEMS). Η διάταξη MEMS αποτελείται από ένα μικρής κλίμακας σύστημα σάρωσης (microscanner) και από το τσιπ της δισδιάστατης διάταξης των ακίδων. Το σύστημα σάρωσης έχει δυνατότητα κίνησης σε δύο διευθύνσεις (x/y). Αντικείμενο της διπλωματικής εργασίας είναι η μοντελοποίηση του συστήματος σάρωσης μικρής κλίμακας. Η μοντελοποίηση του συστήματος έγινε με βάση το σύστημα του απλού αρμονικού ταλαντωτή με απόσβεση. Στα πλαίσια της εργασίας μελετάται η απόκριση του συστήματος σε διάφορους τύπους διεγέρσεων, ενώ για την προσομοίωση της συμπεριφοράς του microscanner αναπτύχθηκε εφαρμογή στην γλώσσα προγραμματισμού Visual Basic. Η εφαρμογή περιλαμβάνει γραφικό περιβάλλον με δυνατότητα ρύθμισης των παραμέτρων εξομοίωσης. / Micro-electro-mechanical-system (MEMS)-based scanning-probe storage devices are emerging as potential ultra-high-density, low-access-time, and low-power alternatives to conventional data storage. One implementation of probe-based storage uses thermomechanical means to store and retrieve information in thin polymer films. Digital information is stored by making indentations on the thin polymer film with the tips of atomic force microscope (AFM) cantilevers, which are a few nanometers in diameter. To increase the data rate, an array of probes is used, in which each probe performs read/ write/ erase operations over an individual storage field. Displacement of the storage medium relative to the array of cantilevers is achieved by using micro-electro-mechanical-system (MEMS). The MEMS assembly consists of the microscanner and the cantilever array chip. The microscanner with x and y motion range carries the storage medium. This diploma dissertation presents the modeling of the microscanner. The system models as a damped harmonic oscillator. The model response on different driven forces has been studied, whereas an application in Visual Basic has been generated to simulate the system motion. The application comprises graphic interface with simulation parameters modulation.

Η eXtensible Markup Language (XML) είναι εμφανώς το επικρατέστερο πρότυπο για αναπαράσταση δεδομένων στον Παγκόσμιο Ιστό. Αποτελεί μια γλώσσα περιγραφής δεδομένων, κατανοητή τόσο από τον άνθρωπο, όσο και από τη μηχανή. Η χρήση της σε αρχικό στάδιο περιορίστηκε στην ανταλλαγή δεδομένων, αλλά λόγω της εκφραστικότητάς της (σε αντίθεση με το σχεσιακό μοντέλο) μπορεί να αποτελέσει ένα αποτελεσματικό \"όχημα\" μεταφοράς και αποθήκευσης πληροφορίας. Οι σύγχρονες εφαρμογές κάνουν χρήση της τεχνολογίας XML εξυπηρετώντας ανάγκες διαλειτουργικότητας και επικοινωνίας. Ωστόσο, θεωρείται βέβαιο ότι η χρήση της σε επίπεδο υποδομής θα ενδυναμώσει περαιτέρω τις σύγχρονες εφαρμογές. Σε επίπεδο υποδομής, μια βάση δεδομένων που διαχειρίζεται την γλώσσα XML είναι σε θέση να πολλαπλασιάσει την αποδοτικότητά της, εφόσον η βάση δεδομένων μετατρέπεται σε βάση πληροφορίας. Έτσι, όσο οι εφαρμογές γίνονται πιο σύνθετες και απαιτητικές, η ενδυνάμωση των βάσεων δεδομένων με τεχνολογίες που φέρουν/εξυπηρετούν τη σημασιολογία των προβλημάτων υπόσχεται αποτελεσματικότερη αντιμετώπιση στο παραπάνω μέτωπο. Αλλά ποιος είναι ο καλύτερος τρόπος αποδοτικού χειρισμού των XML εγγράφων (XML documents); Με μια πρώτη ματιά η απάντηση είναι προφανής. Εφόσον ένα XML έγγραφο αποτελεί παράδειγμα μιας σχετικά νέας τεχνολογίας, γιατί να μη χρησιμοποιηθούν ειδικά συστήματα για το χειρισμό της; Αυτό είναι πράγματι μια βιώσιμη προσέγγιση και υπάρχει σημαντική δραστηριότητα στην κοινότητα των βάσεων δεδομένων που εστιάζει στην εκμετάλλευση