Tecniche di ottimizzazione del software per sistemi su singolo chip per applicazioni di Nomadic Computing

I moderni sistemi embedded sono equipaggiati con risorse hardware che consentono l’esecuzione di applicazioni molto complesse come il decoding audio e video. La progettazione di simili sistemi deve soddisfare due esigenze opposte. Da un lato è necessario fornire un elevato potenziale computazionale, dall’altro bisogna rispettare dei vincoli stringenti riguardo il consumo di energia. Uno dei trend più diffusi per rispondere a queste esigenze opposte è quello di integrare su uno stesso chip un numero elevato di processori caratterizzati da un design semplificato e da bassi consumi. Tuttavia, per sfruttare effettivamente il potenziale computazionale offerto da una batteria di processoriè necessario rivisitare pesantemente le metodologie di sviluppo delle applicazioni. Con l’avvento dei sistemi multi-processore su singolo chip (MPSoC) il parallel programming si è diffuso largamente anche in ambito embedded. Tuttavia, i progressi nel campo della programmazione parallela non hanno mantenuto il passo con la capacità di integrare hardware parallelo su un singolo chip. Oltre all’introduzione di multipli processori, la necessità di ridurre i consumi degli MPSoC comporta altre soluzioni architetturali che hanno l’effetto diretto di complicare lo sviluppo delle applicazioni. Il design del sottosistema di memoria, in particolare, è un problema critico. Integrare sul chip dei banchi di memoria consente dei tempi d’accesso molto brevi e dei consumi molto contenuti. Sfortunatamente, la quantità di memoria on-chip che può essere integrata in un MPSoC è molto limitata. Per questo motivo è necessario aggiungere dei banchi di memoria off-chip, che hanno una capacità molto maggiore, come maggiori sono i consumi e i tempi d’accesso. La maggior parte degli MPSoC attualmente in commercio destina una parte del budget di area all’implementazione di memorie cache e/o scratchpad. Le scratchpad (SPM) sono spesso preferite alle cache nei sistemi MPSoC embedded, per motivi di maggiore predicibilità, minore occupazione d’area e – soprattutto – minori consumi. Per contro, mentre l’uso delle cache è completamente trasparente al programmatore, le SPM devono essere esplicitamente gestite dall’applicazione. Esporre l’organizzazione della gerarchia di memoria ll’applicazione consente di sfruttarne in maniera efficiente i vantaggi (ridotti tempi d’accesso e consumi). Per contro, per ottenere questi benefici è necessario scrivere le applicazioni in maniera tale che i dati vengano partizionati e allocati sulle varie memorie in maniera opportuna. L’onere di questo compito complesso ricade ovviamente sul programmatore. Questo scenario descrive bene l’esigenza di modelli di programmazione e strumenti di supporto che semplifichino lo sviluppo di applicazioni parallele. In questa tesi viene presentato un framework per lo sviluppo di software per MPSoC embedded basato su OpenMP. OpenMP è uno standard di fatto per la programmazione di multiprocessori con memoria shared, caratterizzato da un semplice approccio alla parallelizzazione tramite annotazioni (direttive per il compilatore). La sua interfaccia di programmazione consente di esprimere in maniera naturale e molto efficiente il parallelismo a livello di loop, molto diffuso tra le applicazioni embedded di tipo signal processing e multimedia. OpenMP costituisce un ottimo punto di partenza per la definizione di un modello di programmazione per MPSoC, soprattutto per la sua semplicità d’uso. D’altra parte, per sfruttare in maniera efficiente il potenziale computazionale di un MPSoC è necessario rivisitare profondamente l’implementazione del supporto OpenMP sia nel compilatore che nell’ambiente di supporto a runtime. Tutti i costrutti per gestire il parallelismo, la suddivisione del lavoro e la sincronizzazione inter-processore comportano un costo in termini di overhead che deve essere minimizzato per non comprometterre i vantaggi della parallelizzazione. Questo può essere ottenuto soltanto tramite una accurata analisi delle caratteristiche hardware e l’individuazione dei potenziali colli di bottiglia nell’architettura. Una implementazione del task management, della sincronizzazione a barriera e della condivisione dei dati che sfrutti efficientemente le risorse hardware consente di ottenere elevate performance e scalabilità. La condivisione dei dati, nel modello OpenMP, merita particolare attenzione. In un modello a memoria condivisa le strutture dati (array, matrici) accedute dal programma sono fisicamente allocate su una unica risorsa di memoria raggiungibile da tutti i processori. Al crescere del numero di processori in un sistema, l’accesso concorrente ad una singola risorsa di memoria costituisce un evidente collo di bottiglia. Per alleviare la pressione sulle memorie e sul sistema di connessione vengono da noi studiate e proposte delle tecniche di partizionamento delle strutture dati. Queste tecniche richiedono che una singola entità di tipo array venga trattata nel programma come l’insieme di tanti sotto-array, ciascuno dei quali può essere fisicamente allocato su una risorsa di memoria differente. Dal punto di vista del programma, indirizzare un array partizionato richiede che ad ogni accesso vengano eseguite delle istruzioni per ri-calcolare l’indirizzo fisico di destinazione. Questo è chiaramente un compito lungo, complesso e soggetto ad errori. Per questo motivo, le nostre tecniche di partizionamento sono state integrate nella l’interfaccia di programmazione di OpenMP, che è stata significativamente estesa. Specificamente, delle nuove direttive e clausole consentono al programmatore di annotare i dati di tipo array che si vuole partizionare e allocare in maniera distribuita sulla gerarchia di memoria. Sono stati inoltre sviluppati degli strumenti di supporto che consentono di raccogliere informazioni di profiling sul pattern di accesso agli array. Queste informazioni vengono sfruttate dal nostro compilatore per allocare le partizioni sulle varie risorse di memoria rispettando una relazione di affinità tra il task e i dati. Più precisamente, i passi di allocazione nel nostro compilatore assegnano una determinata partizione alla memoria scratchpad locale al processore che ospita il task che effettua il numero maggiore di accessi alla stessa.

