Scheduling dynamic dataflow graphs with model checking

With the shift towards many-core computer architectures, dataflow programming has been proposed as one potential solution for producing software that scales to a varying number of processor cores. Programming for parallel architectures is considered difficult as the current popular programming languages are inherently sequential and introducing parallelism is typically up to the programmer. Dataflow, however, is inherently parallel, describing an application as a directed graph, where nodes represent calculations and edges represent a data dependency in form of a queue. These queues are the only allowed communication between the nodes, making the dependencies between the nodes explicit and thereby also the parallelism. Once a node have the su cient inputs available, the node can, independently of any other node, perform calculations, consume inputs, and produce outputs. Data ow models have existed for several decades and have become popular for describing signal processing applications as the graph representation is a very natural representation within this eld. Digital lters are typically described with boxes and arrows also in textbooks. Data ow is also becoming more interesting in other domains, and in principle, any application working on an information stream ts the dataflow paradigm. Such applications are, among others, network protocols, cryptography, and multimedia applications. As an example, the MPEG group standardized a dataflow language called RVC-CAL to be use within reconfigurable video coding. Describing a video coder as a data ow network instead of with conventional programming languages, makes the coder more readable as it describes how the video dataflows through the different coding tools. While dataflow provides an intuitive representation for many applications, it also introduces some new problems that need to be solved in order for data ow to be more widely used. The explicit parallelism of a dataflow program is descriptive and enables an improved utilization of available processing units, however, the independent nodes also implies that some kind of scheduling is required. The need for efficient scheduling becomes even more evident when the number of nodes is larger than the number of processing units and several nodes are running concurrently on one processor core. There exist several data ow models of computation, with different trade-offs between expressiveness and analyzability. These vary from rather restricted but statically schedulable, with minimal scheduling overhead, to dynamic where each ring requires a ring rule to evaluated. The model used in this work, namely RVC-CAL, is a very expressive language, and in the general case it requires dynamic scheduling, however, the strong encapsulation of dataflow nodes enables analysis and the scheduling overhead can be reduced by using quasi-static, or piecewise static, scheduling techniques. The scheduling problem is concerned with nding the few scheduling decisions that must be run-time, while most decisions are pre-calculated. The result is then an, as small as possible, set of static schedules that are dynamically scheduled. To identify these dynamic decisions and to find the concrete schedules, this thesis shows how quasi-static scheduling can be represented as a model checking problem. This involves identifying the relevant information to generate a minimal but complete model to be used for model checking. The model must describe everything that may affect scheduling of the application while omitting everything else in order to avoid state space explosion. This kind of simplification is necessary to make the state space analysis feasible. For the model checker to nd the actual schedules, a set of scheduling strategies are de ned which are able to produce quasi-static schedulers for a wide range of applications. The results of this work show that actor composition with quasi-static scheduling can be used to transform data ow programs to t many different computer architecture with different type and number of cores. This in turn, enables dataflow to provide a more platform independent representation as one application can be fitted to a specific processor architecture without changing the actual program representation. Instead, the program representation is in the context of design space exploration optimized by the development tools to fit the target platform. This work focuses on representing the dataflow scheduling problem as a model checking problem and is implemented as part of a compiler infrastructure. The thesis also presents experimental results as evidence of the usefulness of the approach.

Reusable formal architectures for networked systems

Today's networked systems are becoming increasingly complex and diverse. The current simulation and runtime verification techniques do not provide support for developing such systems efficiently; moreover, the reliability of the simulated/verified systems is not thoroughly ensured. To address these challenges, the use of formal techniques to reason about network system development is growing, while at the same time, the mathematical background necessary for using formal techniques is a barrier for network designers to efficiently employ them. Thus, these techniques are not vastly used for developing networked systems. The objective of this thesis is to propose formal approaches for the development of reliable networked systems, by taking efficiency into account. With respect to reliability, we propose the architectural development of correct-by-construction networked system models. With respect to efficiency, we propose reusable network architectures as well as network development. At the core of our development methodology, we employ the abstraction and refinement techniques for the development and analysis of networked systems. We evaluate our proposal by employing the proposed architectures to a pervasive class of dynamic networks, i.e., wireless sensor network architectures as well as to a pervasive class of static networks, i.e., network-on-chip architectures. The ultimate goal of our research is to put forward the idea of building libraries of pre-proved rules for the efficient modelling, development, and analysis of networked systems. We take into account both qualitative and quantitative analysis of networks via varied formal tool support, using a theorem prover the Rodin platform and a statistical model checker the SMC-Uppaal.