αυτής της προσέγγισης. Μάλιστα, για το σκοπό αυτό, έχουν δημιουργηθεί ειδικά συστήματα βάσεων δεδομένων, οι επονομαζόμενες \"Εγγενείς XML Βάσεις Δεδομένων\" (Native XML Databases). Όμως, το μειονέκτημα της χρήσης τέτοιων συστημάτων είναι ότι αυτή η προσέγγιση δεν αξιοποιεί την πολυετή ερευνητική δραστηριότητα που επενδύθηκε για την τεχνολογία των σχεσιακών βάσεων δεδομένων. Είναι πράγματι γεγονός ότι δεν αρκεί η σχεσιακή τεχνολογία και επιβάλλεται η ανάγκη για νέες τεχνικές; Ή μήπως με την κατάλληλη αξιοποίηση των υπαρχόντων συστημάτων μπορεί να επιτευχθεί ποιοτική ενσωμάτωση της XML; Σε αυτήν την εργασία γίνεται μια μελέτη που αφορά στην πιθανή χρησιμοποίηση των σχεσιακών συστημάτων βάσεων δεδομένων για το χειρισμό των XML εγγράφων. Αφού αναλυθούν θεωρητικά οι τρόποι με τους οποίους γίνεται αυτό, στη συνέχεια εκτιμάται πειραματικά η απόδοση σε δύο από τα πιο δημοφιλή σχεσιακά συστήματα βάσεων δεδομένων. Σκοπός είναι η χάραξη ενός πλαισίου αναφοράς για την αποτίμηση και την αξιολόγηση των σχεσιακών βάσεων δεδομένων που υποστηρίζουν XML (XML-enabled RDBMSs). / The eXtensible Markup Language (XML) is obviously the prevailing model for data representation in the World Wide Web (WWW). It is a data description language comprehensible by both humans and computers. Its usage in an initial stage was limited to the exchange of data, but it can constitute an effective \"vehicle\" for transporting, handling and storing of information, due to its expressiveness (contrary to the relational model). Contemporary applications make heavy use of the XML technology in order to support communication and interoperability . However, supporting XML at the infrastructure level would reduce application development time, would make applications almost automatically complient to standards and would make them less error prone. In terms of infrastructure, a database able to handle XML properly would be beneficial to a wide range of applications thus multiplying its efficiency. In this way, as long as the applications become more complex and demanding, the strengthening of databases with technologies that serve the nature of problems, promises more effective confrontation with this topic. But how can XML documents be supported at the infrastructure level? At a first glance, the question is rhetorical. Since XML constitutes a relatively new technology, new XML-aware infrastructures can be built from scratch. This is indeed a viable approach and there is a considerable activity in the research community of databases, which focuses on the exploitation of this approach. In particular, this is the reason why special database systems have been created, called \"Native XML Databases\". However, the disadvantage of using such systems is that this approach does not build on existing knowledge currently present in the relational database field. The research question would be whether relational technology is able to support correctly XML data. In this thesis, we present a study concerned with the question whether relational database management systems (RDBMSs) provide suitable ground for handling XML documents. Having theoretically analyzed the ways with which RDBMSs handle XML, the performance in two of the most popular relational database management systems is then experimentally assessed. The aim is to draw a frame of report on the assessment and the evaluation of relational database management systems that support XML (XML-enabled RDBMSs).

