Η εργασία αυτή μελετά τη σχεδίαση χώρο-ευαίσθητων φορητών παιχνιδιών για πολλούς παίχτες. Τα παιχνίδια αυτά παίζονται χρησιμοποιώντας συσκευές όπως PDAs και πιο πρόσφατα έξυπνα τηλέφωνα. Οι συσκευές δίνουν τη δυνατότητα στους παίχτες να έχουν πρόσβαση σε ψηφιακή πληροφορία κατά την ώρα του παιχνιδιού. Σημαντική είναι η δυνατότητα η πληροφορία αυτή να έχει σχέση με τη θέση και κατάσταση του παίχτη. Η πλαισιογνωστική αυτή πληροφορία καθώς και η δυνατότητα παιξίματος σε χώρους πολιτισμού και χώρους με μεγάλη πυκνότητα πληροφορίας, δίνουν τη δυνατότητα να χρησιμοποιηθούν τα παιχνίδια αυτά στην άτυπη μάθηση (π.χ. από τάξεις μαθητών που επισκέπτονται μουσεία, αρχαιολογικά πάρκα κλπ.). Ο στόχος της μελέτης αυτής διατυπώθηκε ως «η υποστήριξη της σχεδίασης χώρο-ευαίσθητων φορητών παιχνιδιών σε χώρους άτυπης μάθησης». Ακολουθήσαμε μεθολογία βασισμένη στη σχεδιαστική έρευνα και εξετάσαμε τη διαδικασία σχεδίασης, υλοποίησης και αξιολόγησης τέτοιων παιχνιδιών. Ακολουθήθηκε μεθοδολογική προσέγγιση με τρία στάδια. 1. Αποσαφήνιση της έρευνας: εξετάστηκαν τα χαρακτηριστικά των παιχνιδιών και του περιβάλλοντος διάχυτου υπολογισμού τα οποία έχουν σημασία στην ανάπτυξη χώρο-ευαίσθητων παιχνιδιών. 2. Ανάπτυξη εργαλείων σχεδιαστικής στήριξης: αναπτύχθηκε μια λύση σε ένα σχεδιαστικό πρόβλημα, ένα παιχνίδι μάθησης για ένα μουσείο. Το αποτέλεσμα ήταν το MuseumScrabble, που απευθύνεται σε τάξεις μαθητών. Στη συνέχεια μελετήθηκαν οι σχεδιαστικές πρακτικές άλλων ομάδων σχεδιαστών. Μελέτη σχεδιαστικών πρακτικών, με τη μέθοδο της εθνογραφικής ανάλυσης περιεχομένου. Αναλύθηκαν έξι δημοσιεύσεις που αφορούσαν τρεις περιπτώσεις σχεδίασης, υλοποίησης και αξιολόγησης τέτοιων παιχνιδιών. Εργαστήρια σχεδίασης, όπου σχεδιάστηκαν και εκτελέστηκαν εργαστήρια με τη συμμετοχή σχεδιαστών με ποικίλο τεχνικό και επιστημονικό υπόβαθρο. Το αποτέλεσμα ήταν τρία εργαλεία σχεδιαστικής στήριξης. Το πλαίσιο σχεδίασης που περιγράφει σε αδρές γραμμές το χώρο σχεδιασμού, οι οδηγίες σχεδίασης και τα πρότυπα σχεδίσης που παρέχουν οδηγίες για τη στήριξη των σχεδιαστών. 3. Αξιολόγηση της σχεδιαστικής στήριξης: Με την εφαρμογή της στην ανάπτυξη ενός νέου παιχνιδιού, του «Αόρατη πόλη: Επαναστάτες εναντίον κατασκόπων», όπου χρησιμοποιήθηκαν τα εργαλεία σχεδιαστικής στήριξης σε κάποιες από τις φάσεις σχεδίασης. Με τη μελέτη των εργαλείων στο πλαίσιο χρήσης τους, όπου ζητήθηκε από σχεδιαστές να χρησιμοποιήσουν τα εργαλεία που αναπτύχθηκαν σε αυτή τη διατριβή για να σχεδιάσουν ένα παιχνίδι. / This dissertation studies the design of location-based multi-player mobile games. These are games which are played using devices such as PDAs or, more recently, smartphones. The devices allow the players to have access to digital information during the game. An important aspect is that this information is related to the location and state of the player. This context-sensitive information as well as the possibility to play at places of cultural importance or other places of high information density offers the opportunity to use this games for informal learning (e.g. by pupils who visit museums, archaeological parks etc.) The aim of this dissertation has been formulated as "to support the design of location-based mobile games in places of informal learning". We followed a methodology based on design research and we examined the processes of designing, implementing and evaluating of these games. The methodological approach that we followed consisted of three stages. 