Use of shared memory in the context of embedded multi-core processors: exploration of the technology and its limits

Modern embedded systems embrace many-core shared-memory designs. Due to constrained power and area budgets, most of them feature software-managed scratchpad memories instead of data caches to increase the data locality. It is therefore programmers’ responsibility to explicitly manage the memory transfers, and this make programming these platform cumbersome. Moreover, complex modern applications must be adequately parallelized before they can the parallel potential of the platform into actual performance. To support this, programming languages were proposed, which work at a high level of abstraction, and rely on a runtime whose cost hinders performance, especially in embedded systems, where resources and power budget are constrained. This dissertation explores the applicability of the shared-memory paradigm on modern many-core systems, focusing on the ease-of-programming. It focuses on OpenMP, the de-facto standard for shared memory programming. In a first part, the cost of algorithms for synchronization and data partitioning are analyzed, and they are adapted to modern embedded many-cores. Then, the original design of an OpenMP runtime library is presented, which supports complex forms of parallelism such as multi-level and irregular parallelism. In the second part of the thesis, the focus is on heterogeneous systems, where hardware accelerators are coupled to (many-)cores to implement key functional kernels with orders-of-magnitude of speedup and energy efficiency compared to the “pure software” version. However, three main issues rise, namely i) platform design complexity, ii) architectural scalability and iii) programmability. To tackle them, a template for a generic hardware processing unit (HWPU) is proposed, which share the memory banks with cores, and the template for a scalable architecture is shown, which integrates them through the shared-memory system. Then, a full software stack and toolchain are developed to support platform design and to let programmers exploiting the accelerators of the platform. The OpenMP frontend is extended to interact with it.

Teoria dei giochi e Multi-criteria decision-making per reti mobili Ad-hoc: un protocollo di routing

Nell'elaborato si analizzano aspetti della teoria dei giochi e della multi-criteria decision-making. La riflessione serve a proporre le basi per un nuovo modello di protocollo di routing in ambito Mobile Ad-hoc Networks. Questo prototipo mira a generare una rete che riesca a gestirsi in maniera ottimale grazie ad un'acuta tecnica di clusterizzazione. Allo stesso tempo si propone come obiettivo il risparmio energetico e la partecipazione collaborativa di tutti i componenti.

Sviluppo del back-end per una App mobile con lo scopo di abbattere i costi delle chiamate telefoniche internazionali

Questa tesi tratta dello sviluppo di un progetto, svolto durante il periodo di tirocinio presso SMS.it, azienda specializzata nel settore della telefonia con sede a Bologna. L'azienda in questione ha commissionato, al sottoscritto ed al mio collega Daniele Sciuto, l'implementazione di un'applicazione cross-platform per smartphone, ed il relativo server. L'azienda ci ha fornito le specifiche del progetto, e ci ha seguiti in tutte le fasi del suo sviluppo. L'applicazione è pensata per offrire agli utenti la possibilità di usufruire di tariffe telefoniche agevolate. I vantaggi sono maggiormente apprezzabili nelle chiamate internazionali. Queste tariffe sono possibili grazie agli accordi fra l'azienda e vari operatori di telefonia. Nella primo capitolo di questo elaborato, viene analizzato cosa ci è stato richiesto di realizzare, le specifiche del progetto dateci dall'azienda e quali sono i vincoli ai quali ci si è dovuti attenere. Nella secondo capitolo, viene descritto nel dettaglio la progettazione delle singole funzionalità dell'applicazione, e i rapporti che ci sono fra il front-end ed il back-end. Successivamente, sono analizzate le tecnologie necessarie per la realizzazione e il loro utilizzo nell'applicazione. Come richiestoci dall'azienda, alcuni dettagli implementativi sono stati omessi, per garantire il rispetto del segreto industriale. Nonostante ciò viene comunque fornita una panoramica completa di ciò che è stato realizzato. In ultima analisi è descritta qualitativamente l'applicazione ottenuta, e come aderisca alle specifiche richieste.

Sviluppo di una App mobile per l'abbattimento dei costi delle chiamate telefoniche internazionali

Questa tesi riguarda un progetto svolto con l’azienda SMS.it di Bologna la quale, già specializzata nella pianificazione, nello sviluppo e nelle forniture di servizi di telefonia, ha commissionato l’implementazione di un’applicazione cross-platform che sia compatibile con la maggior parte possibile dei sistemi operativi per dispositivi mobili.