Στην παρούσα εργασία αναπτύχθηκαν και μελετήθηκαν πειραματικά σειρές σύνθετων υλικών πολυμερικής μήτρας, με παράμετρο τον τύπο και την περιεκτικότητα σε ενισχυτική φάση. Ως μήτρα χρησιμοποιήθηκε εποξειδική ρητίνη υψηλών προδιαγραφών. Ως ενισχυτική φάση χρησιμοποιηθήκαν μικροσωματίδια, νανοσωματίδια τιτανικού βαρίου και αποφλοιωμένα γραφιτικά νανοεπίπεδα (exfoliated graphite nanoplatelets). Η επιλογή των υλικών είχε ως στόχο να εκμεταλλευτούν σε κοινό σύνθετο σύστημα οι «θετικές» ιδιότητες των συστατικών του, όπως η θερμο-μηχανική σταθερότητα της μήτρας, η υψηλή διαπερατότητα και η σιδηροηλεκτρική συμπεριφορά του τιτανικού βαρίου και οι καλές μηχανικές ιδιότητες μαζί με την υψηλή ειδική αγωγιμότητα των αποφλοιωμένων γραφιτικών νανοεπιπέδων. Παρασκευάστηκαν και μελετήθηκαν τα παρακάτω συστήματα σύνθετων υλικών, για διάφορες περιεκτικότητες σε ενισχυτική φάση: (α) σύστημα μικροσωματιδίων τιτανικού βαρίου/εποξειδικής ρητίνης, (β) σύστημα νανοσωματιδίων τιτανικού βαρίου/εποξειδικής ρητίνης, (γ) σύστημα αποφλοιωμένων γραφιτικών νανοεπιπέδων/εποξειδικής ρητίνης, (δ) υβριδικό σύστημα μικροσωματιδίων τιτανικού βαρίου/νανοσωματιδίων τιτανικού βαρίου/εποξειδικής ρητίνης, (ε) υβριδικό σύστημα αποφλοιωμένων γραφιτικών νανοεπιπέδων/ νανοσωματιδίων τιτανικού βαρίου/εποξειδικής ρητίνης. Την παρασκευή των δοκιμίων ακολούθησε πολύπλευρος χαρακτηρισμός τους. Για λόγους αναφοράς παρασκευάστηκε και μελετήθηκε και δοκίμιο μη ενισχυμένης ρητίνης. Η μορφολογία τους διερευνήθηκε με την τεχνική της ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης (scanning electron microscopy) και την τεχνική σκέδασης ακτίνων-Χ (x-ray diffraction scattering). Διαπιστώθηκε η επιτυχής διασπορά των νανο-εγκλεισμάτων αλλά και η ύπαρξη μικρών συσσωματωμάτων. Τα φάσματα σκέδασης ακτίνων-Χ πιστοποίησαν την παρουσία των πληρωτικών μέσων που χρησιμοποιήθηκαν σε κάθε κατηγορία σύνθετου συστήματος. Ακολούθησε θερμικός χαρακτηρισμός των σύνθετων υλικών, με στόχο τον προσδιορισμό της θερμοκρασίας υαλώδους μετάπτωσής τους. Η μελέτη της μηχανικής συμπεριφοράς των συνθέτων έγινε υπό στατικές και δυναμικές συνθήκες. Η στατική συμπεριφορά εξετάστηκε με την τεχνική κάμψης τριών σημείων σε θερμοκρασία περιβάλλοντος. Διαπιστώθηκε αύξηση του μέτρου ελαστικότητας με την περιεκτικότητα σε ενισχυτική φάση, σε όλες τις κατηγορίες σύνθετων συστημάτων. Παράλληλα, διαπιστώθηκε μείωση της μηχανικής αντοχής με τη συγκέντρωση πληρωτικού μέσου σε όλες τις κατηγορίες σύνθετων υλικών που μελετήθηκαν. Η δυναμική μηχανική απόκριση μελετήθηκε με την τεχνική της δυναμικής θερμικής ανάλυσης (dynamic mechanical thermal analysis) σε ευρύ φάσμα θερμοκρασιών. Τα ενισχυμένα συστήματα παρουσιάζουν αυξημένες τιμές του μέτρου αποθήκευσης, ενώ οι κορυφές της εφαπτομένης απωλειών επιτρέπουν τον προσδιορισμό της θερμοκρασίας υαλώδους μετάπτωσης (Tg). Η Tg φαίνεται να διαφοροποιείται ελαφρά με την περιεκτικότητα σε ενισχυτική φάση, άλλοτε προς μεγαλύτερες και άλλοτε προς μικρότερες τιμές. Οι διαφοροποιήσεις αυτές εκφράζουν τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των φάσεων και ίσως την πλήρη ή μη διαβροχή των εγκλεισμάτων από τη μήτρα. Η ηλεκτρική απόκριση των σύνθετων συστημάτων εξετάστηκε με τη μέθοδο της διηλεκτρικής φασματοσκοπίας ευρέως φάσματος, σε μεγάλο εύρος συχνοτήτων και θερμοκρασιών. Η ανάλυση των πειραματικών δεδομένων έγινε μέσω των φορμαλισμών της ηλεκτρικής διαπερατότητας, του ηλεκτρικού μέτρου και της ειδικής αγωγιμότητας εναλλασσομένου. Η χρήση και των τριών φορμαλισμών προσφέρει τη δυνατότητα εξαγωγής περισσότερων πληροφοριών για τις φυσικές διεργασίες