Design Space Exploration for MPSoC Architectures

Multiprocessor system-on-chip (MPSoC) designs utilize the available technology and communication architectures to meet the requirements of the upcoming applications. In MPSoC, the communication platform is both the key enabler, as well as the key differentiator for realizing efficient MPSoCs. It provides product differentiation to meet a diverse, multi-dimensional set of design constraints, including performance, power, energy, reconfigurability, scalability, cost, reliability and time-to-market. The communication resources of a single interconnection platform cannot be fully utilized by all kind of applications, such as the availability of higher communication bandwidth for computation but not data intensive applications is often unfeasible in the practical implementation. This thesis aims to perform the architecture-level design space exploration towards efficient and scalable resource utilization for MPSoC communication architecture. In order to meet the performance requirements within the design constraints, careful selection of MPSoC communication platform, resource aware partitioning and mapping of the application play important role. To enhance the utilization of communication resources, variety of techniques such as resource sharing, multicast to avoid re-transmission of identical data, and adaptive routing can be used. For implementation, these techniques should be customized according to the platform architecture. To address the resource utilization of MPSoC communication platforms, variety of architectures with different design parameters and performance levels, namely Segmented bus (SegBus), Network-on-Chip (NoC) and Three-Dimensional NoC (3D-NoC), are selected. Average packet latency and power consumption are the evaluation parameters for the proposed techniques. In conventional computing architectures, fault on a component makes the connected fault-free components inoperative. Resource sharing approach can utilize the fault-free components to retain the system performance by reducing the impact of faults. Design space exploration also guides to narrow down the selection of MPSoC architecture, which can meet the performance requirements with design constraints.

Comparison of human and computer-based selective cleaning

Abstract

Design of an Embedded Computer Board for Networking Applications

Tämä diplomityö tehtiin Convergens Oy:lle. Convergens on elektroniikan suunnittelutoimisto, joka on erikoistunut sulautettuihin järjestelmiin sekä tietoliikennetekniikkaan. Diplomityön tavoitteena oli suunnitella tietokonekortti tietoliikennesovelluksia varten asiakkaalle, jolta vaatimusmäärittelyt tulivat. Työ on rajattu koskemaan laitteen prototyypin suunnittelua. Työssä suunnitellaan pääasiassa WLAN-tukiaseman tietokone. Tukiasema onasennettavissa toimistoihin, varastoihin, kauppoihin sekä myös liikkuvaan ajoneuvoon. Suunnittelussa on otettu nämä asiat huomioon, ja laitteen akun pystyy lataamaan muun muassa auton akulla. Langattomat tekniikat ovat voimakkaasti yleistymässä, ja tämän työn tukiasema tarjoaakin varteenotettavan vaihtoehdon lukuisilla ominaisuuksillaan. Mukana on mm. GPS, Bluetooth sekä Ethernet-valmius. Langattomien tekniikoiden lisäksi myös sulautetut järjestelmät ovat voimakkaasti yleistymässä, ja nykyään mikroprosessoreita löytääkin lähesmistä vain. Tässä projektissa käytetty prosessori on nopeutensa puolesta kilpailukykyinen, ja siitä löytyy useita eri rajapintoja. Jatkossa tietokonekortille on myös tulossa WiMAX-tuki, joka lisää tukiaseman tulevaisuuden arvoa asiakkaalle. Projektiin valittu Freescalen MPC8321E-prosessori on PowerPC-arkkitehtuuriin perustuva ja juuri markkinoille ilmestynyt. Tämä toi mukanaan lisähaasteen, sillä kyseisestä prosessorista ei ollut vielä kaikkea tietoa saatavilla. Mekaniikka toi omat haasteensa mukanaan, sillä se rajoitti piirilevyn koonniin, että ylimääräistä piirilevytilaa ei juurikaan jäänyt. Tämän takia esimerkiksi DDR-muistit olivat haastavia reitittää, sillä muistivetojen on oltava melko samanpituisia keskenään. Käyttöjärjestelmänä projektissa käytetään Linuxia. Suunnittelu alkoi keväällä 2007 ja toimiva prototyyppi oli valmis alkusyksystä. Prototyypin testaus osoitti, että tietokonekortti kykenee täyttämään kaikki asiakkaan vaatimukset. Prototyypin testauksessa löytyneet viat ja optimoinnit on tarkoitus korjata tuotantomalliin, joten se antaa hyvän pohjan jatkosuunnittelua varten.