Autorenwerkzeuge für digitale, multimediale und interaktive Lernbausteine im Web 2.0

Die Forschungsarbeit siedelt sich im Dreieck der Erziehungswissenschaften, der Informatik und der Schulpraxis an und besitzt somit einen starken interdisziplinären Charakter. Aus Sicht der Erziehungswissenschaften handelt es sich um ein Forschungsprojekt aus den Bereichen E-Learning und Multimedia Learning und der Fragestellung nach geeigneten Informatiksystemen für die Herstellung und den Austausch von digitalen, multimedialen und interaktiven Lernbausteinen. Dazu wurden zunächst methodisch-didaktische Vorteile digitaler Lerninhalte gegenüber klassischen Medien wie Buch und Papier zusammengetragen und mögliche Potentiale im Zusammenhang mit neuen Web2.0-Technologien aufgezeigt. Darauf aufbauend wurde für existierende Autorenwerkzeuge zur Herstellung digitaler Lernbausteine und bestehende Austauschplattformen analysiert, inwieweit diese bereits Web 2.0-Technologien unterstützen und nutzen. Aus Sicht der Informatik ergab sich aus der Analyse bestehender Systeme ein Anforderungsprofil für ein neues Autorenwerkzeug und eine neue Austauschplattform für digitale Lernbausteine. Das neue System wurde nach dem Ansatz des Design Science Research in einem iterativen Entwicklungsprozess in Form der Webapplikation LearningApps.org realisiert und stetig mit Lehrpersonen aus der Schulpraxis evaluiert. Bei der Entwicklung kamen aktuelle Web-Technologien zur Anwendung. Das Ergebnis der Forschungsarbeit ist ein produktives Informatiksystem, welches bereits von tausenden Nutzern in verschiedenen Ländern sowohl in Schulen als auch in der Wirtschaft eingesetzt wird. In einer empirischen Studie konnte das mit der Systementwicklung angestrebte Ziel, die Herstellung und den Austausch von digitalen Lernbausteinen zu vereinfachen, bestätigt werden. Aus Sicht der Schulpraxis liefert LearningApps.org einen Beitrag zur Methodenvielfalt und zur Nutzung von ICT im Unterricht. Die Ausrichtung des Werkzeugs auf mobile Endgeräte und 1:1-Computing entspricht dem allgemeinen Trend im Bildungswesen. Durch die Verknüpfung des Werkzeugs mit aktuellen Software Entwicklungen zur Herstellung von digitalen Schulbüchern werden auch Lehrmittelverlage als Zielgruppe angesprochen.

Design and Prototyping High Endurance Multi-Rotor

The topic of this thesis fo cus on the preliminary design and the p erformance analysis of a multirotor platform. A multirotor is an electrically p owered Vertical Take Off (VTOL) machine with more than two rotors that lift and control the platform. Multirotor are agile, compact and robust, making them ideally suited for b oth indo or and outdo or application especially to carry-on several sensors like electro optical multisp ectral sensor or gas sensor. The main disadvantage is the limited endurance due to heavy Li-Po batteries and high disk loading through the use of different small prop ellers. At the same time, the design of the multirotor do es not follow any engineering principle but it follow the ideas of amateurs’ builder. An adaptation of the classic airplane design theory for the preliminary design is implemented to fill the gap and detailed study of the endurance is p erformed to define the right way to make this kind of VTOL platforms.

Connectivity management and dynamic context grouping in mobile heterogenous systems

In the last 10 years the number of mobile devices has grown rapidly. Each person usually brings at least two personal devices and researchers says that in a near future this number could raise up to ten devices per person. Moreover, all the devices are becoming more integrated to our life than in the past, therefore the amount of data exchanged increases accordingly to the improvement of people's lifestyle. This is what researchers call Internet of Things. Thus, in the future there will be more than 60 billions of nodes and the current infrastructure is not ready to keep track of all the exchanges of data between them. Therefore, infrastructure improvements have been proposed in the last years, like MobileIP and HIP in order to facilitate the exchange of packets in mobility, however none of them have been optimized for the purpose. In the last years, researchers from Mid Sweden University created The MediaSense Framework. Initially, this framework was based on the Chord protocol in order to route packets in a big network, but the most important change has been the introduction of PGrids in order to create the Overlay and the persistence. Thanks to this technology, a lookup in the trie takes up to 0.5*log(N), where N is the total number of nodes in the network. This result could be improved by further optimizations on the management of the nodes, for example by the dynamic creation of groups of nodes. Moreover, since the nodes move, an underlaying support for connectivity management is needed. SCTP has been selected as one of the most promising upcoming standards for simultaneous multiple connection's management.