1. Research clarification: the characteristics of location-based mobile games and of pervasive computing environments were examined, which play a significant role in the development of location-based games. 2. Development of design support, which was conducted in three stages. First, a solution for a real-world design problem was developed, a location-based mobile game for pupils who visit a museum. The result was the game MuseumScrabble. Additionally, the design practices of other design teams were studied. Study of design practices, applying an ethnographic content analysis approach. Six publications were analyzed which concerned three cases of designing, implementing and evaluating games of this kind. Design workshops were conducted where the participating designers, of varying and multi-disciplinary background, designed game concepts which were subsequently analyzed to extract game design patterns. The results of these studies were three design support tools. A design framework, which describes the design space, a set of heuristic design guidelines and a number of game design patters which can support the task of designers. 3. Evaluation of the design support tools. By applying the design support in the development of a new game, «Invisible City: Rebels Vs. Spies», where the tools were employed at stages of the design. By studying the tools using a contextual inquiry technique, where it was asked of designers to use the design support tools in order to design a new game.

Στόχοι της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη τεχνικών αντίστροφης μηχανίκευσης εφαρμογών παγκόσμιου ιστού και η αξιολόγησή τους, εξάγοντας χρήσιμα συμπεράσματα σχετικά με την τρέχουσα κατάσταση και τις διαμορφούμενες μελλοντικές κατευθύνσεις. Αρχικά, γίνεται επισκόπηση των μεθόδων μοντελοποίησης εφαρμογών παγκόσμιου ιστού που έχουν προταθεί από την ερευνητική κοινότητα και παρουσιάζονται τα σχεδιαστικά πρότυπα που έχουν οριστεί πάνω σε αυτές τις μεθόδους. Κατόπιν, παρουσιάζονται οι βασικές έννοιες της αντίστροφης μηχανίκευσης καθώς και συγκεκριμένες τεχνικές που έχουν αναπτυχθεί για την επίτευξή της. Τελικά, παραθέτουμε χρήσιμα συμπεράσματα που προκύπτουν από τη σύγκριση και αξιολόγηση των προτεινόμενων τεχνικών αντίστροφης μηχανίκευσης. / The main goal of this thesis is to study reverse engineering methods and techniques applied to web applications and to evaluate these methods extracting useful conclusions about the present and the future directions of this research area. At start, we study the various modeling methods that have been proposed, as well as the design patterns that have been defined and the reverse engineering methods that have been developed. Then, we present the basic concepts of reverse engineering and some of the methods that have been developed from the research community. Finally, we state our conclusions extracted from the evaluation of the techniques.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή προτείνονται μεθοδολογίες σχεδίασης εφαρμογών σε ενσωματωμένες πλατφόρμες ειδικού σκοπού για την βελτίωση της απόδοσης εφαρμογών που εκτελούνται σε αυτές. Τα θεωρούμενα συστήματα στοχεύουν σε αριθμητικά απαιτητικές εφαρμογές, όπως είναι εφαρμογές Ψηφιακής Επεξεργασίας Σήματος και πολυμέσων. Οι περιγραφές των εφαρμογών γίνεται σε γλώσσα υψηλού επιπέδου γεγονός που διευκολύνει την υλοποίηση των εφαρμογών στις θεωρούμενες επεξεργαστικές πλατφόρμες. Οι μεθοδολογίες έχουν