Design methods for reactive systems may start with an abstract description of a proposed solution, which can be expressed in both an operational and declarative style. Typically these descriptions are then incrementally elaborated into executable programs. The aim of this research is to put this ad hoc design method on to a more systematic footing, thus helping engineers produce more reliable and robust systems. This is accomplished by providing a rigorous engineering process supported by engineer-friendly tools based on the application of refinement and refactoring patterns for Contractual State Machines. Contractual State Machines (CoSta) are a simplified form of statecharts extended with temporal logic-based declarative specifications. A refinement pattern is an abstract way of representing a common type of refinement frequently required during the stepwise design of a system. Tool support is provided for system design and pattern application and is integrated with model checking technology for formal verification. To demonstrate the viability of the approach the new refinement and refactoring patterns are applied to the design of a system through a case study.

In embedded computer systems there are often tasks, implemented as stand-alone devices, that are both application-specific and compute intensive. A recurring problem in this area is to design these application-specific embedded systems as close to the power and efficiency envelope as possible. Work has been done on optimizing singlecore systems and memory organisation, but current methods for achieving system design goals are proving limited as the system capabilities and system size increase in the multi- and many-core era. To address this problem, this thesis investigates machine learning approaches to managing the design space presented in the interconnect design of embedded multi-core systems. The design space presented is large due to the system scale and level of interconnectivity, and also feature inter-dependant parameters, further complicating analysis. The results presented in this thesis demonstrate that machine learning approaches, particularly wkNN and random forest, work well in handling the complexity of the design space. The benefits of this approach are in automation, saving time and effort in the system design phase as well as energy and execution time in the finished system.

Η παρούσα διπλωματική εργασία ασχολείται με την μέτρηση της κίνησης ενός αντικειμένου στους τρεις άξονες και ασύρματης μεταφοράς των δεδομένων αυτών σε ένα σταθμό βάσης. Η μέτρηση και μεταφορά γίνεται με χρήση δύο ενσωματομένων συστήματων, τα οποία είναι βασισμένα στην οικογένεια μικροελεγκτών STM32 της εταιρίας ST Microelectronics. Tα συγκεκριμένα σύστηματα εχουν το χαρακτηριστικό STM32-103STK και παρέχονται από την εταιρία Olimex. Αρχικά περιγράφονται τα χαρακτηριστικά και οι ιδιότητες του συγκεκριμένου συστήματος και στη συνέχεια παρουσιάζεται η μεθοδολογία πάνω στην οποία στηρίχθηκε η ανάπτυξη της ενσωματομένης εφαρμογής. Συγκεκριμένα, ο προγραμματισμός του συστήματος προϋποθέτει την συνεχή μέτρηση των τιμών της κίνησης στους τρεις άξονες και στη συνέχεια την ασύρματη αποστολή τους σε ένα δεύτερο σύστημα το οποίο είναι κατάλληλα προγραμματισμένο να δέχεται τα δεδομένα και στη συνέχεια αυτά να εγγράφονται στην οθόνη για να γίνουν ορατά από το χρήστη. / This diploma thesis is about measuring an object’s movement and then the wireless transfer of the measured data to a base station. The measurement and wireless transfer is performed via two embedded systems based on the STM32 microcontroller family by ST Microelectronics. The referenced system is the STM32-103STK provided by Olimex. At the beginning of the thesis there is a description of the main features and characteristics of the STM32 system and then the methodology used to develop the embedded application is presented. In more detail, the system is programmed to measure 3-axis acceleration and send the measured data wirelessly to a second system which then presents the data on an LCD screen.