Algoritmi esatti per il Job Shop Scheduling: approcci Mathematical Programming

In questa tesi ci occuperemo di fornire un modello MIP di base e di alcune sue varianti, realizzate allo scopo di comprenderne il comportamento ed eventualmente migliorarne l’efficienza. Le diverse varianti sono state costruite agendo in particolar modo sulla definizione di alcuni vincoli, oppure sui bound delle variabili, oppure ancora nell’obbligare il risolutore a focalizzarsi su determinate decisioni o specifiche variabili. Sono stati testati alcuni dei problemi tipici presenti in letteratura e i diversi risultati sono stati opportunamente valutati e confrontati. Tra i riferimenti per tale confronto sono stati considerati anche i risultati ottenibili tramite un modello Constraint Programming, che notoriamente produce risultati apprezzabili in ambito di schedulazione. Un ulteriore scopo della tesi è, infatti, comparare i due approcci Mathematical Programming e Constraint Programming, identificandone quindi i pregi e gli svantaggi e provandone la trasferibilità al modello raffrontato.

Decomposition and reformulation of integer linear programming problems

This thesis deals with an investigation of Decomposition and Reformulation to solve Integer Linear Programming Problems. This method is often a very successful approach computationally, producing high-quality solutions for well-structured combinatorial optimization problems like vehicle routing, cutting stock, p-median and generalized assignment . However, until now the method has always been tailored to the specific problem under investigation. The principal innovation of this thesis is to develop a new framework able to apply this concept to a generic MIP problem. The new approach is thus capable of auto-decomposition and autoreformulation of the input problem applicable as a resolving black box algorithm and works as a complement and alternative to the normal resolving techniques. The idea of Decomposing and Reformulating (usually called in literature Dantzig and Wolfe Decomposition DWD) is, given a MIP, to convexify one (or more) subset(s) of constraints (slaves) and working on the partially convexified polyhedron(s) obtained. For a given MIP several decompositions can be defined depending from what sets of constraints we want to convexify. In this thesis we mainly reformulate MIPs using two sets of variables: the original variables and the extended variables (representing the exponential extreme points). The master constraints consist of the original constraints not included in any slaves plus the convexity constraint(s) and the linking constraints(ensuring that each original variable can be viewed as linear combination of extreme points of the slaves). The solution procedure consists of iteratively solving the reformulated MIP (master) and checking (pricing) if a variable of reduced costs exists, and in which case adding it to the master and solving it again (columns generation), or otherwise stopping the procedure. The advantage of using DWD is that the reformulated relaxation gives bounds stronger than the original LP relaxation, in addition it can be incorporated in a Branch and bound scheme (Branch and Price) in order to solve the problem to optimality. If the computational time for the pricing problem is reasonable this leads in practice to a stronger speed up in the solution time, specially when the convex hull of the slaves is easy to compute, usually because of its special structure.