Sulautetun moniprosessorijärjestelmän suunnittelu sähkömoottorien ohjaus- ja valvontatarpeisiin

Universal Converter (UNICON) –projektin osana suunniteltiin sähkömoottorikäyttöjen ohjaukseen ja mittaukseen soveltuva digitaaliseen signaaliprosessoriin (DSP) pohjautuva sulautettu järjestelmä. Riittävän laskentatehon varmistamiseksi päädyttiin käyttämään moniprosessorijärjestelmää. Prosessorijärjestelmässä käytettävää DSP-piiriä valittaessa valintaperusteina olivat piirien tarjoama prosessointiteho ja moniprosessorituki. Analog Devices:n SHARC-sarjan DSP-piirit täyttivät parhaiten asetetut vaatimukset: Ne tarjoavat tehokkaan käskykannan lisäksi suuren sisäisen muistin ja sisäänrakennetun moniprosessorituen. Järjestelmän mittalaiteluonteisuudesta johtuen keskeinen suunnitteluparametri oli luoda nopeat tiedonsiirtoyhteydet mittausantureilta DSP-järjestelmään. Tämä toteutettiin käyttäen ohjelmointavia FPGA-logiikkapiirejä digitaalimuotoisen mittausdatan vastaanotossa ja esikäsittelyssä. Tiedonsiirtoyhteys PC-tietokoneelle toteutettiin käyttäen erityistä liityntäkorttia DSP-järjestelmän ja PC-tietokoneen välillä. Liityntäkortin päätehtävänä on puskuroida siirrettävä data. Järjestelyllä estetään PC-tietokoneen vaikutus DSP-järjestelmän toimintaan, jotta kyetään takaamaan järjestelmän reaaliaikainen toiminta kaikissa olosuhteissa.

Segmentation model for small and medium size business sector: Case Oy Compaq Computer Ab

Markkinasegmentointi nousi esiin ensi kerran jo 50-luvulla ja se on ollut siitä lähtien yksi markkinoinnin peruskäsitteistä. Suuri osa segmentointia käsittelevästä tutkimuksesta on kuitenkin keskittynyt kuluttajamarkkinoiden segmentointiin yritys- ja teollisuusmarkkinoiden segmentoinnin jäädessä vähemmälle huomiolle. Tämän tutkimuksen tavoitteena on luoda segmentointimalli teollismarkkinoille tietotekniikan tuotteiden ja palveluiden tarjoajan näkökulmasta. Tarkoituksena on selvittää mahdollistavatko case-yrityksen nykyiset asiakastietokannat tehokkaan segmentoinnin, selvittää sopivat segmentointikriteerit sekä arvioida tulisiko tietokantoja kehittää ja kuinka niitä tulisi kehittää tehokkaamman segmentoinnin mahdollistamiseksi. Tarkoitus on luoda yksi malli eri liiketoimintayksiköille yhteisesti. Näin ollen eri yksiköiden tavoitteet tulee ottaa huomioon eturistiriitojen välttämiseksi. Tutkimusmetodologia on tapaustutkimus. Lähteinä tutkimuksessa käytettiin sekundäärisiä lähteitä sekä primäärejä lähteitä kuten case-yrityksen omia tietokantoja sekä haastatteluita. Tutkimuksen lähtökohtana oli tutkimusongelma: Voiko tietokantoihin perustuvaa segmentointia käyttää kannattavaan asiakassuhdejohtamiseen PK-yritys sektorilla? Tavoitteena on luoda segmentointimalli, joka hyödyntää tietokannoissa olevia tietoja tinkimättä kuitenkaan tehokkaan ja kannattavan segmentoinnin ehdoista. Teoriaosa tutkii segmentointia yleensä painottuen kuitenkin teolliseen markkinasegmentointiin. Tarkoituksena on luoda selkeä kuva erilaisista lähestymistavoista aiheeseen ja syventää näkemystä tärkeimpien teorioiden osalta. Tietokantojen analysointi osoitti selviä puutteita asiakastiedoissa. Peruskontaktitiedot löytyvät mutta segmentointia varten tietoa on erittäin rajoitetusti. Tietojen saantia jälleenmyyjiltä ja tukkureilta tulisi parantaa loppuasiakastietojen saannin takia. Segmentointi nykyisten tietojen varassa perustuu lähinnä sekundäärisiin tietoihin kuten toimialaan ja yrityskokoon. Näitäkään tietoja ei ole saatavilla kaikkien tietokannassa olevien yritysten kohdalta.