Η εξέλιξη των ενσωματωμένων συστημάτων οδήγησε στη δημιουργία μικροϋπολογιστών συστημάτων χαμηλού κόστους τα οποία είναι ικανά να καταγράφουν, αποθηκεύουν και να επεξεργάζονται αναπνευστικά σήματα εντοπίζοντας έτσι ανωμαλίες της αναπνευστικής δραστηριότητας κατά τη διάρκεια του ύπνου. Τα αποτελέσματα αυτής της δραστηριότητας οδηγούν στην συστηματικότερη παρακολούθηση ασθενών με αναπνευστική ανεπάρκεια και βοηθούν στη διάγνωση και πρόληψη τέτοιων αρρυθμιών εν τη γενέσει τους όσον αφορά σε εν δυνάμει ασθενείς. Στα πλαίσια λοιπόν αυτής της εργασίας παρουσιάζεται ένα τέτοιο ενσωματωμένο σύστημα χαμηλού κόστους το οποίο καταγράφει ,αποθηκεύει και επεξεργάζεται αναπνευστικά σήματα που έχουν ληφθεί κατά τη διάρκεια ανθρώπινου ύπνου. Στα κεφάλαια που ακολουθούν αναλύεται η δομή ,οι επιμέρους συνιστώσες του συστήματος καθώς και μέθοδοι επεξεργασίας του σήματος. Αρχικά λοιπόν ορίζεται το ιατρικό και θεωρητικό υπόβαθρο πάνω στο οποίο στηρίζονται οι ισχυρισμοί και μέθοδοι που ακολουθούνται. Εν συνεχεία, γίνεται εισαγωγή στους στοιχειώδεις ορισμούς όπως αυτοί του μικροελεγκτή και ενσωματωμένου συστήματος και γίνεται μια πρώτη αναφορά στο μικροελεγκτή ADuC 7020 της Analog Devices που χρησιμοποιήσαμε και στα περιφερειακά αυτού. Επίσης γίνεται και ανάλυση των στοιχειωδών χαρακτηριστικών του περιβάλλοντος μVision της Keil που μας επιτρέπουν να κάνουμε προσομοιώσεις με μηδενικό υλικό στη διάθεσή μας. Σε επόμενο κεφάλαιο γίνεται αναλυτική επεξήγηση του μικροελεγκτή μας και δίνονται επιπλέον ενδεικτικά παραδείγματα με τα οποία γίνονται κατανοητές βασικές δυνατότητες που προσφέρει αυτός και στις οποίες θα στηριχθούμε για να δομήσουμε το δικό μας πρόγραμμα. Σημειώνουμε εδώ πως ο προγραμματισμός του μικροελεγκτή και των περιφερειακών του έγινε σε γλώσσα προγραμματισμού C. Τέλος παραθέτουμε αναλυτικά τον κώδικα της εφαρμογής μας και καταλήγουμε σε αποτελέσματα και συμπεράσματα. / The development of embedded system has led to the creation of low cost microcomputer systems that are capable of recording, storing and processing respiratory signals thus giving the opportunity to identify respiratory abnormalities during sleep time. Results of such activities result in more intensive monitoring of patients with respiratory insuffiency and help other potential patients to diagnose the abnormalities and prevent them. Within this thesis, we present such a low cost embedded system that records, stores and processes the respiratory signal of snores obtained during human sleep. In the following chapters we analyze the structure, each component of the system and the methods being implemented. Initially we define the medical and theoretical background on which we are based to build in our program and apply our methods. Moreover, we give the basic definitions such as the microcontroller’s and the embedded system’s, and we make the first presentation of the microcontroller ADuC 7020 of Analog Devices and its peripherals that will be used for implementation. We also present the μVision the Keil environment which enables us to emulate the microcontroller having at our disposal zero hardware. Later we will give a detailed explanation of this microcontroller and some basic examples of its programming possibilities are presented that will help us the application. The programming of the microcontroller and its peripherals was done in C programming language. Finally the programming of the microcontroller is given and explained in detail and we conclude with the results.

Ανάπτυξη αναπτυξιακού συστήματος για τους μικροελεγκτες MCS-51. / Design and development of a development system for MCS-51 controllers.