αυτοματοποιηθεί, με την χρήση πρωτότυπων και εμπορικά διαθέσιμων εργαλείων, για την αποτελεσματική και γρήγορη αποτίμηση των λύσεων σχεδίασης και απεικόνισης. Αρχικά, προτείνεται μια μέθοδος για την αποτελεσματική υλοποίηση εφαρμογών Ψηφιακής Επεξεργασίας Σήματος σε ένα σύστημα μικροεπεξεργαστή που περιέχει σαν επιταχυντή κρίσιμων τμημάτων ένα ευέλικτο χειριστή δεδομένων (data-path). Η υπεροχή του προτεινόμενου data-path σε σχέση με υπάρχοντες χειριστές δεδομένων δείχνεται για ένα σύνολο χαρακτηριστικών αριθμητικών υπολογιστικών πυρήνων (kernels). Παρουσιάζεται μια αυτοματοποιημένη μέθοδος σύνθεσης πυρήνων για το χειριστή δεδομένων. Αυτή η διαδικασία σύνθεσης ενσωματώνεται σε ένα γενικό περιβάλλον σχεδίασης εφαρμογών για το θεωρούμενο σύστημα που έχει σαν στόχο την βελτίωση της απόδοσης και την μείωση κατανάλωση ενέργειας. Στην συνέχεια, παρουσιάζεται ένα περιβάλλον λογισμικού που υλοποιεί μια φορμαλισμένη μεθοδολογία για τον διαχωρισμό εφαρμογών Ψηφιακής Επεξεργασίας Σήματος μεταξύ επαναπροσδιοριζόμενων τμημάτων μικτής υφής για πρώτη φορά στην βιβλιογραφία. Κρίσιμα τμήματα επιταχύνονται στο επαναπροσδιοριζόμενο υλικό χονδροειδούς υφής για να ικανοποιηθούν οι χρονικοί περιορισμοί του κώδικα της εφαρμογής που απεικονίζεται στην επαναπροσδιοριζόμενη λογική του συστήματος. Η επαναπροσδιοριζόμενη λογική λεπτής υφής υλοποιείται από ένα ενσωματωμένο Field Programmable Gate Array (FPGA), ενώ η επαναπροσδιοριζόμενη λογική χονδροειδούς υφής από ένα δικό μας αναπτυγμένο χειριστή +δεδομένων υψηλής απόδοσης. Η αποτελεσματικότητα του πρωτότυπου λογισμικού επιβεβαιώνεται χρησιμοποιώντας ρεαλιστικές εφαρμογές. Αναλυτικά πειράματα δείχνουν σημαντικές βελτιώσεις στην απόδοση, ενώ καθορισμένοι χρονικοί περιορισμοί ικανοποιούνται για όλες τις δοκιμασμένες εφαρμογές. Παρουσιάζεται η ενσωμάτωση ενός προτεινόμενου ευέλικτου προτύπου Επαναπροσδιοριζόμενης Αρχιτεκτονικής Πίνακα (ΕΑΠ) χονδροειδούς υφής σε δύο διαφορετικά συστήματα σε ολοκληρωμένα κυκλώματα. Για την αποτελεσματική εκτέλεση υπολογιστικά απαιτητικών τμημάτων στην ΕΑΠ αναπτύχθηκε μια πρωτότυπη αυτοματοποιημένη διαδικασία απεικόνισης, που βασίζεται σε έναν νέο αλγόριθμο διοχέτευσης βρόχου. Η αποτελεσματικότητα της ΕΑΠ και της αντίστοιχης διαδικασίας απεικόνισης διαπιστώνονται με εκτέλεση ρεαλιστικών εφαρμογών. Στο πρώτο σύστημα η ΕΑΠ μαζί με ένα FPGA σχηματίζουν την επαναπροσδιοριζόμενη λογική μιας υβριδικής πλατφόρμας. Στο δεύτερο σύστημα σε ολοκληρωμένο κύκλωμα, η ΕΑΠ συνδέεται άμεσα με έναν μικροεπεξεργαστή γενικού σκοπού ενεργώντας σαν συνεπεξεργαστής για την εκτέλεση κρίσιμων βρόχων. Πρωτότυπα αυτοματοποιημένα περιβάλλοντα σχεδίασης προτείνονται για την αποτελεσματική και εύκολη υλοποίηση ολόκληρων εφαρμογών στα συστήματα. Τέλος, προτείνεται μια πρωτότυπη μεθοδολογία διαχωρισμού υλικού/λογισμικού για την βελτίωση της απόδοσης ρεαλιστικών εφαρμογών σε ένα ενσωματωμένο σύστημα σε ολοκληρωμένο κύκλωμα που αποτελείται από έναν προγραμματιζόμενο μικροεπεξεργαστή και FPGA επαναπροσδιοριζόμενη λογική. Η μεθοδολογία έχει αυτοματοποιηθεί σε μεγάλο βαθμό με την χρήση ακαδημαϊκών και εμπορικών εργαλείων. Το FPGA ενεργεί σαν επιταχυντής κρίσιμων τμημάτων κώδικα βελτιώνοντας την απόδοση των εφαρμογών κοντά σε θεωρητικά μέγιστα όρια επιταχύνσεων. Αναλυτικά πειράματα με διαφορετικού τύπου μικροεπεξεργαστές και FPGA δείχνουν την αποτελεσματικότητα της μεθοδολογίας. / In this Ph.D. dissertation, design methodologies for embedded platforms with the aim of improving the