Platform Architectures for Policy-Based Network Access Control

Tämä diplomityö käsittelee sääntöpohjaisen verkkoon pääsyn hallinnan (NAC) ratkaisuja arkkitehtonisesta näkökulmasta. Työssä käydään läpi Trusted Computing Groupin, Microsoft Corporationin, Juniper Networksin sekä Cisco Systemsin NAC-ratkaisuja. NAC koostuu joukosta uusia sekä jo olemassa olevia teknologioita, jotka auttavat ennalta määriteltyyn sääntökantaan perustuen hallitsemaan suojattuun verkkoon pyrkivien laitteiden tietoliikenneyhteyksiä. Käyttäjän tunnistamisen lisäksi NAC pystyy rajoittamaan verkkoon pääsyä laitekohtaisten ominaisuuksien perusteella, esimerkiksi virustunnisteisiin ja käyttöjärjestelmäpäivityksiin liittyen ja paikkaamaan tietyin rajoituksin näissä esiintyviä puutteita verkkoon pääsyn sallimiseksi. NAC on verraten uusi käsite, jolta puuttuu tarkka määritelmä. Tästä johtuen nykymarkkinoilla myydään ominaisuuksiltaan puutteellisia tuotteita NAC-nimikkeellä. Standardointi eri valmistajien NAC-komponenttien yhteentoimivuuden takaamiseksi on meneillään, minkä perusteella ratkaisut voidaan jakaa joko avoimia standardeja tai valmistajakohtaisia standardeja noudattaviksi. Esitellyt NAC-ratkaisut noudattavat standardeja joko rajoitetusti tai eivät lainkaan. Mikään läpikäydyistä ratkaisuista ei ole täydellinen NAC, mutta Juniper Networksin ratkaisu nousee niistä potentiaalisimmaksi jatkokehityksen ja -tutkimuksen kohteeksi TietoEnator Processing & Networks Oy:lle. Eräs keskeinen ongelma NAC-konseptissa on työaseman tietoverkolle toimittama mahdollisesti valheellinen tietoturvatarkistuksen tulos, minkä perusteella pääsyä osittain hallitaan. Muun muassa tähän ongelmaan ratkaisuna voisi olla jo nykytietokoneista löytyvä TPM-siru, mikä takaa tiedon oikeellisuuden ja koskemattomuuden.

Communication challenges in virtual teams – a case study of implementing computer-mediated communication technologies in inter-organisational virtual teams

This thesis seeks to answer, if communication challenges in virtual teams can be overcome with the help of computer-mediated communication. Virtual teams are becoming more common work method in many global companies. In order for virtual teams to reach their maximum potential, effective asynchronous and synchronous methods for communication are needed. The thesis covers communication in virtual teams, as well as leadership and trust building in virtual environments with the help of CMC. First, the communication challenges in virtual teams are identified by using a framework of knowledge sharing barriers in virtual teams by Rosen et al. (2007) Secondly, the leadership and trust in virtual teams are defined in the context of CMC. The performance of virtual teams is evaluated in the case study by exploiting these three dimensions. With the help of a case study of two virtual teams, the practical issues related to selecting and implementing communication technologies as well as overcoming knowledge sharing barriers is being discussed. The case studies involve a complex inter-organisational setting, where four companies are working together in order to maintain a new IT system. The communication difficulties are related to inadequate communication technologies, lack of trust and the undefined relationships of the stakeholders and the team members. As a result, it is suggested that communication technologies are needed in order to improve the virtual team performance, but are not however solely capable of solving the communication challenges in virtual teams. In addition, suitable leadership and trust between team members are required in order to improve the knowledge sharing and communication in virtual teams.

Study of ligand-based virtual screening tools in computer-aided drug design

Virtual screening is a central technique in drug discovery today. Millions of molecules can be tested in silico with the aim to only select the most promising and test them experimentally. The topic of this thesis is ligand-based virtual screening tools which take existing active molecules as starting point for finding new drug candidates. One goal of this thesis was to build a model that gives the probability that two molecules are biologically similar as function of one or more chemical similarity scores. Another important goal was to evaluate how well different ligand-based virtual screening tools are able to distinguish active molecules from inactives. One more criterion set for the virtual screening tools was their applicability in scaffold-hopping, i.e. finding new active chemotypes. In the first part of the work, a link was defined between the abstract chemical similarity score given by a screening tool and the probability that the two molecules are biologically similar. These results help to decide objectively which virtual screening hits to test experimentally. The work also resulted in a new type of data fusion method when using two or more tools. In the second part, five ligand-based virtual screening tools were evaluated and their performance was found to be generally poor. Three reasons for this were proposed: false negatives in the benchmark sets, active molecules that do not share the binding mode, and activity cliffs. In the third part of the study, a novel visualization and quantification method is presented for evaluation of the scaffold-hopping ability of virtual screening tools.

New computer software for defining the three-dimensional geometry for a centrifu- gal compressor impeller

In this thesis, a computer software for defining the geometry for a centrifugal compressor impeller is designed and implemented. The project is done under the supervision of Laboratory of Fluid Dynamics in Lappeenranta University of Technology. This thesis is similar to the thesis written by Tomi Putus (2009) in which a centrifugal compressor impeller flow channel is researched and commonly used design practices are reviewed. Putus wrote a computer software which can be used to define impeller’s three-dimensional geometry based on the basic geometrical dimensions given by a preliminary design. The software designed in this thesis is almost similar but it uses a different programming language (C++) and a different way to define the shape of the impeller meridional projection.