Με την εξέλιξη της τεχνολογίας, ο κύριος στόχος των υπολογιστικών συστημάτων, επιτραπέζιων, εξυπηρετητών και ενσωματωμένων είναι η υψηλή απόδοση. Όμως, το σύνολο σχεδόν των εφαρμογών στις μέρες μας είναι γραμμένο σε κάποια γλώσσα υψηλού επιπέδου, με αποτέλεσμα να απαιτείται μεταγλώττιση ώστε να μεταφραστούν σε γλώσσα μηχανής και για να μπορέσουν στη συνέχεια να εκτελεστούν σε κάποιον επεξεργαστή. Η ποιότητα του κώδικα που παράγεται είναι κρίσιμος παράγοντας για την ορθή και γρήγορη εκτέλεσή του. Επομένως, η χρήση ενός μεταγλωττιστή που ικανοποιεί τις παραπάνω απαιτήσεις είναι εξαιρετικά σημαντική. Αν και η ανάπτυξη όλο και πιο αποδοτικών μεταγλωττιστών είναι γεγονός, δεν είναι δυνατό να χρησιμοποιηθούν από όλα τα υπολογιστικά συστήματα. Για παράδειγμα, τα ενσωματωμένα συστήματα, που αποτελούν μεγάλο κλάδο των υπολογιστικών συστημάτων και χρησιμοποιούνται σε πληθώρα θεμάτων, λόγω της απαίτησης τους για χαμηλό κόστος και χαμηλή κατανάλωση ισχύος χρησιμοποιούν υποτυπώδεις μεταγλωττιστές. Παρόλα αυτά η απαίτηση για υψηλή απόδοση παραμένει. Έτσι, έχει δοθεί ιδιαίτερη ώθηση στη μελέτη των μεταγλωττιστών και των τεχνικών βελτιστοποίησης προγραμμάτων που χρησιμοποιούν. Αυτό οδήγησε στη χρήση των τεχνικών μεταγλωττιστών από τους προγραμματιστές με στόχο την επίτευξη βελτιστοποίησης στο υψηλότερο επίπεδο, κάτι που είναι ιδιαίτερα χρήσιμο για τα ενσωματωμένα συστήματα όπου δεν χρησιμοποιούνται ακριβοί μεταγλωττιστές. Σκοπός της εργασίας είναι η μελέτη και βελτιστοποίηση μιας εφαρμογής σάρωσης πίνακα με στόχο την αύξηση της ταχύτητας εκτέλεσης και τη μείωση των μετακινήσεων στη μνήμη σε διαφορετικές αρχιτεκτονικές. / As technology changes, the main goal of every computer system (PCs, servers, embedded systems) is high performance. Nowadays, the majority of applications is written in high level languages and compiling is appropriate for their execution in a processor. The quality of binary code produced by a compiler is a critical factor for its correct and fast execution. So, it is extremely significant to use compilers that fulfill the requirements above. Even though the production of compilers which produce high quality binary code is a fact, they cannot be used by every computer system. For instance, embedded systems which are a big part of computer systems and are used in a wide range of applications, use simple compilers. This is because embedded systems are of low cost and low power. Nevertheless, the requirement for high performance remains. As a result, research moved towards compilers’ structure and optimization methods that are used by them. This lead to the use of compilers’ optimization methods by programmers in order to achieve high level optimization in their codes. This is very useful for embedded systems where simple compilers are used and the quality of produced code is not the desired. The aim of this work is the optimization of an application which scans a matrix (filter image) in order to achieve better performance which contains reducing memory accesses and increasing the execution time.