Cross-platform game development

L'obiettivo di questa tesi è stato quello di progettare ed avviare lo sviluppo di un videogioco 3D multipiattaforma, nello specifico PC(Windows) e Mobile(Android), realizzandone poi una demo, affrontando così tutte le problematiche che possono sorgere quando si sviluppa un programma per dispositivi profondamente diversi fra loro. Il videogioco che si è scelto di realizzare è del genere “First Person Adventure”, in cui il giocatore deve esplorare la mappa di gioco, ed interagire con i vari elementi presenti al fine di far procedere la storia, il tutto realizzato ad un livello qualitativo sufficiente a permetterne la commercializzazione una volta ultimato.

Ideazione di sistemi distribuiti collaborativi basati realta aumentata mobile: un caso di studio, con approfondimento relativo al livello delle comunicazioni

Il grande sviluppo a cui stiamo assistendo negli ultimi anni nell'ambito delle tecnologie mobile e del wearable computing apre le porte a scenari innovativi e interessanti per quanto riguarda sistemi distribuiti collaborativi. Le persone possono sempre più facilmente cooperare e scambiarsi informazioni grazie a queste nuove tecnologie e si può pensare allo sviluppo di sistemi che permettano forme molto avanzate di collaborazione facendo leva sull'aspetto hands-free, ovvero sulla possibilità di utilizzare dispositivi che liberino le mani, come i moderni smart-glasses. Per lo sviluppo di tali sistemi è necessario però studiare nuove tecniche e architetture, in quanto gli strumenti ad oggi a disposizione a supporto della realtà aumentata non sembrano essere del tutto adeguati per tale scopo. Infatti piattaforme come Wikitude o Layar, seppure offrano potenti tecniche di riconoscimento di markers e immagini e di rendering, non offrono quella dinamicità fondamentale per un sistema distribuito collaborativo. Questo scritto ha lo scopo di esplorare questi aspetti mediante l'ideazione, l'analisi, la progettazione e la prototipazione di un semplice caso di studio ispirato a sistemi collaborativi distribuiti basati su realtà aumentata. In particolare in questo lavoro si porrà l'attenzione sul livello delle comunicazioni e delle infrastrutture di rete.

Sviluppo di una piattaforma software per applicazioni di monitoraggio di parametri vitali basate su tecnologie wearable e mobile

L'obiettivo della tesi è quello di sviluppare una piattaforma software a supporto della programmazione di applicazioni mobile per la rilevazione di parametri vitali. Questo caso di studio offre una ampia discussione su wearable computing, healthcare e prototipazione del wearable. La tesi va a descrivere tutte le fasi di analisi, modellazione e progettazione del sistema, evidenziando problematiche e soluzioni adottate.

Progettazione e sviluppo di un'applicazione mobile di supporto alle attivita sciistiche

Applicazione Multi-piattaforme allineata per spostamenti in montagna, che offre le funzionalità di tracciamento tra diversi utenti, raggiungimento fisico di bersagli con compimento di missioni premiati e un sistema d'emergenza.

Evoluzione delle user interface: dalla metafora del desktop al Wearable Computing

Negli ultimi decenni abbiamo assistito ad una graduale evoluzione delle interfacce utente e della tecnologia. Sono stati introdotti nuovi dispositivi mobile e wearable che negli ultimi anni hanno subito un incremento tecnologico esponenziale arrivando a fondersi con la vita di tutti i giorni. Le classiche interfacce grafiche WIMP, la metafora del desktop e le linee guida di progettazione fino ad ora sviluppate non risultano ideali per la nuova tecnologia di wearable computing. Il proposito che la tesi vuole andare ad affrontare è proprio quello di indagare lo sviluppo di nuove user inteface basate sulla tecnologia wearable ed in particolare per smart glasses.

Smart execution of distributed application by balancing resources in mobile devices and cloud-based avatars

