Η σχεδίαση μικροεπεξεργαστών, ειδικά τα τελευταία χρόνια στη διάρκεια των οποίων οι εξελίξεις στην αρχιτεκτονική υπολογιστών και στην τεχνολογία ημιαγωγών ήταν ραγδαίες, είναι μια πολύπλοκη και δύσκολη διαδικασία. Παραδοσιακά οι σχεδιαστές για εκτιμήσουν την αποδοτικότητα του συστήματος που αναπτύσσουν χρησιμοποιούν πλήρη προσομοίωση κύκλο-προς-κύκλο. Δυστυχώς αυτή η διαδικασία είναι πολύπλοκη σχεδιαστικά, χρονοβόρα και δεν παρέχει κανενός είδους πληροφορία για τις διεργασίες και τις αλληλεπιδράσεις που συμβαίνουν στο εσωτερικό του επεξεργαστή. Σε αυτή την εργασία παρουσιάζεται η γενική δομή ενός υπερβαθμωτού επεξεργαστή με εκτέλεση εκτός σειράς. Πάνω σε αυτή τη δομή χτίζεται ένα αναλυτικό μοντέλο για τις επιδόσεις του επεξεργαστή σε σχέση με τον κώδικα που εκτελεί και τα δομικά του χαρακτηριστικά. Η μοντελοποίηση αυτή βασίζεται στο ότι ένας υπερβαθμωτός επεξεργαστής διατηρεί σταθερή την απόδοσή του πέρα από εξαιρετικά γεγονότα (cache misses, branch mispredictions). Παρουσιάζεται το αναλυτικό μοντέλο σταθερής απόδοσης και ο αντίκτυπος του κάθε είδους miss event ξεχωριστά. Τελικά, επιτυγχάνεται μια συνολική εκτίμηση των επιδόσεων του συστήματος. / The last few years the advances in the fields of computer architecture and semiconductor technology have rendered microprocessor design a very complex and difficult procedure. Traditionally, in order to assess the efficiency of the system under development designers have used full cycle-based simulation. Unfortunately this process is complex, time-consuming and provides no insight on the interaction between the building blocks of a modern processor. In this thesis, we present a generic design of a superscalar out-of-order processor. Based on this design, we build an analytical performance model derived from the parallelism of the code to be executed and the processor design parameters. The foundation of this model is that a well-designed superscalar processor maintains a steady performance level at all times - with the occurrence of miss events (cache misses, branch mispredictions) a sole exception. Therefore, we present a steady-state performance model and we model each type of miss event and its impact in isolation. Finally, we assess the performance of a generic out-of-order processor.

Το αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η κατασκευή ενός πλήρους αυτοματοποιημένου συστήματος παραγωγής και παροχής ηλεκτρικών τάσεων με τη χρήση Προγραμματιζόμενου Λογικού Ελεγκτή (PLC) και συστήματος εποπτικού ελέγχου και συλλογής πληροφοριών (SCADA). Το σύστημα βρίσκεται στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών. Ο αρχικός σχεδιασμός και υλοποίηση του συστήματος έγινε το 1987 από την εταιρία ΑSEA BROWN BOVERI (ABB). Με την πάροδο του χρόνου εμφανίστηκαν βασικά λειτουργικά προβλήματα τα οποία σε συνδυασμό με την ανύπαρκτη τεχνική υποστήριξη οδήγησαν στην προβληματική λειτουργία και σταδιακά στην κατάρρευση του συστήματος. Στην πορεία λειτούργησαν κάποιες παροχές (Ε1 και Ε3) μέσω κονσόλας κλασικού αυτοματισμού με μπουτόν. Έτσι, με την πρωτοβουλία του Καθηγητή Δρ. -Μηχανικού κου Αθανασίου Ν. Σαφάκα ανατέθηκαν 7 διπλωματικές εργασίες σε φοιτητές του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστημίου Πατρών, οι οποίες είχαν ως στόχο την επαναλειτουργία του αρχικά αυτοματοποιημένου συστήματος, με χρήση Προγραμματιζόμενων Λογικών Ελεγκτών τελευταίας γενιάς. Για την πραγματοποίηση του έργου αυτού, το σύστημα μελετήθηκε εκτενώς, καταγράφηκαν όλα τα στοιχεία του και επαναλειτούργησε, σταδιακά, σε τρεις φάσεις ανάθεσης διπλωματικών εργασιών. Συγκεκριμένα πρόκειται για την παραγωγή 10 διαφορετικών τύπων τάσεων σε 12 εργαστηριακές θέσεις. Στην 3η φάση υλοποίησης και ολοκλήρωσης του έργου, όπου εντάσσεται και αυτή η διπλωματική, υλοποιήθηκαν οι εξής παροχές: • Ε6 = 0V…230V DC • Ε7 = 0V…230V DC • Ε8 = 0V…500V DC • Ε9 = 149V…450V DC • Ε10 = 150V…500V AC, 15…100Hz Πρόκειται