Στη σημερινή εποχή, η πλειοψηφία των εφαρμογών που προορίζονται για επιτραπέζια υπολογιστικά συστήματα, ενσωματωμένα συστήματα και εξυπηρετητές, υλοποιείται χρησιμοποιώντας κάποια γλώσσα υψηλού επιπέδου. Το γεγονός αυτό αναδεικνύει την τεράστια σημασία των μεταγλωττιστών, οι οποίοι μεταφράζουν τον κώδικα υψηλού επιπέδου σε γλώσσα μηχανής. Η γνώση της τεχνολογίας των μεταγλωττιστών αποτελεί σημαντικό εφόδιο στην προσπάθεια αύξησης της απόδοσης ενός υπολογιστικού συστήματος. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η βελτιστοποίηση δύο γνωστών εφαρμογών, του μετασχηματισμού Gauss και του αλγορίθμου πολλαπλασιασμού μήτρας Toeplitz με διάνυσμα. Για τη βελτιστοποίηση χρησιμοποιήθηκε πληθώρα τεχνικών που ενσωματώνονται σε διάφορους μεταγλωττιστές, καθώς επίσης και μέθοδοι που οι τρέχοντες μεταγλωττιστές δεν μπορούν ακόμα να εφαρμόσουν. Για την αξιολόγηση των πειραματικών αποτελεσμάτων χρησιμοποιήθηκε το εργαλείο εξομοίωσης Simplescalar και πραγματοποιήθηκε σύγκριση της εκτέλεσης των αρχικών με τις βελτιστοποιημένες εκδόσεις των εφαρμογών. Η επιτάχυνση που επετεύχθη είναι σημαντική, έως και 55%. / Nowadays, the majority of applications designed for desktop and embedded systems and servers is implemented using a high level programming language. This fact proves the huge importance of compilers, which translate high level language into machine language. The knowledge of compiler technology is a useful tool for increasing efficiency of a computer system. The purpose of this Diploma Thesis is to optimize two well-known applications, the Gauss elimination algorithm and the algorithm for multiplying a Toeplitz matrix and a vector. In order to optimize these two algorithms, a variety of techniques present in many compilers was utilized, as well as techniques that current compilers cannot yet apply. For the evaluation of our technique we used Simplescalar simulator and we compared the results between the unoptimized and the optimized versions of the algorithms. The speedup achieved was very significant, up to 55%.

On-line monitoring is an important challenge in future biotechnology applications, for instance in the domain of precision livestock farming, there is need for low-cost intelligent sensors to monitor animal welfare. The common way of observing a living organism is usually done by audio-visual ways performed by a human being, who is present on the scene. This method is, however, subjective, expensive, error prone and time consuming. Instead of performing an animal observation by a human being, automated objective surveillance, by means of low cost intelligent image sensors, can be used. With the use of cheap image sensors and with the help of image analysis techniques, an automated, objective, contact-less monitoring method of the behavior of the living organisms can be provided. Much knowledge has been obtained in the development and use of image analysis algorithms to automatically quantify body features of animals, their activity rate and their behavior. Such an automatic image analysis algorithm is combined with on-line modeling techniques in order to develop an application for the recognition of several behavioral phenotypes of laying hens. The procedure is divided in two phases, where an automatic computer vision algorithm detects the monitoring object from images captured by a video camera, and then another algorithm tracks the detected object through successive frames. Further work is required to