Hybrid constraint programming and metaheuristic methods for large scale optimization problems

This work presents hybrid Constraint Programming (CP) and metaheuristic methods for the solution of Large Scale Optimization Problems; it aims at integrating concepts and mechanisms from the metaheuristic methods to a CP-based tree search environment in order to exploit the advantages of both approaches. The modeling and solution of large scale combinatorial optimization problem is a topic which has arisen the interest of many researcherers in the Operations Research field; combinatorial optimization problems are widely spread in everyday life and the need of solving difficult problems is more and more urgent. Metaheuristic techniques have been developed in the last decades to effectively handle the approximate solution of combinatorial optimization problems; we will examine metaheuristics in detail, focusing on the common aspects of different techniques. Each metaheuristic approach possesses its own peculiarities in designing and guiding the solution process; our work aims at recognizing components which can be extracted from metaheuristic methods and re-used in different contexts. In particular we focus on the possibility of porting metaheuristic elements to constraint programming based environments, as constraint programming is able to deal with feasibility issues of optimization problems in a very effective manner. Moreover, CP offers a general paradigm which allows to easily model any type of problem and solve it with a problem-independent framework, differently from local search and metaheuristic methods which are highly problem specific. In this work we describe the implementation of the Local Branching framework, originally developed for Mixed Integer Programming, in a CP-based environment. Constraint programming specific features are used to ease the search process, still mantaining an absolute generality of the approach. We also propose a search strategy called Sliced Neighborhood Search, SNS, that iteratively explores slices of large neighborhoods of an incumbent solution by performing CP-based tree search and encloses concepts from metaheuristic techniques. SNS can be used as a stand alone search strategy, but it can alternatively be embedded in existing strategies as intensification and diversification mechanism. In particular we show its integration within the CP-based local branching. We provide an extensive experimental evaluation of the proposed approaches on instances of the Asymmetric Traveling Salesman Problem and of the Asymmetric Traveling Salesman Problem with Time Windows. The proposed approaches achieve good results on practical size problem, thus demonstrating the benefit of integrating metaheuristic concepts in CP-based frameworks.

Theoretical and implementation aspects in the mechanization of the metatheory of programming languages

Interactive theorem provers are tools designed for the certification of formal proofs developed by means of man-machine collaboration. Formal proofs obtained in this way cover a large variety of logical theories, ranging from the branches of mainstream mathematics, to the field of software verification. The border between these two worlds is marked by results in theoretical computer science and proofs related to the metatheory of programming languages. This last field, which is an obvious application of interactive theorem proving, poses nonetheless a serious challenge to the users of such tools, due both to the particularly structured way in which these proofs are constructed, and to difficulties related to the management of notions typical of programming languages like variable binding. This thesis is composed of two parts, discussing our experience in the development of the Matita interactive theorem prover and its use in the mechanization of the metatheory of programming languages. More specifically, part I covers: - the results of our effort in providing a better framework for the development of tactics for Matita, in order to make their implementation and debugging easier, also resulting in a much clearer code; - a discussion of the implementation of two tactics, providing infrastructure for the unification of constructor forms and the inversion of inductive predicates; we point out interactions between induction and inversion and provide an advancement over the state of the art. In the second part of the thesis, we focus on aspects related to the formalization of programming languages. We describe two works of ours: - a discussion of basic issues we encountered in our formalizations of part 1A of the Poplmark challenge, where we apply the extended inversion principles we implemented for Matita; - a formalization of an algebraic logical framework, posing more complex challenges, including multiple binding and a form of hereditary substitution; this work adopts, for the encoding of binding, an extension of Masahiko Sato's canonical locally named representation we designed during our visit to the Laboratory for Foundations of Computer Science at the University of Edinburgh, under the supervision of Randy Pollack.