που λαμβάνουν χώρα στο εσωτερικό των συνθέτων. Διαπιστώθηκε η παρουσία δύο διηλεκτρικών χαλαρώσεων που σχετίζονται με την πολυμερική μήτρα. Αυτές αποδίδονται, στη μετάπτωση από την υαλώδη στην ελαστομερική φάση της εποξειδικής ρητίνης (α-χαλάρωση) και στην επαναδιευθέτηση πλευρικών πολικών ομάδων (β-χαλάρωση). Η παρουσία των εγκλεισμάτων στο εσωτερικό της μήτρας εισάγει ηλεκτρική ετερογένεια με αποτέλεσμα την εμφάνιση του φαινομένου διεπιφανειακής πόλωσης (interfacial polarization). Μη δέσμια φορτία συσσωρεύονται στη διεπιφάνεια των φάσεων, όπου σχηματίζουν μεγάλα δίπολα που παρουσιάζουν αδράνεια ως προς τον προσανατολισμό τους, παράλληλα του εφαρμοζόμενου πεδίου. Η διεπιφανειακή πόλωση είναι η πλέον αργή διεργασία και παρατηρείται σε χαμηλές συχνότητες και υψηλές θερμοκρασίες. Το πραγματικό μέρος της ηλεκτρικής διαπερατότητας, όπως και η ειδική αγωγιμότητα παρουσίασαν αύξηση με την περιεκτικότητα σε ενισχυτική φάση, ιδιαίτερα στην περίπτωση των συστημάτων με γραφιτικά νανοεπίπεδα. Η δυνατότητα αποθήκευσης ενέργειας στα συστήματα διερευνήθηκε με χρήση της πυκνότητας ενέργειας υπό σταθερό ηλεκτρικό πεδίο. Διαπιστώθηκε αύξηση της αποθηκευόμενης ενέργειας με αύξηση της περιεκτικότητας σε ενισχυτική φάση. Τη βέλτιστη συμπεριφορά επέδειξε το σύστημα με τη μέγιστη περιεκτικότητα σε γραφιτικά νανοεπίπεδα. Η δυναμική των χαλαρώσεων μελετήθηκε μέσω διαγραμμάτων Arrhenius, από τα οποία προέκυψαν και οι τιμές της ενέργειας ενεργοποίησης. Η θερμοκρασιακή γειτνίαση των διεργασιών της α-χαλάρωσης και της διεπιφανειακής πόλωσης οδήγησε σε αλληλοεπικάλυψη των διεργασιών. Από τις ενέργειες ενεργοποίησης που υπολογίστηκαν φαίνεται πως στο δοκίμια της μη ενισχυμένης ρητίνης επικρατεί η συνεισφορά της α-χαλάρωσης, ενώ στα σύνθετα συστήματα επικρατεί η συνεισφορά της διεπιφανειακής πόλωσης. Τα σωματίδια του τιτανικού βαρίου υφίστανται δομικό μετασχηματισμό από την πολική τετραγωνική δομή (σιδηροηλεκτρική φάση) στην μη-πολική κυβική δομή (παραηλεκτρική φάση) σε μία κρίσιμη θερμοκρασία, πλησίον των 130οC. Η μετάβαση αποδείχθηκε μέσω των φασμάτων ακτίνων-Χ και είναι περισσότερο έντονη στην περίπτωση των μικροσωματιδίων. Η λειτουργική συμπεριφορά των συστημάτων σχετίζεται με τη θερμικά διεγειρόμενη δομική μετάβαση από τη σιδηροηλεκτρική στην παραηλεκτρική φάση των εγκλεισμάτων τιτανικού βαρίου, τη μεταβολή του προσήμου του θερμοκρασιακού συντελεστή ειδικής αγωγιμότητας και τη δυνατότητα αποθήκευσης ενέργειας. Η συνύπαρξη σε κοντινές θερμοκρασίες των διεργασιών α-χαλάρωσης και διεπιφανειακής πόλωσης μαζί με την κρίσιμη θερμοκρασία μετάβασης των σιδηροηλεκτρικών εγκλεισμάτων, δυσχεραίνει πολύ την διάκρισή τους. Με την εισαγωγή της διηλεκτρικής συνάρτησης ενίσχυσης (dielectric reinforcing function) έγινε δυνατός ο διαχωρισμός των φαινομένων. Επιπλέον, η συνάρτηση διηλεκτρικής ενίσχυσης προσφέρει τη δυνατότητα εξέτασης της λειτουργικής συμπεριφοράς και της δυνατότητας αποθήκευσης ενέργειας, ανεξάρτητα των γεωμετρικών διαστάσεων του υλικού. Τέλος, το σύνολο των αποτελεσμάτων έγινε αντικείμενο συγκρίσεων και συζήτησης. / In this study, series of polymer matrix composite materials were developed and experimentally studied, varying the reinforcing phase content. The employed matrix was a high tech epoxy resin, while reinforcing phase was micro- and/or nano-barium titanate particles, as well as exfoliated graphite nanoplatelets. The choice of the materials was targeting to take advantage in a common composite system of the thermo-mechanical stability of the matrix, the high dielectric