integrate these algorithms into low-cost low-energy processing platforms, including embedded systems or even wearable devices. Only then, this important biotechnology development will lead to economically applicable solutions. The challenge of the present thesis especially includes the exploration of ultra-low energy implementation platforms of this biotechnology application. The initial application is developed in the MATLAB environment and is converted to C programming language. Dynamic range and precision analysis are performed to efficiently determine the required fixed-point word-lengths of the application’s variables. Finally, platform-independent and platform-dependent code transformations and integration of the algorithm to different ASIPs (Application Specific Instruction Processors) architectures are applied in order to achieve ultimate low energy consumption. / Η On-line παρακολούθηση αποτελεί μια σημαντική πρόκληση στις μελλοντικές βιοτεχνολογικές εφαρμογές, όπως παραδείγματος χάριν στον τομέα της κτηνοτροφίας, όπου είναι επιτακτική η ανάγκη χρήσης χαμηλού κόστους έξυπνων αισθητήρων στην παρακολούθηση της ευημερίας των ζωντανών οργανισμών. Ο συνήθης τρόπος παρακο-λούθησης ενός ζωντανού οργανισμού συνίσταται στη χρήση οπτικοακουστικών μέσων, τα οποία χειρίζεται ο ανθρώπινος παράγοντας που είναι παρόν. Η μέθοδος αυτή είναι κατά κύριο λόγο υποκειμενική, ακριβή, επιρρεπής σε σφάλματα και επιπροσθέτως χρονοβόρα. Αντ’ αυτού είναι δυνατό να εφαρμοσθεί μια αυτοματοποιημένη αντι-κειμενική επιτήρηση, η οποία λαμβάνει χώρα μέσω χαμηλού κόστους έξυπνων αισθητήρων εικόνας. Η χρήση των αισθητήρων, σε συνδυασμό με τη βοήθεια τεχνικών ανάλυσης εικόνας, παράγει μια αυτόματη αντικειμενική και εξ’ αποστάσεως μέθοδο πα-ρακολούθησης της συμπεριφοράς των ζωντανών οργανισμών. Τα τελευταία χρόνια η τεχνογνωσία στην ανάπτυξη και τη χρήση αλγορίθμων επεξεργασίας εικόνας, οι οποίοι εντοπίζουν αυτόματα τα χαρακτηριστικά των σωμάτων των ζωντανών οργανισμών, το ποσοστό δραστηριότητάς τους, καθώς και την συμπε-ριφορά τους, αναπτύσσεται ραγδαία. Ένας τέτοιος αλγόριθμος συνδυάζεται με on-line τεχνικές μοντελοποίησης αποσκοπώντας στην αναγνώριση διαφόρων φαινοτύπων συ-μπεριφοράς των ορνίθων. Η διαδικασία χωρίζεται σε δύο φάσεις, όπου κατά την πρώτη ένας αλγόριθμος με υπολογιστική όραση ανιχνεύει το αντικέιμενο παρακολούθησης από εικόνες που προέρχονται από μια κάμερα παρακολούθησης, και κατά τη δεύτερη ένας αλγόριθμος εντοπισμού αναλαμβάνει την παρακολούθηση του αντικειμένου σε δια-δοχικές εικόνες. Ακολούθως, είναι επιτακτική η υλοποίηση των αλγορίθμων σε χαμηλού κόστους χαμηλής κατανάλωσης πλατφόρμες επεξεργασίας, οι οποίες μπορούν να περιλαμβάνουν ενσωματωμένα ή ακόμα και ασύρματα συστήματα, ούτως ώστε η σημαντική αυτή βιοτεχνολογική ανάπτυξη να οδηγήσει σε οικονομικά εφικτές λύσεις. Η παρούσα μελέτη ανταπεξέρχεται στην πρόκληση της εξερεύνησης χαμηλής κατανάλωσης υλοποίησεων της βιοτεχνολογικής αυτής εφαρμογής. Η εφαρμογή έχει αναπτυχθεί σε υπολογιστικό περιβάλλον Matlab και εν συνεχεία ακολουθεί η μετάφρασή της σε C προγραμματιστική γλώσσα. Επιπρόσθετα, εφαρ-μόσθηκε δυναμική ανάλυση του εύρους και ανάλυση της ακρίβειας των μεταβλητών, με στόχο τον προσδιορισμό των μηκών των fixed point λέξεων. Εν κατακλείδι, πραγμα-τοποιήθηκαν platform-independent και platform-dependent μετασχηματισμοί της εφαρμογής και υλοποιείται σε διαφορετικές ASIP αρχιτεκτονικές αποσκοπώντας στην επίτευξη χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας.