Programming Robots with an Agent-Oriented BDI-based Control Architecture: Explorations using the JaCa and Webots Platforms

La crescente disponibilità di dispositivi meccanici e -soprattutto - elettronici le cui performance aumentano mentre il loro costo diminuisce, ha permesso al campo della robotica di compiere notevoli progressi. Tali progressi non sono stati fatti unicamente per ciò che riguarda la robotica per uso industriale, nelle catene di montaggio per esempio, ma anche per quella branca della robotica che comprende i robot autonomi domestici. Questi sistemi autonomi stanno diventando, per i suddetti motivi, sempre più pervasivi, ovvero sono immersi nello stesso ambiente nel quale vivono gli essere umani, e interagiscono con questi in maniera proattiva. Essi stanno compiendo quindi lo stesso percorso che hanno attraversato i personal computer all'incirca 30 anni fa, passando dall'essere costosi ed ingombranti mainframe a disposizione unicamente di enti di ricerca ed università, ad essere presenti all'interno di ogni abitazione, per un utilizzo non solo professionale ma anche di assistenza alle attività quotidiane o anche di intrattenimento. Per questi motivi la robotica è un campo dell'Information Technology che interessa sempre più tutti i tipi di programmatori software. Questa tesi analizza per prima cosa gli aspetti salienti della programmazione di controllori per robot autonomi (ovvero senza essere guidati da un utente), quindi, come l'approccio basato su agenti sia appropriato per la programmazione di questi sistemi. In particolare si mostrerà come un approccio ad agenti, utilizzando il linguaggio di programmazione Jason e quindi l'architettura BDI, sia una scelta significativa, dal momento che il modello sottostante a questo tipo di linguaggio è basato sul ragionamento pratico degli esseri umani (Human Practical Reasoning) e quindi è adatto alla implementazione di sistemi che agiscono in maniera autonoma. Dato che le possibilità di utilizzare un vero e proprio sistema autonomo per poter testare i controllori sono ridotte, per motivi pratici, economici e temporali, mostreremo come è facile e performante arrivare in maniera rapida ad un primo prototipo del robot tramite l'utilizzo del simulatore commerciale Webots. Il contributo portato da questa tesi include la possibilità di poter programmare un robot in maniera modulare e rapida per mezzo di poche linee di codice, in modo tale che l'aumento delle funzionalità di questo risulti un collo di bottiglia, come si verifica nella programmazione di questi sistemi tramite i classici linguaggi di programmazione imperativi. L'organizzazione di questa tesi prevede un capitolo di background nel quale vengono riportare le basi della robotica, della sua programmazione e degli strumenti atti allo scopo, un capitolo che riporta le nozioni di programmazione ad agenti, tramite il linguaggio Jason -quindi l'architettura BDI - e perché tale approccio è adatto alla programmazione di sistemi di controllo per la robotica. Successivamente viene presentata quella che è la struttura completa del nostro ambiente di lavoro software che comprende l'ambiente ad agenti e il simulatore, quindi nel successivo capitolo vengono mostrate quelle che sono le esplorazioni effettuate utilizzando Jason e un approccio classico (per mezzo di linguaggi classici), attraverso diversi casi di studio di crescente complessità; dopodiché, verrà effettuata una valutazione tra i due approcci analizzando i problemi e i vantaggi che comportano questi. Infine, la tesi terminerà con un capitolo di conclusioni e di riflessioni sulle possibili estensioni e lavori futuri.