performance of realistic applications executed on them are proposed. The considered system platforms target on arithmetic intensive applications, as in the case of Digital Signal Processing and multimedia applications. The applications are coded in a high-level language, fact that eases the implementation of applications in the considered processing platforms. The methodologies have been automated, with the usage of prototype and commercial tools, for the efficient and rapid evaluation of the design and mapping solutions. Initially, a method is proposed for the effective implementation of Digital Signal Processing applications on a microprocessor system that includes as an accelerator of critical application parts a flexible data-path. The effectiveness of the proposed data-path relative to existing ones is illustrated for a set of characteristic arithmetic intensive kernels. An automated synthesis methodology for kernels is presented. This synthesis method is incorporated on a design flow for the considered system that aims in improving application performance and reducing energy consumption. Afterwards, a software framework that implements a formalized methodology for partitioning Digital Signal Processing and multimedia applications between mixed granularity reconfigurable hardware parts is presented. Critical application parts are accelerated on the coarse-grained reconfigurable hardware for satisfying timing constraints of application code mapped on the reconfigurable logic of the platform. The fine-grained reconfigurable hardware is implemented by an embedded Field Programmable Gate Array (FPGA), whereas the coarse-grained reconfigurable logic by an our-developed high-performance reconfigurable data-path. The efficiency of the prototype software is justified using realistic applications. Analytical experiments illustrate that important performance improvements are achieved, while the targeted timing constraints are satisfied for all the tested applications. The incorporation of a proposed flexible template of a Coarse Grained Reconfigurable Array (CGRA) in two different system on chip is presented. For the efficient execution of computational intensive parts on the CGRA an automated mapping process, that it is based on a software loop pipelining algorithm, is developed. The efficiency of the CGRA and of its respective mapping procedure are realized with the execution of real-life applications. In the first system, the CGRA together with an FPGA form the reconfigurable logic of a hybrid platform. In the second system on chip, the CGRA is directly attached to a general purposed microprocessor acting as a co-processor for the execution of critical loops. Automated design frameworks are proposed for the efficient and straightforward implementation of complete applications on the systems. Finally, a hardware/software partitioning methodology is proposed for the performance improvements of realistic applications in an embedded system on chip that it is composed by a programmable microprocessor and an FPGA reconfigurable hardware. The methodology has been automated in a large extend with the usage of academic and commercial tools. The FPGA acts as an accelerator for critical code segments improving by this way the performance of applications close to maximum theoretical bounds. Extensive experiments with different types of microprocessors and FPGAs show the effectiveness of the methodology.

