VisibleZ: A Mainframe Architecture Emulator for Computing Education

This paper describes a PC-based mainframe computer emulator called VisibleZ and its use in teaching mainframe Computer Organization and Assembly Programming classes. VisibleZ models IBM’s z/Architecture and allows direct interpretation of mainframe assembly language object code in a graphical user interface environment that was developed in Java. The VisibleZ emulator acts as an interactive visualization tool to simulate enterprise computer architecture. The provided architectural components include main storage, CPU, registers, Program Status Word (PSW), and I/O Channels. Particular attention is given to providing visual clues to the user by color-coding screen components, machine instruction execution, and animation of the machine architecture components. Students interact with VisibleZ by executing machine instructions in a step-by-step mode, simultaneously observing the contents of memory, registers, and changes in the PSW during the fetch-decode-execute machine instruction cycle. The object-oriented design and implementation of VisibleZ allows students to develop their own instruction semantics by coding Java for existing specific z/Architecture machine instructions or design and implement new machine instructions. The use of VisibleZ in lectures, labs, and assignments is described in the paper and supported by a website that hosts an extensive collection of related materials. VisibleZ has been proven a useful tool in mainframe Assembly Language Programming and Computer Organization classes. Using VisibleZ, students develop a better understanding of mainframe concepts, components, and how the mainframe computer works. ACM Computing Classification System (1998): C.0, K.3.2.

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.

Gpu-based many-core architecture emulation: A double level approach

The efficient emulation of a many-core architecture is a challenging task, each core could be emulated through a dedicated thread and such threads would be interleaved on an either single-core or a multi-core processor. The high number of context switches will results in an unacceptable performance. To support this kind of application, the GPU computational power is exploited in order to schedule the emulation threads on the GPU cores. This presents a non trivial divergence issue, since GPU computational power is offered through SIMD processing elements, that are forced to synchronously execute the same instruction on different memory portions. Thus, a new emulation technique is introduced in order to overcome this limitation: instead of providing a routine for each ISA opcode, the emulator mimics the behavior of the Micro Architecture level, here instructions are date that a unique routine takes as input. Our new technique has been implemented and compared with the classic emulation approach, in order to investigate the chance of a hybrid solution.

Communication Architecture Design for Real-Time Networked Control Systems

Networked control over data networks has received increasing attention in recent years. Among many problems in networked control systems (NCSs) is the need to reduce control latency and jitter and to deal with packet dropouts. This paper introduces our recent progress on a queuing communication architecture for real-time NCS applications, and simple strategies for dealing with packet dropouts. Case studies for a middle-scale process or multiple small-scale processes are presented for TCP/IP based real-time NCSs. Variations of network architecture design are modelled, simulated, and analysed for evaluation of control latency and jitter performance. It is shown that a simple bandwidth upgrade or adding hierarchy does not necessarily bring benefits for performance improvement of control latency and jitter. A co-design of network and control is necessary to maximise the real-time control performance of NCSs