για μεταβλητές τάσεις που παράγονται από ζεύγη ηλεκτρικών μηχανών. Οι μηχανές αυτές βρίσκονται στο υπόγειο του Εργαστηρίου Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας και ο χειρισμός τους γίνεται από ένα φιλικό ως προς το χρήστη περιβάλλον μέσω ηλεκτρονικού υπολογιστή (σύστημα SCADA). Ο χειριστής δεν χρειάζεται να έχει ιδιαίτερες γνώσεις για να λειτουργήσει το όλο σύστημα διότι δεν έρχεται σε άμεση επαφή με τον Προγραμματιζόμενο Λογικό Ελεγκτή (PLC) , ο οποίος είναι υπεύθυνος για την σωστή λειτουργία του συστήματος. Ο χειριστής έρχεται μόνο σε επαφή με το σύστημα SCADA , το οποίο βασίζεται στο πρόγραμμα του PLC για να λειτουργήσει. Έτσι το σύστημα που υλοποιήθηκε παρέχει ασφαλιστικές δικλείδες για την αυτόματη αντιμετώπιση οποιουδήποτε είδους σφάλματος παρουσιαστεί (υλικού αλλά και χειρισμού) , προειδοποιητικά μηνύματα και καταγραφή ιστορικού βλαβών. Ουσιαστικά προλαμβάνει και αντιμετωπίζει το σφάλμα αλλά και το λάθος του χειριστή αυτόματα και ταχύτατα. Κάποια μέρη της εργασίας με ιδιαίτερο ενδιαφέρον είναι: για την διεκπεραίωση της παροχής Ε9 γίνεται παραλληλισμός σύγχρονης γεννήτριας στο δίκτυο αυτόματα μέσω του Προγραμματιζόμενου Λογικού Ελεγκτή. Επίσης δημιουργήθηκε ένας ομαλός εκκινητής (soft starter) για έλεγχο ασύγχρονης μηχανής εκμεταλλευόμενοι την παροχή Ε10. Όλες οι παροχές μπορούν να δοθούν στους εργαστηριακούς πάγκους για εκπαιδευτικούς αλλά και ερευνητικούς σκοπούς. Στην διπλωματική γίνεται εκτενή αναφορά στις παραπάνω παροχές ,στις συνδεσμολογίες που κάναμε ,στον προγραμματισμό του PLC καθώς και στο σύστημα SCADA που έρχεται σε επαφή ο χειριστής. / This diploma thesis’ objective was to create a fully automated electrical voltage production and supply system using Programmable Logical Controller (PLC) and Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA). This system is located in the Electromechanical Energy Conversion Laboratory of Electrical and Computer Engineering Department. The initial design and implementation of the system was in 1987 by ΑSEA BROWN BOVERI (ABB). The basic operational problems combined with little technical support led to the insufficient operation and gradually to the collapse of the system. Some supplies (E1 and E3) operated later on, using typical automation control with button console. So, Professor Dr.-Ing. Athanasios N. Safacas initiated the reoperation of the automated system with the use of new PLCs. For this purpose he assigned seven diploma thesis to the students of Electrical and Computer Engineering Department. To complete the project, the system had to be fully analyzed and its components fully registered. The project was finalized after three phases. The system includes 10 different types of electrical voltage in 12 different laboratory locations. During the third phase, that this diploma thesis is part of, the following supplies needed to be implemented : • Ε6 = 0V…230V DC • Ε7 = 0V…230V DC • Ε8 = 0V…500V DC • Ε9 = 149V…450V DC • Ε10 = 150V…500V AC, 15…100Hz These are variable voltage that are produced by electrical machine pairs. The machine are located at the basement of Electromechanical Energy Conversion Laboratory and they are operated by SCADA. The system is operated exclusively by SCADA ,so the operator doesn’t need to have special knowledge of the whole system. The system is secured against any error (hardware or operation) and offers warning messaging and saves error history. Some sections of great interest are: • The E9 supply operates through parallelism of synchronous generator with the energy network. This is achieved auto by the Programmable Logical Controller. • The E10 supply was used to provide a soft starter simulation in order to control the speed of asynchronous machine. In the diploma thesis includes all the information about the power supplies, the connections that were made, the PLC programming and the making of the SCADA system.

