Domain Specific Languages for Small Embedded Systems

Resource limited embedded systems provide a great challenge to programming using functional languages. Although these embedded systems cannot be programmed directly with Haskell, I show that an embedded domain specific language is able to be used to program them, and provides a user friendly environment for both prototyping and full development. The Arduino line of microcontroller boards provide a versatile, low cost and popular platform for development of these resource limited systems, and I use these boards as the platform for my DSL research. First, I provide a shallowly embedded domain specific language, and a firmware interpreter, allowing the user to program the Arduino while tethered to a host computer. Shallow EDSLs allow a programmer to program using many of the features of a host language and its syntax, but sacrifice performance. Next, I add a deeply embedded version, allowing the interpreter to run standalone from the host computer, as well as allowing the code to be compiled to C and then machine code for efficient operation. Deep EDSLs provide better performance and flexibility, through the ability to manipulate the abstract syntax tree of the DSL program, but sacrifice syntactical similarity to the host language. Using Haskino, my EDSL designed for Arduino microcontrollers, and a compiler plugin for the Haskell GHC compiler, I show a method for combining the best aspects of shallow and deep EDSLs. The programmer is able to write in the shallow EDSL, and have it automatically transformed into the deep EDSL. This allows the EDSL user to benefit from powerful aspects of the host language, Haskell, while meeting the demanding resource constraints of the small embedded processing environment

SCCharts: Language and Interactive Incremental Compilation

Safety-critical systems are a subclass of reactive systems, a dominating class of computer systems these days. Such systems control the airbags in our cars, the flaps of an aircraft, nuclear power plants or pace makers. Software for these systems must be reliable. Hence, a language and tooling is needed that allows to build and maintain reliable software models. Furthermore, a reliable compiler is required to obtain decent machine-understandable and executable code from highly abstract models. This thesis presents SCCharts, a Statecharts-based synchronous and visual modeling language for specifying and designing safety-critical systems and for deriving their implementations. It elaborates on why a control-flow oriented and synchronous language is desirable and how incremental language features are chosen to flatten learning curve. It presents an interactive incremental model transformation based compilation approach termed SLIC. It shows how SLIC helps in supporting both, the modeler and the tool smith for building reliable models and maintaining a reliable compiler, respectively. A SLIC-based compiler for SCCharts including its high-level model transformations is presented. Furthermore, practicality aspects of the KIELER SCCharts language and tooling implementation complete the considerations to validate the proposed approach.Sicherheitskritische Systeme sind eine Unterklasse von reaktiven Systemen, welche heutzutage eine der wichtigsten und größten Klasse von Computersystemen darstellt. Solche Systeme kontrollieren die Airbags unserer Autos, die Landeklappen eines Passagierflugzeugs, Kernkraftwerke oder Herzschrittmacher. Software für solche Systeme muß absolut zuverlässig sein. Daher werden Computersprachen und Werkzeuge benötigt, die es erlauben, zuverlässige Softwaremodelle zu erstellen und zu warten. Weiterhin braucht es zuverlässige Kompiler, die aus solchen abstrakten Modellen korrekten maschinenlesbaren und ausführbaren Code erzeugen. Mit SCCharts präsentiert diese Arbeit eine zustandsmaschinenbasierte und synchrone Modellierungssprache für den Entwurf und zur Implementierung sicherheitskritischer Systeme. Es wird betrachtet, warum sich dafür eine kontrollflußorientierte und synchrone Sprache besonders gut eignet und welche Wahl inkrementeller Sprachbestandteile die Lernkurve senken können. Die Arbeit zeigt, wie ein als SLIC bezeichneter, interaktiver, inkrementeller und auf Modelltransformationen basierender Kompilierungsansatz sowohl dem Modellierer dabei helfen kann, zuverlässige Modelle zu erstellen, als auch den Werkzeugentwickler darin unterstützt, einen zuverlässigen Kompiler bereit zu stellen. Es wird ein auf SLIC basierender SCCharts Kompiler inklusive seiner high-level Modelltransformationen vorgestellt. Weiterhin wird der vorgestellte Ansatz mit Hilfe der beispielhaft umgesetzten KIELER SCCharts Sprach- und Werkzeugimplementierung auf seine Praktikabilität hin überprüft

A Shallow Embedded Type Safe Extendable DSL for the Arduino

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