permittivity and the ferroelectric behaviour of barium titanate and the enhanced mechanical properties in tandem with the high conductivity of the exfoliated graphite nanoplatelets. The following composite materials systems were fabricated and studied, for various filler contents: (a) barium titante micro-particles/epoxy resin composite system, (b) barium titante nano-particles/epoxy resin composite system, (c) exfoliated graphite nanoplatelets/epoxy resin composite system, (d) barium titante micro-particles/barium titante nano-particles /epoxy resin hybrid composite system, (e) exfoliated graphite nanoplatelets /barium titante nano-partcles /epoxy resin hybrid composite system. The fabrication of the composites was followed by a multiple characterization of the produced specimens. For reference reasons pure resin was also prepared and studied. Systems’ morphology was investigated by means of scanning electronic microscopy and x-ray diffraction scattering. It was ascertained the existence of fine nanodispersions, as well as of small clusters, within the composites. XRD spectra verified the presence of filler in each category of composite systems. Thermal characterization was conducted via differential scanning calorimetry aiming to determine the glass to rubber transition temperature of all studied systems. Mechanical behaviour was investigated under static and dynamic conditions. Static behaviour was determined via three point bending tests at ambient temperature. It was found that modulus of elasticity increases with filler content in all composite systems categories. On the other hand, mechanical strength decreases with filler content. Dynamic response was studied by means of dynamic mechanical thermal analysis in a wide temperature range. Reinforced systems exhibit higher values of storage modulus, while the loss tangent peaks allow the determination of the glass transition temperature Tg. Tg slightly varies with reinforcing phase content, to higher or lower values depending on the type and the amount of filler concentration. These variations express the interactions between the phases of the composites and possibly the uncompleted wetting of the inclusions in some cases. The electrical response of the composite systems was examined by means of broadband dielectric spectroscopy in a wide frequency and temperature range. The analysis of the experimental data was carried out via the dielectric permittivity, electric modulus, and ac conductivity formalisms. The usage of all three formalisms provides the opportunity to extract more information concerning the physical mechanisms occurring within the composites. It was found that two dielectric processes are related to the polymer matrix. These are attributed to the glass to rubber transition of epoxy resin (α-relaxation) and to the re-arrangement of polar side groups of the main polymer chain (β-relaxation). The presence of inclusions within the matrix introduces electrical heterogeneity resulting in the occurrence of interfacial polarization. Unbounded charges accumulate at the interface of the phases, forming large dipoles, which exhibit inertia in orienting themselves parallel to the applied field. Interfacial polarization is the slowest process in the systems and thus it is observed at low frequencies and high temperatures. The real part of dielectric permittivity, as well as, the conductivity increase with reinforcing phase content, especially in the case of the systems with graphite nanoplatelets. The