Στην παρούσα διπλωματική αναπτύσσεται ένα ενσωματωμένο σύστημα αποτελούμενο από υλικό και λογισμικό, για τον χαρακτηρισμό τηλεπικοινωνιακών διατάξεων. Ειδικότερα μελετάται ο έλεγχος εξειδικευμένης ενσωματωμένης τηλεπικοινωνιακής διάταξης, η αυτοματοποίηση της συλλογής δεδομένων ενδιαφέροντος κατά τη λειτουργία της τηλεπικοινωνιακής διάταξης, καθώς και ο τρόπος επικοινωνίας με το χρήστη αναπτυξιακών συστημάτων που βασίζονται σε FPGA και χρησιμοποιούνται για την κατασκευή προτύπων τηλεπικοινωνιακών διατάξεων. Συγκεκριμένα μελετώνται διαφορετικές τεχνικές εισαγωγής και εξαγωγής δεδομένων από τα FPGAs και αποθήκευσής τους σε σύστημα host. O τρόπος εισαγωγής δεδομένων και παραμέτρων στα υπάρχοντα συστήματα παρουσιάζει συγκεκριμένους περιορισμούς. Εδώ μελετάται ο τρόπος που μπορούν τα δεδομένα και παράμετροι να εισάγονται δυναμικά μέσω ενός φιλικού προς τον χρήστη περιβάλλοντος. Επίσης μελετάται ο τρόπος αυτόματης συλλογής όγκου δεδομένων ενδιαφέροντος και εξαγωγής δεδομένων με ασφαλή και αυτοματοποιημένο τρόπο. Για να επιτευχθεί αυτό αναπτύσσεται ένα ενσωματωμένο σύστημα που η διεπαφή χρήστη γίνεται μέσω web server. Η ανάπτυξη περιλαμβάνει τη χρήση ενσωματωμένου επεξεργαστή διαθέσιμου ως IP block σε FPGA, τη δόμηση ενός συστήματος βασισμένου σε κανάλια επικοινωνίας με χρήση εικονικής διευθυνσιοδότησης, καθώς και τον έλεγχο και σύνδεση της μονάδας προτυποποίησης τηλεπικοινωνιακών διατάξεων με το κανάλι επικοινωνίας του επεξεργαστή. Το σύστημα που προκύπτει είναι ένα ενσωματωμένο σύστημα στο οποίο το λειτουργικό σύστημα βασίζεται σε διακοπές ενώ η διεπαφή χρήστη γίνεται με την ανάπτυξη ενσωματωμένου web server. Με αυτόν τον τρόπο παρέχεται ένα διαδραστικό περιβάλλον που είναι ευρέως διαδεδομένο και με το οποίο ο χρήστης μπορεί να έχει άμεση επαφή με το hardware, ενώ ταυτόχρονα αυτοματοποιεί τη διαδικασία εξαγωγής δεδομένων προσφέροντας αξιοπιστία και υψηλές ταχύτητες. / This thesis presents the development of an embedded system composed of both hardware and software components, for the characterization of a telecommunication prototype. Specifically, we study the control of an advanced telecommunication IP, the automation of collecting interesting data during the operation of the telecommunication device, and ways in available for the engineer to interact with FPGA-based system prototypes. Different techniques of importing and exporting data from the FPGA and storing them to a host system are investigated. The way of importing data and parameters in existing systems presents certain restrictions. In this thesis we study techniques of dynamically importing the data and parameters through a user-friendly environment. We automated the process of collecting data of interest and data retrieval in a secure and reliable manner. To achieve this, an embedded system interface is implemented developing an embedded, on-board web server. The development process includes the use of an embedded processor available as IP block on an FPGA, building a system based on bus channels using virtual addressing, and the connection and the control of telecommunication IP blocks through the bus channel to the processor. The developed system is an embedded system utilizes an interrupt-based operating system offering a user interface based a developed embedded web server. This system provides an interactive environment which is widely used, where the developer can directly access the hardware, and at the same time automates data retrieval and offers reliability and high speed.