Τo Gene Expression Programming - GEP (Προγραμματισμός Γονιδιακής Έκφρασης - ΠΓΕ) είναι μια μέθοδος αυτόματης παραγωγής προγραμμάτων η οποία ανήκει στη γενική κατηγορία των Εξελικτικών Αλγορίθμων, εκείνων των τεχνικών δηλαδή που εμπνέονται από τις φυσικές διεργασίες της βιολογικής εξέλιξης. Συγκεκριμένα ο ΠΓΕ χρησιμοποιεί πληθυσμούς από άτομα, επιλέγει τα άτομα σύμφωνα με την καταλληλότητά τους (fitness) και εισάγει νέα σημεία (άτομα, πιθανές λύσεις) στον πληθυσμό χρησιμοποιώντας έναν ή περισσότερους γενετικούς τελεστές. Στόχος αυτής της Μεταπτυχιακής Διπλωματικής Εργασίας ήταν ο σχεδιασμός και η υλοποίηση ενός Ολοκληρωμένου Γραφικού Περιβάλλοντος για τον Προγραμματισμό Γονιδιακής Έκφρασης καθώς και η υλοποίηση ορισμένων καινοτομιών. Στα πλαίσια της διπλωματικής εργασίας, σχεδιάσθηκε και αναπτύχθηκε ένας καινοτόμος τελεστής για την μέθοδο του ΠΓΕ. Ο συγκεκριμένος τελεστής πραγματοποιεί μια τοπική αναζήτηση στις μεταβλητές που χρησιμοποιούνται στη μοντελοποίηση του εκάστοτε προβλήματος και επιλέγει εκείνες τις μεταβλητές για τις οποίες η απόδοση του αλγορίθμου βελτιστοποιείται. Η απόδοση του καινούργιου τελεστή ελέγχθηκε και πειραματικά. Μια επιπλέον καινοτομία που εφαρμόστηκε είναι η αυξομείωση του αριθμού των μεταλλάξεων. Συγκεκριμένα, επιλέγουμε να μειώνουμε τον αριθμό των μεταλλάξεων καθώς ο πληθυσμός εξελίσσεται, ενώ τον αυξάνουμε όταν έχουμε μικρή διαφορά ανάμεσα στη βέλτιστη και τη μέση απόδοση του πληθυσμού. Ο μεταβλητός αριθμός μεταλλάξεων σε συνδυασμό με την ικανότητα της μεθοδολογίας του ΠΓΕ να αποφεύγει τα τοπικά ακρότατα βελτιώνει σημαντικά την προσαρμοστικότητα του αλγορίθμου. Επιπλέον, για την αντιμετώπιση της αυξημένης υπολογιστικής πολυπλοκότητας που παρουσιάζει η μέθοδος, εισήχθη η έννοια του παραλληλισμού. Τέλος, η τροποποιημένη μέθοδος του ΠΓΕ εφαρμόστηκε σε πληθώρα προβλημάτων όπως η μοντελοποίηση συμπεριφοράς μιας χρονοσειράς μαγνητοεγκεφαλογραφήματος, η μοντελοποίηση της συμπεριφοράς κόπωσης υλικών, η πρόβλεψη ισοτιμίας δολαρίου – ευρώ, η πρόβλεψη πρωτεϊνικών αλληλεπιδράσεων και η πρόβλεψη του βαθμού υδατοκορεσμού ελαιοκαλλιεργειών. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν είναι ιδιαίτερα ενθαρρυντικά. / Gene Expression Programming (GEP) is one method of automatic generation of programs that belongs to a wider class of Evolutionary Algorithms. Evolutionary Algorithms are inspired by biological mechanisms of evolution. Specifically, GEP uses populations of individuals, select the individuals according to their fitness, and introduce genetic variation using one or more genetic operators. The purpose of this Master's Thesis was to design and implement an Integrated Graphical Environment for Gene Expression Programming and the implementation of certain innovations. Ιn the context of this thesis an innovative operator was designed and developed for the GEP method. This particular operator is conducting a local search on the variables used in modeling of a problem and chooses those variables for which the performance of the algorithm is optimized. The performance of the new operator was experimentally tested. Another innovation implemented was the fluctuation in the number of mutations. Specifically, we choose to reduce the number of mutations as the population evolves, while we increase it when the performance of the best individual found is very close to the average performance of the population. The variable number of mutations in combination with the ability of the methodology of GEP to avoid local extrema significantly improves the adaptability of the algorithm. Moreover, in order to face the increased computational complexity of the method, we introduce parallelism. Finally, the modified method of GEP was applied to many problems such as modeling behavior of a MEG’s time series, modeling of fatigue behavior of materials, forecasting Euro - United States Dollar exchange rate, predicting protein interactions and predicting the degree of saturation of olive crops. The results are very encouraging.