energy storage efficiency was investigated via the density of energy, at constant electric field. It was found that the energy storage capability increases with filler content. Optimum behaviour is displayed by the system with maximum content in graphite nanoplatelets. The dynamics of the relaxations was studied via Arrhenius graphs, from which the values of activation energy were calculated. Interfacial polarization and α-relaxation appear in adjacent temperature ranges, leading in a superposition of both processes. From the calculated values of activation energy it is concluded that in the pure resin specimen the dominating contribution is related to the α-relaxation, while in the composite systems the contribution of interfacial polarization seems to prevail. Barium titanate particles undergo a structural transition from the polar tetragonal structure (ferroelectric phase) to the non-polar cubic structure (paraelectric phase) at a critical temperature closed to 130oC. This transition was proved via XRD spectra and is more intense in the case of barium titanate microparticles. Systems’ functional behaviour is related to the thermally stimulated structural transition from the ferroelectric to the paraelectric phase of barium titanate inclusions, to the change of sign of the temperature coefficient of conductivity, and their ability for energy storage. The coexistence at adjacent temperatures ranges of α-relaxation and interfacial polarization, as well as the critical transition temperature of ferroelectric inclusions, hampers the discrimination of the effects. By introducing the dielectric reinforcing function the discrimination of the processes became possible. Furthermore, the dielectric reinforcing function provides the possibility to examine the functional behaviour and the energy storage efficiency of the systems, neglecting the materials’ geometrical characteristics influence. Finally, experimental results and analysis are compared and discussed.

This PhD dissertation proposes innovative methodologies to support the designing and the mapping process of embedded systems. Due to the increasing requirements, embedded systems have become quite complex, as they consist of several partially dependent heterogeneous components. Systematic Design Space Exploration (DSE) methodologies are required to support the near-optimal design of embedded systems within the available short time-to-market. In this target domain, the existing DSE approaches either require too much exploration time to find near-optimal designs due to the high number of parameters and the correlations between the parameters of the target domain, or they end up with a less efficient trade-off result in order to find a design within acceptable time. In this dissertation we present an alternative DSE methodology, which is based on systematic creation of scalable and near-optimal DSE frameworks. The frameworks describe all the available options of the exploration space in a finite set of classes. A set of principles is presented which is used in the reusable DSE methodology to create a scalable and near-optimal framework and to efficiently use it to derive scalable and near-optimal design solutions within a Pareto trade-off space. The DSE reusable methodology is applied to several stages of the embedded system design flow to derive scalable and near-optimal methodologies. The first part of the dissertation is dedicated to the development of mapping methodologies for storing large embedded