Η εξέλιξη των ενσωματωμένων συστημάτων οδήγησε στη δημιουργία μικροϋπολογιστών συστημάτων χαμηλού κόστους τα οποία είναι ικανά να καταγράφουν, αποθηκεύουν και να επεξεργάζονται αναπνευστικά σήματα εντοπίζοντας έτσι ανωμαλίες της αναπνευστικής δραστηριότητας κατά τη διάρκεια του ύπνου. Τα αποτελέσματα αυτής της δραστηριότητας οδηγούν στην συστηματικότερη παρακολούθηση ασθενών με αναπνευστική ανεπάρκεια και βοηθούν στη διάγνωση και πρόληψη τέτοιων αρρυθμιών εν τη γενέσει τους όσον αφορά σε εν δυνάμει ασθενείς. Στα πλαίσια λοιπόν αυτής της εργασίας παρουσιάζεται ένα τέτοιο ενσωματωμένο σύστημα χαμηλού κόστους το οποίο καταγράφει, αποθηκεύει και επεξεργάζεται αναπνευστικά σήματα που έχουν ληφθεί κατά τη διάρκεια ανθρώπινου ύπνου. Στα κεφάλαια που ακολουθούν αναλύεται η δομή, οι επιμέρους συνιστώσες του συστήματος καθώς και μέθοδοι επεξεργασίας του σήματος. Αρχικά λοιπόν ορίζεται το ιατρικό και θεωρητικό υπόβαθρο πάνω στο οποίο στηρίζονται οι ισχυρισμοί και μέθοδοι που ακολουθούνται. Εν συνεχεία, γίνεται εισαγωγή στους στοιχειώδεις ορισμούς όπως αυτοί του μικροελεγκτή και ενσωματωμένου συστήματος και γίνεται μια πρώτη αναφορά στο μικροελεγκτή ADuC 7020 της Analog Devices που χρησιμοποιήσαμε και στα περιφερειακά αυτού. Επίσης γίνεται και ανάλυση των στοιχειωδών χαρακτηριστικών του περιβάλλοντος μVision της Keil που μας επιτρέπουν να κάνουμε προσομοιώσεις με μηδενικό υλικό στη διάθεσή μας. Σε επόμενο κεφάλαιο γίνεται αναλυτική επεξήγηση του μικροελεγκτή μας και δίνονται επιπλέον ενδεικτικά παραδείγματα με τα οποία γίνονται κατανοητές βασικές δυνατότητες που προσφέρει αυτός και στις οποίες θα στηριχθούμε για να δομήσουμε το δικό μας πρόγραμμα. Σημειώνουμε εδώ πως ο προγραμματισμός του μικροελεγκτή και των περιφερειακών του έγινε σε γλώσσα προγραμματισμού C. Τέλος παραθέτουμε αναλυτικά τον κώδικα της εφαρμογής μας και καταλήγουμε σε αποτελέσματα και συμπεράσματα. / The development of embedded system has led to the creation of low cost microcomputer systems that are capable of recording, storing and processing respiratory signals thus giving the opportunity to identify respiratory abnormalities during sleep time. Results of such activities result in more intensive monitoring of patients with respiratory insuffiency and help other potential patients to diagnose the abnormalities and prevent them. Within this thesis, we present such a low cost embedded system that records, stores and processes the respiratory signal of snores obtained during human sleep. In the following chapters we analyze the structure, each component of the system and the methods being implemented. Initially we define the medical and theoretical background on which we are based to build in our program and apply our methods. Moreover, we give the basic definitions such as the microcontroller’s and the embedded system’s, and we make the first presentation of the microcontroller ADuC 7020 of Analog Devices and its peripherals that will be used for implementation. We also present the μVision the Keil environment which enables us to emulate the microcontroller having at our disposal zero hardware. Later we will give a detailed explanation of this microcontroller and some basic examples of its programming possibilities are presented that will help us the application. The programming of the microcontroller and its peripherals was done in C programming language. Finally the programming of the microcontroller is given and explained in detail and we conclude with the results.