Οι σύγχρονες τάσεις της Επιστήμης Σχεδιασμού των Υπολογιστικών Συστημάτων έχουν υιοθετήσει την χρήση των Κρυφών Μνημών ή Μνημών Cache, αποβλέποντας στην απόκρυψη της Καθυστέρησης της Κύριας Μνήμης των Συστημάτων (Memory Latency) και την γεφύρωση του χάσματος της απόδοσης του Επεξεργαστή και της Κύριας Μνήμης (Processor – Memory Performance Gap). Οι Μνήμες Cache έτσι έχουν αποκτήσει αδιαμφισβήτητα πρωτεύοντα ρόλο στην Ιεραρχία Μνήμης των Ηλεκτρονικών Υπολογιστών. Οι νέες τάσεις Σχεδιασμού ανέδειξαν την Έννοια του Παραλληλισμού σε πρωτεύοντα ρόλο. Αρχικά διερευνήθηκε ο Παραλληλισμός Επιπέδου Εντολών, ωστόσο η αύξηση της Απόδοσης των Υπολογιστών σύντομα έφτασε ένα μέγιστο. Την τελευταία δεκαετία το κέντρο του ενδιαφέροντος των σχεδιαστών έχει και πάλι μετατοπιστεί, καθώς ένας νέος τύπος Επεξεργαστών έχει εισέλθει στο προσκήνιο, οι Πολυπύρηνοι Επεξεργαστές, ή όπως είναι αλλιώς γνωστοί on-chip Multiprocessors (CMP). Αυτές οι εξελίξεις, σε συνδυασμό με την ολοένα αυξανόμενη πολυπλοκότητα της “συμπεριφοράς” των εκτελούμενων Εφαρμογών, ώθησαν το σχεδιαστικό ενδιαφέρον προς την εκμετάλλευση ενός νεοσύστατου τύπου Παραλληλισμού. Ο Παραλληλισμός Επιπέδου Μνήμης ή Memory Level Parallelism (MLP) αποτελεί τα τελευταία χρόνια, το πλέον ισχυρό μέσο αύξησης της απόδοσης των Υπολογιστικών Συστημάτων και μαζί με τους Πολυπύρηνους Επεξεργαστές θα κυριαρχήσει στο προσκήνιο των εξελίξεων τα επόμενα χρόνια. Σκοπός της παρούσας Διπλωματικής Εργασίας είναι η ανάπτυξη ενός Στατιστικού – Πιθανοτικού Μοντέλου για μελέτη και πρόβλεψη των φαινομένων που αναπτύσσονται σε Μνήμες Cache, στις οποίες αποθηκεύονται δεδομένα από εκτελούμενες Εφαρμογές, με έντονο Παραλληλισμό Επιπέδου Μνήμης. Θα οριστεί ένας Εκτιμητής του Φόρτου που επιβάλλεται στο Σύστημα, από φαινόμενα Παραλληλισμού Επιπέδου Μνήμης (MLP). Στην συνέχεια, με βάση το Μοντέλο που αναπτύσσουμε, θα διερευνηθεί ένα ικανοποιητικό σύνολο Εφαρμογών, και θα εξαχθεί μια Εκτίμηση – Πρόβλεψη για τον Φόρτο (MLP) του Συστήματος. Εφόσον οι Προβλέψεις μας κριθούν επιτυχής, το Μοντέλο Πρόβλεψης Φόρτου MLP που αναπτύξαμε, μπορεί να αποτελέσει χρήσιμο Εργαλείο στα χέρια των Σχεδιαστών που ασχολούνται με την αύξηση της Απόδοσης των Σύγχρονων Υπολογιστικών Συστημάτων. / -