L’obiettivo del progetto di tesi svolto è quello di realizzare un servizio di livello middleware dedicato ai dispositivi mobili che sia in grado di fornire il supporto per l’offloading di codice verso una infrastruttura cloud. In particolare il progetto si concentra sulla migrazione di codice verso macchine virtuali dedicate al singolo utente. Il sistema operativo delle VMs è lo stesso utilizzato dal device mobile. Come i precedenti lavori sul computation offloading, il progetto di tesi deve garantire migliori performance in termini di tempo di esecuzione e utilizzo della batteria del dispositivo. In particolare l’obiettivo più ampio è quello di adattare il principio di computation offloading a un contesto di sistemi distribuiti mobili, migliorando non solo le performance del singolo device, ma l’esecuzione stessa dell’applicazione distribuita. Questo viene fatto tramite una gestione dinamica delle decisioni di offloading basata, non solo, sullo stato del device, ma anche sulla volontà e/o sullo stato degli altri utenti appartenenti allo stesso gruppo. Per esempio, un primo utente potrebbe influenzare le decisioni degli altri membri del gruppo specificando una determinata richiesta, come alta qualità delle informazioni, risposta rapida o basata su altre informazioni di alto livello. Il sistema fornisce ai programmatori un semplice strumento di definizione per poter creare nuove policy personalizzate e, quindi, specificare nuove regole di offloading. Per rendere il progetto accessibile ad un più ampio numero di sviluppatori gli strumenti forniti sono semplici e non richiedono specifiche conoscenze sulla tecnologia. Il sistema è stato poi testato per verificare le sue performance in termini di mecchanismi di offloading semplici. Successivamente, esso è stato anche sottoposto a dei test per verificare che la selezione di differenti policy, definite dal programmatore, portasse realmente a una ottimizzazione del parametro designato.

Mobile CSCW e sincronizzazione dati per il soccorso in emergenza: un caso di studio

L'obiettivo principale di questa tesi è quello di approfondire il tema della comunicazione e sincronizzazione dati nel contesto di uno specifico caso di studio di sistema informatico a supporto del lavoro cooperativo per il soccorso in emergenza: a partire dai requisiti del caso applicativo, secondo cui agli operatori deve essere possibile utilizzare il sistema anche a fronte di disconnessioni dei propri dispositivi mobili, emerge infatti la necessità di un middleware a cui il livello applicativo demandi le funzionalità di sincronizzare le informazioni prodotte durante le operazioni, in modo da promuovere uno scambio di informazioni che migliori e supporti l'azione del singolo e conseguentemente del team. Quindi, dopo aver introdotto la tematica ed analizzato il caso di studio da affrontare, viene descritta l'esplorazione del panorama tecnologico volta alla ricerca di strumenti o approcci che possano mitigare la complessità nella realizzazione di questa funzionalità. Nel panorama tecnologico considerato, comprendente framework per servizi web, MOM e database, uno strumento di particolare interesse è stato individuato in CouchDB, un database NoSQL, grazie alle sue funzionalità di replica e sincronizzazione e alla presenza di una libreria per lo sviluppo su dispositivi mobili: su di esso è stata effettuata una breve fase di sperimentazione volta a saggiarne in maniera più concreta le potenzialità anche in relazione alla valutazione di fattibilità per il caso applicativo considerato.

Sviluppo di applicazioni mobili attraverso framework cross-platform: una valutazione sperimentale

Sviluppare e manutenere applicativi destinati a differenti piattaforme è un’opzione esclusiva di quelle entità capaci di sostenere costi molto alti per la realizzazione di queste applicazioni. Questo esclude gli sviluppatori indipendenti, che spesso realizzano prodotti in totale autonomia; le start-up, che hanno l’esigenza di sviluppare un’idea di business avendo a disposizione budget estremamente ridotti; le piccole aziende, alle quali viene così preclusa la possibilità di competere con player più importanti. Questo tipo di emergenze rende lo sviluppo cross-platform una soluzione interessante per la realizzazione delle applicazioni mobili, abbattendo i costi di sviluppo e permettendo di raggiungere più velocemente un pubblico più ampio. C'è quindi sempre maggiore interesse, da parte degli sviluppatori, per gli strumenti di sviluppo cross-platform. Per catturare l’attenzione degli sviluppatori è necessario che lo strumento sia dotato di buona stabilità, che offra un ambiente di sviluppo confortevole, una buona user experience, facilità di aggiornamento, tempi di sviluppo contenuti e possibilità di immissione delle applicazioni su diversi ecosistemi software. L’idea alla base di questa Tesi di laurea è valutare i pro e i contro di uno di questi framework cross-platform e compararlo con le tecnologie native. Il framework scelto è Ionic per via della sua popolarità tra gli sviluppatori e della ridotta bibliografia scientifica a riguardo. Molte ricerche scientifiche valutano le prestazioni di uno o più framework cross-platform rispetto ad una soluzione nativa, tuttavia è raro un confronto tra un framework e più soluzioni native. Per questo, oltre a valutare i pro e i contro del framework, verrà anche effettuata una comparazione tra gli applicativi nativi per Android e iOS e le controparti sviluppate attraverso Ionic, permettendo di identificare eventuali differenze di performance e aiutare gli sviluppatori nelle scelte tecnologiche.