Die Anforderungen an die verfügbare Rechenkapazität von Steuergeräten in der Automotive und Avionik-Domäne steigen kontinuierlich an. Dieser Anstieg ist auf die steigende Bedeutung von softwarebasierten Funktionen zurückzuführen, sowie auf die damit einhergehende steigende Anzahl und Komplexität der softwarebasierten Funktionen. In dieser Dissertation wird die Berücksichtigung der Situation (z. B. die geographische Position oder die Geschwindigkeit) als ein möglicher Ansatz beschrieben, um den steigenden Bedarf an Rechenkapazität der softwarebasierten Funktionen zu decken. Die benötigte Rechenkapazität einer softwarebasierten Funktion verändert sich in Abhängigkeit von der momentanen Situation. Durch die Berücksichtigung der Situation bei der Verteilung der Rechenkapazitäten entstehen freie Rechenkapazitäten, welche durch komplementäre softwarebasierte Funktion verwendet werden können. Die Zielsetzung dieser Dissertation ist es, eine situationsbasierte Verteilung der Rechenkapazität auf die softwarebasierten Funktionen des verteilen eingebetteten Systems zu erreichen.:1 Einleitung 1.1 Motivation 1.2 Zielsetzung 1.3 Struktur der Arbeit 1.4 Zusammenfassung 2 Grundlagen 2.1 Situationsbasierte Systeme 2.2 Eingebettete verteilte Systeme 2.2.1 Architektur 2.2.2 Echtzeit-Tasks 2.2.3 Echtzeit-Scheduling 2.2.4 Echtzeit-Kommunikation 2.2.5 Steuergeräte der Zieldomänen 2.3 Prozessmigration in verteilten Systemen 2.3.1 Prozesssegmente 2.3.2 Möglichkeiten der Prozessmigration 2.4 Application checkpointing 2.5 Zusammenfassung 3 Stand der Forschung 3.1 Situationsbasiertes Scheduling für eingebettete verteilte Systeme 3.1.1 Semi-Statische Systeme 3.1.2 Dynamische Systeme 3.2 Situationsbasiertes Scheduling für Multi-Core Systeme 3.2.1 Situationen in HAMS 3.2.2 HAMS Architektur 3.2.3 Wissensdatenbank 3.3 Semi-Statische Netzwerkkonfiguration 3.4 Zusammenfassung 4 Situationsbasiertes Scheduling in verteilten eingebetteten Systemen 4.1 Analyse der Zielsetzung 4.2 Technische Ziele 4.3 SiVES-Sched Konzept 4.3.1 Erweiterter HAMS 4.3.2 Situations-Wissensdatenbank 4.3.3 TLS Master 4.3.4 Task-Migration 4.3.5 TLS Slave 4.3.6 Software Defined Network 4.3.7 TLS-KM 4.4 Zusammenfassung 5 Evaluation 5.1 Konzept der Evaluation 5.2 Evaluationsumgebung 5.2.1 Hardwareumgebung 5.2.2 Softwareumgebung 5.3 Rekonfiguration des verteilten eingebetteten Systems 5.3.1 Evaluation I: Erstellung der SWDB 5.3.2 Evaluation II: Durchführung der Rekonfiguration 5.3.3 Evaluation III: Dauer des kritischen Abschnitts 5.3.4 Evaluation IV: Vermeidung von Informationsverlust 5.4 Zusammenfassung 6 Zusammenfassung und Ausblick 6.1 Ergebnisse dieser Arbeit 6.1.1 Konzept 6.1.2 Evaluation 6.2 Ausblick 7 Appendix Literaturverzeichnis Nomenklatur Thesen Eigene Veröffentlichungen

Im Flugzeug und im Automobil werden dem Piloten bzw. dem Fahrer immer mehr softwarebasierte Funktionen zur Verfügung gestellt. Dieser stetige Anstieg an Softwarefunktionen resultiert in einer steigenden Anzahl an dafür benötigten Steuergeräten. Als Kostenreduktion werden bereits heute Multicore-Prozessoren verwendet, auf welchen anschließend die entsprechenden Funktionen integriert (Hochintegration) werden. Um den Nutzungsgrad eines Multicore-Prozessors weiter zu verbessern, ist eine Alternative zu den bislang statisch konfigurierten Softwaresystemen erforderlich. Ausgangspunkt der vorliegenden Arbeit, bildet die Überlegung, dass viele Zusatzfunktionen während der