The 21st century is considered as the era of mass communication and electronic information exchange. There is a dramatic increase in electronic communications and e-transactions worldwide. However, this advancement results in the appearance of many security issues, especially when the exchanged information is sensitive and/or confidential. A significant aspect of security is authentication, which in most of the cases is provided through a cryptographic hash function. As happens for the majority of security primitives, software design and implementation of hash functions is becoming more prevalent today. However, hardware is the embodiment of choice for military and safety-critical commercial applications due to the physical protection and increased performance that they offer. Hence, similarly to general hardware designs, regarding cryptographic hash function ones, three crucial issues, among others, arise: performance, reliability, and flexibility. In this PhD dissertation, hardware solutions regarding cryptographic hash functions, addressing the aforementionted three crucial issues are proposed. Specifically, a design methodology for developing high-throughput and area-efficient sole hardware architectures of the most widely-used cryptographic hash families, i.e. the SHA-1 and SHA-2, is proposed. This methodology incorporates several algorithmic-, system-, and circuit-level techniques in an efficient, recursive way, exploiting the changes in the design’s graph dependencies that are resulted by a technique’s application. Additionally, high-throughput and area-efficient hardware designs for the above families as well as new ones (e.g. JH and Skein), are also proposed. These architectures outperform significantly all the similar ones existing in the literature. Furthermore, a design methodology for developing Totally Self-Checking (TSC) architectures of the most widely-used cryptographic hash families, namely the SHA-1 and SHA-2 ones is proposed for the first time. As any RTL architecture for the above hash families is composed by similar functional blocks, the proposed methodology is general and can be applied to any RTL architecture of the SHA-1 and SHA-2 families. Based on the above methodology, TSC architectures of the two representatice hash functions, i.e. SHA-1 and SHA-256, are provided, which are significantlty more efficient in terms of Throughput/Area, Area, and Power than the corresponding ones that are derived using only hardware redundancy. Moreover, a design methodology for developing hardware architectures that realize more than one cryptographic hash function (mutli-mode architectures) with reasonable throughput and area penalty is proposed. Due to the fact that any architecture for the above hash families is composed by similar functional blocks, the proposed methodology can be applied to any RTL architecture of the SHA-1 and SHA-2 families. The flow exploits specific features appeared in SHA-1 and SHA-2 families and for that reason it is tailored to produce optimized multi-mode architectures for them. Based on the above methodology, two multi-mode architectures, namely a SHA256/512 and a SHA1/256/512, are introduced. They achieve high throughput rates, outperforming all the existing similar ones in terms of throughput/area cost factor. At the same time, they are area-efficient. Specifically, they occupy less area compared to the