Reuse Mechanisms and Concurrency: From Actors to Agent-Oriented Programming

La presente tesi è dedicata al riuso nel software. Eccettuata un'introduzione organica al tema, l'analisi è a livello dei meccanismi offerti dai linguaggi di programmazione e delle tecniche di sviluppo, con speciale attenzione rivolta al tema della concorrenza. Il primo capitolo fornisce un quadro generale nel quale il riuso del software è descritto, assieme alle ragioni che ne determinano l'importanza e ai punti cruciali relativi alla sua attuazione. Si individuano diversi livelli di riuso sulla base dell'astrazione e degli artefatti in gioco, e si sottolinea come i linguaggi contribuiscano alla riusabilità e alla realizzazione del riuso. In seguito, viene esplorato, con esempi di codice, il supporto al riuso da parte del paradigma ad oggetti, in termini di incapsulamento, ereditarietà, polimorfismo, composizione. La trattazione prosegue analizzando differenti feature – tipizzazione, interfacce, mixin, generics – offerte da vari linguaggi di programmazione, mostrando come esse intervengano sulla riusabilità dei componenti software. A chiudere il capitolo, qualche parola contestualizzata sull'inversione di controllo, la programmazione orientata agli aspetti, e il meccanismo della delega. Il secondo capitolo abbraccia il tema della concorrenza. Dopo aver introdotto l'argomento, vengono approfonditi alcuni significativi modelli di concorrenza: programmazione multi-threaded, task nel linguaggio Ada, SCOOP, modello ad Attori. Essi vengono descritti negli elementi fondamentali e ne vengono evidenziati gli aspetti cruciali in termini di contributo al riuso, con esempi di codice. Relativamente al modello ad Attori, viene presentata la sua implementazione in Scala/Akka come caso studio. Infine, viene esaminato il problema dell'inheritance anomaly, sulla base di esempi e delle tre classi principali di anomalia, e si analizza la suscettibilità del supporto di concorrenza di Scala/Akka a riscontrare tali problemi. Inoltre, in questo capitolo si nota come alcuni aspetti relativi al binomio riuso/concorrenza, tra cui il significato profondo dello stesso, non siano ancora stati adeguatamente affrontati dalla comunità informatica. Il terzo e ultimo capitolo esordisce con una panoramica dell'agent-oriented programming, prendendo il linguaggio simpAL come riferimento. In seguito, si prova ad estendere al caso degli agenti la nozione di riuso approfondita nei capitoli precedenti.

Engineering Agent-Oriented Technologies and Programming Languages for Computer Programming and Software Development

Mainstream hardware is becoming parallel, heterogeneous, and distributed on every desk, every home and in every pocket. As a consequence, in the last years software is having an epochal turn toward concurrency, distribution, interaction which is pushed by the evolution of hardware architectures and the growing of network availability. This calls for introducing further abstraction layers on top of those provided by classical mainstream programming paradigms, to tackle more effectively the new complexities that developers have to face in everyday programming. A convergence it is recognizable in the mainstream toward the adoption of the actor paradigm as a mean to unite object-oriented programming and concurrency. Nevertheless, we argue that the actor paradigm can only be considered a good starting point to provide a more comprehensive response to such a fundamental and radical change in software development. Accordingly, the main objective of this thesis is to propose Agent-Oriented Programming (AOP) as a high-level general purpose programming paradigm, natural evolution of actors and objects, introducing a further level of human-inspired concepts for programming software systems, meant to simplify the design and programming of concurrent, distributed, reactive/interactive programs. To this end, in the dissertation first we construct the required background by studying the state-of-the-art of both actor-oriented and agent-oriented programming, and then we focus on the engineering of integrated programming technologies for developing agent-based systems in their classical application domains: artificial intelligence and distributed artificial intelligence. Then, we shift the perspective moving from the development of intelligent software systems, toward general purpose software development. Using the expertise maturated during the phase of background construction, we introduce a general-purpose programming language named simpAL, which founds its roots on general principles and practices of software development, and at the same time provides an agent-oriented level of abstraction for the engineering of general purpose software systems.

Reliable Broadcasting and Streaming of Multimedia Content

This thesis is focused on the study of techniques that allow to have reliable transmission of multimedia content in streaming and broadcasting applications, targeting in particular video content. The design of efficient error-control mechanisms, to enhance video transmission systems reliability, has been addressed considering cross-layer and multi-layer/multi-dimensional channel coding techniques to cope with bit errors as well as packet erasures. Mechanisms for unequal time interleaving have been designed as a viable solution to reduce the impact of errors and erasures by acting on the time diversity of the data flow, thus enhancing robustness against correlated channel impairments. In order to account for the nature of the factors which affect the physical layer channel in the evaluation of FEC schemes performances, an ad-hoc error-event modeling has been devised. In addition, the impact of error correction/protection techniques on the quality perceived by the consumers of video services applications and techniques for objective/subjective quality evaluation have been studied. The applicability and value of the proposed techniques have been tested by considering practical constraints and requirements of real system implementations.