Fahrt oder dem Flug nur phasenweise aktiv sind. Diese Arbeit beschreibt ein Konzept eines zur Laufzeit rekonfigurierbares Softwaresystem für Multicore-Embedded-Steuergeräte und dessen Referenzimplementierung. Durch die Berücksichtigung der phasenabhängigen Rechenzeit der ausgeführten Funktionen kann durch das beschriebene Konzept der Nutzungsgrad der Rechenleistung von hochintegrierten Steuergeräten weiter gesteigert werden.:1 Einleitung 1.1 Motivation 1.2 Praktisches Beispiel zur Verdeutlichung der Motivation 1.3 Zielsetzung 1.4 Aufbau der Arbeit 1.5 Zusammenfassung 2 Grundlagen 2.1 Eingebettete Steuergeräte 2.2 System Modell 2.3 Scheduling in Echtzeitsystemen 2.4 Knowledgebase 2.5 Linux für Echtzeitsysteme 3 Analyse der Zieldomänen und der Forschung 3.1 Stand der Technik 3.2 Stand der Forschung 3.3 Zusammenfassung 4 Anforderungen und Grundlagen von HAMS 4.1 Situationsanalyse der Zieldomänen 4.2 Anforderungen und Einschränkungen des HAMS-Konzepts 4.3 Phasen in Echtzeitsystemen 4.4 Zusammenfassung 5 Hierarchischer Aufbau der HAMS-Komponenten 5.1 Übersicht der HAMS-Komponenten 5.2 Second Level Scheduler (SLS) 5.3 First Level Scheduler (FLS) 5.4 HAMS Kommunikations API (HAPI) 5.5 Tasks in HAMS 5.6 Zusammenfassung 6 HAMS-Laufzeitumgebung und dessen dynamische Rekonfiguration 6.1 Systemmodi während der Laufzeit 6.2 Dynamische Rekonfiguration in HAMS 6.3 Fehlerbehandlung 6.4 Zusammenfassung 7 Implementierung und Evaluationsumgebung 7.1 Evaluations-Hardware 7.2 Eingliederung von HAMS in Linux 7.3 Eingliederung der HAPI in das Privilegstufenmanagement von Linux 7.4 Laufzeitmessungen für Evaluationszwecke 7.5 HAMS-Simulationstasks 7.6 Bestimmung der Rechenzeitbelastung durch HAMS 7.7 Zusammenfassung 8 Evaluierung 8.1 Evaluations-Konfiguration 8.2 Evaluation 1: Statisches Scheduling und HAMS 8.3 Evaluation 2: Ereignisverarbeitung mit Phasenwechsel 8.4 Evaluation 3 : Wechsel der aktuellen Konfiguration zur Laufzeit 8.5 Evaluations-Zusammenfassung 9 Zusammenfassung

Η εργασία που παρουσιάζεται αφορά την ανάπτυξη ενός ενσωματωμένου συστήματος σε πολλαπλές επαναπρογραμματιζόμενες συσκευές (FPGAs), η επικοινωνία των οποίων γίνεται με τη χρήση του πρωτόκολλου επικοινωνίας TCP/IP. Αρχικά ορίστηκε σε κάθε επαναπρογραμματιζόμενη συσκευή, ένας ενσωματωμένος επεξεργαστής ΜicroBlaze, που ακολουθεί αρχιτεκτονικά την τεχνολογία RISC. Για την κατασκευή της TCP/IP συνδεσιμότητας, αναπτύθηκε σε κάθε core το απαιτούμενο λογισμικό σε γλώσσα προγραμματισμού C, με τη χρήση του open source πρωτοκόλλου επικοινωνίας Light Weight IP. Το συγκεκριμένο πρωτόκολλο είναι ειδικά κατασκευασμένο για σχεδίαση ενσωματωμένων συστημάτων και οι δυνατότητες του οδήγησαν στην ανάπτυξη λογισμικού, προσαρμοσμένο στις απαιτήσεις της ΤCP επικονωνίας και των διαθέσιμων πόρων του επιλεγμένου ενσωματωμένου επεξεργαστή. Η μεταφορά δεδομένων μεταξύ των FPGAs, πραγματοποιήθηκε με την σύνδεση των boards σε έναν μεταγωγέα επιπέδου ζεύξης(Ethernet switch) και Ethernet καλωδίων επικοινωνίας. Ακολούθως, σε κάθε core υλοποίηθηκε σχεδίαση υλικού, η οποία ενσωματώθηκε στο υπόλοιπο υλικό μέσω του διαύλου επικοινωνίας του MicroBlaze επεξεργαστή, με τη μορφή ενός περιφεριακού IP core. Για την επικοινωνία του επιπρόσθετου υλικού με το ενσωματωμένο λογισμικό, χρησιμοποιήθηκαν μηχανισμοί υλικού όπως ουρές δεδομένων εισόδου και εξόδου. Mε αυτόν τον τρόπο, κατέστη δυνατή η ανάπτυξη ενός μηχανισμού που περιλαμβάνει την αποστολή δεδομένων από το κομμάτι