corresponding architectures that are derived by simply designing the sole hash cores together and feeding them to a commercial FPGA synthesis/P&R/mapping tool. Finally, the extracted knowledge from the above research activities was exploited in three additional works that deal with: (a) a data locality methodology for matrix–matrix multiplication, (b) a methodology for Speeding-Up Fast Fourier Transform focusing on memory architecture utilization, and (c) a near-optimal microprocessor & accelerators co-design with latency & throughput constraints. / Ο 21ος αιώνας θεωρείται η εποχή της μαζικής επικοινωνίας και της ηλεκτρονικής πληροφορίας. Υπάρχει μία δραματική αύξηση των τηλεπικοινωνιών και των ηλεκτρονικών συναλλαγών σε όλο τον κόσμο. Αυτές οι ηλεκτρονικές επικοινωνίες και συναλλαγές ποικίλουν από αποστολή και λήψη πακέτων δεδομένων μέσω του Διαδικτύου ή αποθήκευση πολυμεσικών δεδομένων, έως και κρίσιμες οικονομικές ή/και στρατιωτικές υπηρεσίες. Όμως, αυτή η εξέλιξη αναδεικνύει την ανάγκη για περισσότερη ασφάλεια, ιδιαίτερα στις περιπτώσεις όπου οι πληροφορίες που ανταλλάσονται αφορούν ευαίσθητα ή/και εμπιστευτικά δεδομένα. Σε αυτές τις περιπτώσεις, η ασφάλεια θεωρείται αναπόσπαστο χαρακτηριστικό των εμπλεκομένων εφαρμογών και συστημάτων. Οι συναρτήσεις κατακερματισμού παίζουν έναν πολύ σημαντικό ρόλο στον τομέα της ασφάλειας και, όπως συμβαίνει στην πλειοψηφία των βασικών αλγορίθμων ασφαλείας, οι υλοποιήσεις σε λογισμικό (software) επικρατούν στις μέρες μας. Παρόλα αυτά, οι υλοποιήσεις σε υλικό (hardware) είναι η κύρια επιλογή οσον αφορά στρατιωτικές εφαρμογές και εμπορικές εφαρμογές κρίσιμης ασφάλειας. Η NSA, για παράδειγμα, εξουσιοδοτεί μόνο υλοποιήσεις σε υλικό. Αυτό γιατί οι υλοποιήσεις σε υλικό είναι πολύ γρηγορότερες από τις αντίστοιχες σε λογισμικό, ενώ προσφέρουν και υψηλά επίπεδα «φυσικής» ασφάλειας λόγω κατασκευής. Έτσι, όσον αφορά τις κρυπτογραφικές συναρτήσεις κατακερματισμού, όπως ίσχυει γενικά στις υλοποιήσεις υλικού, ανακύπτουν τρία (ανάμεσα σε άλλα) κύρια θέματα: Επιδόσεις, Αξιοπιστία, Ευελιξία. Σκοπός της παρούσας διατριβής είναι να παράσχει λύσεις υλοποίησης σε υλικό για κρυπτογραφικές συναρτήσεις κατακερματισμού, στοχεύοντας στα τρία κύρια ζητήματα που αφορούν υλοποιήσεις σε υλικό, τα οποία και προαναφέρθηκαν (Επιδόσεις, Αξιοπιστία, Ευελιξία). Συγκεκριμένα, προτείνονται μεθοδολογίες σχεδιασμού αρχιτεκτονικών υλικού (καθώς και οι αρχιτεκτονικές αυτές καθαυτές) για τις οικογένειες SHA-1 και SHA-2 οι οποίες επιτυγχάνουν υψηλή ρυθμαπόδοση με λογική αύξηση της επιφάνειας ολοκλήρωσης. Επίσης, προτείνονται αρχιτεκτονικές οι οποίες επιτυγχάνουν υψηλή ρυθμαπόδοση με λογική αύξηση της επιφάνειας ολοκλήρωσης για νέες κρυπτογραφικές συναρτήσεις, δηλαδή για τις JH και Skein. Ακόμα, προτείνονται μεθοδολογίες σχεδιασμού αρχιτεκτονικών υλικού (καθώς και οι αρχιτεκτονικές αυτές καθαυτές) για τις οικογένειες SHA-1 και SHA-2 οι οποίες έχουν τη δυνατότητα να ανιχνέυουν πιθανά λάθη κατά τη λειτουργία τους ενώ επιτυγχάνουν υψηλή ρυθμαπόδοση με λογική αύξηση της επιφάνειας ολοκλήρωσης. Τέλος, προτείνονται μεθοδολογίες σχεδιασμού πολύ-τροπων αρχιτεκτονικών υλικού (καθώς και οι αρχιτεκτονικές αυτές καθ’αυτές) για τις οικογένειες SHA-1 και SHA-2 οι οποίες έχουν τη δυνατότητα να υποστηρίξουν παραπάνω από μία συνάρτηση ενώ επιτυγχάνουν υψηλή ρυθμαπόδοση με λογική αύξηση της επιφάνειας ολοκλήρωσης.

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.