system data arrays in the lower layers of the on-chip background data memory hierarchy, and the second part to the DSE methodologies for the processing part of SW/HW architectures in embedded systems including the foreground memory systems. Existing mapping approaches for the background memory part are either enumerative, symbolic/polyhedral and worst case (heuristics) approximations. The enumerative approaches require too much exploration time, the worst case approximation lead to overestimation of the storage requirements, whereas the symbolic/polytope approaches are scalable and near-optimal for solid and regular iteration spaces. By applying the new reusable DSE methodology, we have developed an intra-signal in-place optimization methodology which is scalable and near-optimal for highly irregular access schemes. Scalable and near-optimal solutions for the different cases of the proposed methodology have been developed for the cases of non-overlapping and overlapping store and load access schemes. To support the proposed methodology, a new representation of the array access schemes, which is appropriate to express the irregular shapes in a scalable and near-optimal way, is presented. A general pattern formulation has been proposed which describes the access scheme in a compact and repetitive way. Pattern operations were developed to combine the patterns in a scalable and near-optimal way under all the potential pattern combination cases, which may exist in the application under study. In the processing oriented part of the dissertation, a DSE methodology is developed for mapping instance of a predefined target application domain onto a partially fixed architecture platform template, which consists of one processor core and several custom hardware accelerators. The DSE methodology consists of uni-directional steps, which are implemented through parametric templates and are applied without costly design iterations. The proposed DSE methodology explores the space by instantiating the steps and propagating design constraints which prune design options following the steps ordering. The result is a final Pareto trade-off curve with the most relevant near-optimal designs. As the scheduling and the assignment are the major tasks of both the foreground and the datapath, near-optimal and scalable techniques are required to support the parametric templates of the proposed DSE methodology. A framework which describes the scheduling and assignment of the scalars into the registers and the scheduling and assignment of the operation into the function units of the data path is developed. Based on the framework, a systematic methodology to arrive at parametric templates for scheduling and assignment techniques which satisfy the target domain constraints is developed. In this way, a scalable parametric template for scheduling and assignment tasks is created, which guarantees near-optimality for the domain under study. The developed template can be used in the Foreground Memory Management step and Data-path mapping step of the overall design flow. For the DSE of the domain under study, near-optimal results are hence achieved through a truly scalable technique. / Η παρούσα διδακτορική διατριβή προτείνει καινοτόμες μεθοδολογίες για τον σχεδιασμό και τη διαδικασία απεικόνισης σε ενσωματωμένα συστημάτα. Λόγω των αυξανόμενων απαιτήσεων, τα ενσωματωμένα συστήματα είναι αρκετά περίπλοκα, καθώς αποτελούνται από πολλά και εν μέρει εξαρτώμενα ετερογενή στοιχεία. Συστηματικές μεθοδολογίες για την εξερεύνηση του χώρου λύσεων (Design Space Exploration – DSE) απαιτούνται σχεδόν βέλτιστες σχεδιάσεις ενσωματωμένων συστημάτων εντός του διαθέσιμου χρονου. Οι υπάρχουσες DSE μεθοδολογίες απαιτούν είτε πάρα πολύ χρόνο εξερεύνησης για να βρουν τους σχεδόν βέλτιστους σχεδιασμούς, λόγω του μεγάλου αριθμού των παραμέτρων και τις συσχετίσεις μεταξύ των παραμέτρων, ή καταλήγουν με ένα λιγότερο βέλτιστο σχέδιο, προκειμένου να βρειθεί ένας σχεδιασμός εντός του διαθέσιμου χρόνου. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή παρουσιάζουμε μια εναλλακτική DSE μεθοδολογία, η οποία βασίζεται στη συστηματική δημιουργία επεκτάσιμων και σχεδόν βέλτιστων DSE πλαισίων. Τα πλαίσια περιγράφουν όλες τις διαθέσιμες επιλογές στο χώρο εξερεύνησης με ένα πεπερασμένο σύνολο κατηγοριών. Ένα σύνολο αρχών χρησιμοποιείται στην επαναχρησιμοποιήούμενη DSE μεθοδολογία για να δημιουργήσει ένα επεκτάσιμο και σχεδόν βέλτιστο DSE πλαίσιο και να χρησιμοποιήθεί αποτελεσματικά για να δημιουργήσει επεκτάσιμες και σχεδόν βέλτιστες σχεδιαστικές λύσεις σε ένα Pareto Trade-off χώρο λύσεων. Η DSE μεθοδολογία εφαρμόζεται διάφορα στάδια της σχεδιαστικής ροής για ενσωματωμένα συστήματα και να δημιουργήσει επεκτάσιμες και σχεδόν βέλτιστες μεθοδολογίες. Το πρώτο μέρος της διατριβής είναι αφιερωμένο στην ανάπτυξη των μεθόδων απεικόνισης για την αποθήκευση μεγάλων πινάκων που χρησιμοποιούνται στα ενσωματωμένα συστήματα και αποθηκεύονται στα χαμηλότερα στρώματα της on-chip Background ιεραρχία μνήμης. Το δεύτερο μέρος είναι αφιερωμένο σε DSE μεθοδολογίες για το τμήμα επεξεργασίας σε αρχιτεκτονικές λογισμικού/υλικού σε ενσωματωμένα συστήματα, συμπεριλαμβανομένων των συστημάτων της προσκήνιας (foreground) μνήμης. Υπάρχουσες μεθοδολογίες απεικόνισης για την Background μνήμης είτε εξονυχιστικές, συμβολικές/πολυεδρικές και προσεγγίσεις με βάση τη χειρότερη περίπτωση. Οι εξονυχιστικές απαιτούν πάρα πολύ μεγάλο χρόνο εξερεύνησης, οι προσεγγίσεις οδηγούν σε υπερεκτίμηση των απαιτήσεων αποθήκευσης, ενώ οι συμβολικές είναι επεκτάσιμη και σχεδόν βέλτιστές μονο για τακτικούς χώρους επαναλήψεων. Με την εφαρμογή της προτεινόμενης DSE μεθοδολογίας αναπτύχθηκε μια επεκτάσιμη και σχεδόν βέλτιστη μεθοδολγοία για την εύρεση του αποθηκευτικού μεγέθους για τα δεδομένα ενός πίνακα για άτακτους και για τακτικούς χώρους επαναλήψεων. Προτάθηκε μια νέα αναπαράσταση των προσπελάσεων στη μνήμη, η οποία εκφράζει τα ακανόνιστα σχήματα στο χώρο επεναλήψεων με επακτάσιμο και σχεδόν βέλτιστο τρόπο. Στο δεύτερο τμήμα της διατριβής, μια DSE μεθοδολογία αναπτύχθηκε για το σχεδιασμό ενός προκαθορισμένου τομέα από εφαρμογές σε μια μερικώς αποφασισμένη αρχιτεκτονική πλατφόρμα, η οποία αποτελείται από ένα πυρήνα επεξεργαστή και αρκετούς συνεπεξεργαστές. Η DSE μεθοδολογία αποτελείται από μονής κατεύθυνσης βήματα, τα οποία υλοποιούνται μέσω παραμετρικών πλαισίων και εφαρμόζονται αποφέυγοντας τις δαπανηρές επαναλήψεις κατά τον σχεδιασμό. Η προτεινόμενη DSE μεθοδολογία εξερευνά το χώρο βρίσκοντας στιγμιότυπα για καθε βήμα και διαδίδονατς τις αποφάσεις μεταξύ βημάτων. Με αυτό το τρόπο κλαδεύουν τις επιλογές σχεδιασμού στα επόμενα βήματα. Το αποτέλεσμα είναι μια Pareto καμπύλη. Ένα DSE πλαίσιο προτάθηκε που περιγράφει τις τεχνικές χρονοπρογραμματισμού και ανάθεσης πόρων των καταχωρητών και των μονάδων εκτέλεσης του συστήματος. Προτάθηκε μια μεθοδολογία για να δημιουργεί σχεδόν βέλτιστα και επεκτάσιμα παραμετρικά πρότυπα για τον χρονοπρογραμματισμό και την ανάθεση πόρων που ικανοποιεί τους περιορισμούς ενός τομέα εφαρμογών.