A farm-level programming model to compare the atmospheric impact of conventional and organic farming

A model is developed to represent the activity of a farm using the method of linear programming. Two are the main components of the model, the balance of soil fertility and the livestock nutrition. According to the first, the farm is supposed to have a total requirement of nitrogen, which is to be accomplished either through internal sources (manure) or through external sources (fertilisers). The second component describes the animal husbandry as having a nutritional requirement which must be satisfied through the internal production of arable crops or the acquisition of feed from the market. The farmer is supposed to maximise total net income from the agricultural and the zoo-technical activities by choosing one rotation among those available for climate and acclivity. The perspective of the analysis is one of a short period: the structure of the farm is supposed to be fixed without possibility to change the allocation of permanent crops and the amount of animal husbandry. The model is integrated with an environmental module that describes the role of the farm within the carbon-nitrogen cycle. On the one hand the farm allows storing carbon through the photosynthesis of the plants and the accumulation of carbon in the soil; on the other some activities of the farm emit greenhouse gases into the atmosphere. The model is tested for some representative farms of the Emilia-Romagna region, showing to be capable to give different results for conventional and organic farming and providing first results concerning the different atmospheric impact. Relevant data about the representative farms and the feasible rotations are extracted from the FADN database, with an integration of the coefficients from the literature.

Game programming: Grafica 3d

Tesi riguardante la creazione di tutte le risorse grafiche necessarie ad un videogioco tridimensionale in prima persona con Blender e Unity3D. Gli argomenti trattati sono: prgettazione, 3D modeling, texturing e shading.

Game programming: sviluppo di un gioco

La tesi riguarda tutto il processo di progettazione di un videogioco e l'implementazione dello stesso. Gli argomenti trattati sono: Unity, Design & Gameplay e l'implementazioni del progetto.

Portfolio Approaches in Constraint Programming

Recent research has shown that the performance of a single, arbitrarily efficient algorithm can be significantly outperformed by using a portfolio of —possibly on-average slower— algorithms. Within the Constraint Programming (CP) context, a portfolio solver can be seen as a particular constraint solver that exploits the synergy between the constituent solvers of its portfolio for predicting which is (or which are) the best solver(s) to run for solving a new, unseen instance. In this thesis we examine the benefits of portfolio solvers in CP. Despite portfolio approaches have been extensively studied for Boolean Satisfiability (SAT) problems, in the more general CP field these techniques have been only marginally studied and used. We conducted this work through the investigation, the analysis and the construction of several portfolio approaches for solving both satisfaction and optimization problems. We focused in particular on sequential approaches, i.e., single-threaded portfolio solvers always running on the same core. We started from a first empirical evaluation on portfolio approaches for solving Constraint Satisfaction Problems (CSPs), and then we improved on it by introducing new data, solvers, features, algorithms, and tools. Afterwards, we addressed the more general Constraint Optimization Problems (COPs) by implementing and testing a number of models for dealing with COP portfolio solvers. Finally, we have come full circle by developing sunny-cp: a sequential CP portfolio solver that turned out to be competitive also in the MiniZinc Challenge, the reference competition for CP solvers.

New integer programming models for balanced multi-country kep

Le persone che soffrono di insufficienza renale terminale hanno due possibili trattamenti da affrontare: la dialisi oppure il trapianto di organo. Nel caso volessero seguire la seconda strada, oltre che essere inseriti nella lista d'attesa dei donatori deceduti, possono trovare una persona, come il coniuge, un parente o un amico, disposta a donare il proprio rene. Tuttavia, non sempre il trapianto è fattibile: donatore e ricevente possono, infatti, presentare delle incompatibilità a livello di gruppo sanguigno o di tessuto organico. Come risposta a questo tipo di problema nasce il KEP (Kidney Exchange Program), un programma, ampiamente avviato in diverse realtà europee e mondiali, che si occupa di raggruppare in un unico insieme le coppie donatore/ricevente in questa stessa situazione al fine di operare e massimizzare scambi incrociati di reni fra coppie compatibili. Questa tesi approffondisce tale questione andando a valutare la possibilità di unire in un unico insieme internazionale coppie donatore/ricevente provenienti da più paesi. Lo scopo, naturalmente, è quello di poter ottenere un numero sempre maggiore di trapianti effettuati. Lo studio affronta dal punto di vista matematico problematiche legate a tale collaborazione: i paesi che eventualmente accettassero di partecipare a un simile programma, infatti, devono avere la garanzia non solo di ricavarne un vantaggio, ma anche che tale vantaggio sia equamente distribuito fra tutti i paesi partecipanti.