του λογισμικού στο υλικό, τη λήψη των δεδομένων από την custom περιφερειακή λογική, την επεξεργασία τους στο κομμάτι του υλικού, την ανάγνωση τους από το λογισμικό και την μετάδοση τους μέσω TCP/IP σύνδεσης σε ένα άλλο αναπτυξιακό, το οποίο μπορεί με τον ίδιο μηχανισμό να επεξεργαστεί τα ληφθέντα δεδομένα. Συμπερασματικά , με έναν αρκετά συμβατό τρόπο , γίνεται εφικτή η κατανομή οποιασδήποτε λογικής σχεδίασης, σε κομμάτια υλικού, τα οποία έχοντας ενσωματωθεί σε ξεχωριστά αναπτυξιακά boards, έχουν τη δυνατότητα να μεταφέρουν και να επεξεργάζονται δεδομένα μεταξύ τους, με χρήση ενός μηχανισμού λογισμικού, υπεύθυνο για τη διαμόρφωση της TCP επικοινωνίας. / This paper presents the development of an embedded system in multiple fpgas, which communicate with each other using ΤCP/IP communication protocol. Initially, a RISC-based embedded MicroBlaze Processor was set, at each device. In order to construct the TCP/IP connectivity, the required software part was developed at each core in programming language C, using the open source communication protocol Light Weight IP. This specific protocol is developed especially for embedded system design and its capabilities allow the construction of a software application, tailored to the requirements of a ΤCP communication and the available resources of the chosen embedded core. The data transfer between the FPGAs, was made with the use of an Ethernet Switch. Each FPGA was connected to an Ethernet switch port via a two directional Ethernet cable. Subsequently, a hardware design was developed at each core, and the custom logic was connected to the MicroBlaze processor local bus as a custom ΙP core peripheral. The communication between the additional hardware part and the embedded software was established with the use of first-in-first-out hardware components for the inputs and outpus of the ΙP core. This led to a successful developed mechanism which includes the transfer of data from software to hardware, the data processing in hardware design, the software reading of the processed data, and finally the data transmission to another FPGA Βoard via TCP/IP communication. In conclusion, a hardware design distribution in multiple FPGAs can be made in a convetional way. The hardware parts, which are embedded in different boards, are able to process, send and receive data across the network, using the appropriate software which is responsible for the configuration of the TCP/IP communication.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε ένα δίκτυο πραγματικού χρόνου με σκοπό την διασύνδεση μιας ομάδας μικροελεγκτών. Bασισμένος στο δίκτυο, αναπτύχθηκε ένας δικτυακός bootloader για μικροελεγκτές AVR και σχεδιάστηκε desktop εφαρμογή για την διεπαφή του χρήστη με το δίκτυο. Απώτερος σκοπός του εγχειρήματος αυτού είναι η χρήση του συστήματος από φοιτητές στο πλαίσιο των μαθημάτων μικροϋπολογιστών και συγκεκριμένα να διευκολύνει την ανάπτυξη δικτυακών εφαρμογών με μικροελεγκτές. / At this diploma thesis a real-time network protocol was designed and implemented in order to interconnect a group of microcontrollers. Based at this protocol, a network bootloader was developed for AVR microcontrollers and a desktop application for the interface of the user with the network was developed. Ultimate goal of this work is to be used from students of microcomputer courses and specifically to facilitate the development of network applications with microcontrollers.