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Implementation of a production Ada project: The GRODY study
The use of the Ada language and design methodologies that encourage full use of its capabilities have a strong impact on all phases of the software development project life cycle. At the National Aeronautics and Space Administration/Goddard Space Flight Center (NASA/GSFC), the Software Engineering Laboratory (SEL) conducted an experiment in parallel development of two flight dynamics systems in FORTRAN and Ada. The differences observed during the implementation, unit testing, and integration phases of the two projects are described and the lessons learned during the implementation phase of the Ada development are outlined. Included are recommendations for future Ada development projects
Bridging the gap between design and implementation of components libraries
Object-oriented design is usually driven by three main reusability principles:
step-by-step design, design for reuse and design with reuse. However, these
principles are just partially
applied to the subsequent object-oriented implementation, often due to efficienc
y
constraints, yielding to a gap between design and implementation. In this paper
we provide a solution for bridging this gap for a concrete framework, the one of
designing and implementing container-like component libraries, such as STL, Booc
h
Components, etc. Our approach is based on a new design pattern together with its
corresponding implementation. The proposal enhances the same principles that
drive the design process: step-by--step implementation (adding just what is
needed in every step), implementation with reuse (component implementations are
reused while library implementation
progresses and component hierarchies grow) and implementation for reuse
(intermediate component implementations can be reused in many different points o
f
the hierarchy). We use our approach in two different manners: for building a
brand-new container-like
component library, and for reengineering an existing one, Booch Components in
Ada95.Postprint (published version
Survey on Combinatorial Register Allocation and Instruction Scheduling
Register allocation (mapping variables to processor registers or memory) and
instruction scheduling (reordering instructions to increase instruction-level
parallelism) are essential tasks for generating efficient assembly code in a
compiler. In the last three decades, combinatorial optimization has emerged as
an alternative to traditional, heuristic algorithms for these two tasks.
Combinatorial optimization approaches can deliver optimal solutions according
to a model, can precisely capture trade-offs between conflicting decisions, and
are more flexible at the expense of increased compilation time.
This paper provides an exhaustive literature review and a classification of
combinatorial optimization approaches to register allocation and instruction
scheduling, with a focus on the techniques that are most applied in this
context: integer programming, constraint programming, partitioned Boolean
quadratic programming, and enumeration. Researchers in compilers and
combinatorial optimization can benefit from identifying developments, trends,
and challenges in the area; compiler practitioners may discern opportunities
and grasp the potential benefit of applying combinatorial optimization
Extensible Languages for Flexible and Principled Domain Abstraction
Die meisten Programmiersprachen werden als Universalsprachen entworfen. Unabhängig von der zu entwickelnden Anwendung, stellen sie die gleichen Sprachfeatures und Sprachkonstrukte zur Verfügung. Solch universelle Sprachfeatures ignorieren jedoch die spezifischen Anforderungen, die viele Softwareprojekte mit sich bringen.
Als Gegenkraft zu Universalsprachen fördern domänenspezifische Programmiersprachen, modellgetriebene Softwareentwicklung und sprachorientierte Programmierung die Verwendung von Domänenabstraktion, welche den Einsatz von domänenspezifischen Sprachfeatures und Sprachkonstrukten ermöglicht. Insbesondere erlaubt Domänenabstraktion Programmieren auf dem selben Abstraktionsniveau zu programmieren wie zu denken und vermeidet dadurch die Notwendigkeit Domänenkonzepte mit universalsprachlichen Features zu kodieren.
Leider ermöglichen aktuelle Ansätze zur Domänenabstraktion nicht die Entfaltung ihres ganzen Potentials. Einerseits mangelt es den Ansätzen für interne domänenspezifische Sprachen an Flexibilität bezüglich der Syntax, statischer Analysen, und Werkzeugunterstützung, was das tatsächlich erreichte Abstraktionsniveau beschränkt. Andererseits mangelt es den Ansätzen für externe domänenspezifische Sprachen an wichtigen Prinzipien, wie beispielsweise modularem Schließen oder Komposition von Domänenabstraktionen, was die Anwendbarkeit dieser Ansätze in der Entwicklung größerer Softwaresysteme einschränkt. Wir verfolgen in der vorliegenden Doktorarbeit einen neuartigen Ansatz, welcher die Vorteile von internen und externen domänenspezifischen Sprachen vereint um flexible und prinzipientreue Domänenabstraktion zu unterstützen.
Wir schlagen bibliotheksbasierte erweiterbare Programmiersprachen als Grundlage für Domänenabstraktion vor. In einer erweiterbaren Sprache kann Domänenabstraktion durch die Erweiterung der Sprache mit domänenspezifischer Syntax, statischer Analyse, und Werkzeugunterstützung erreicht werden . Dies ermöglicht Domänenabstraktionen die selbe Flexibilität wie externe domänenspezifische Sprachen. Um die Einhaltung üblicher Prinzipien zu gewährleisten, organisieren wir Spracherweiterungen als Bibliotheken und verwenden einfache Import-Anweisungen zur Aktivierung von Erweiterungen. Dies erlaubt modulares Schließen (durch die Inspektion der Import-Anweisungen), unterstützt die Komposition von Domänenabstraktionen (durch das Importieren mehrerer Erweiterungen), und ermöglicht die uniforme Selbstanwendbarkeit von Spracherweiterungen in der Entwicklung zukünftiger Erweiterungen (durch das Importieren von Erweiterungen in einer Erweiterungsdefinition). Die Organisation von Erweiterungen in Form von Bibliotheken ermöglicht Domänenabstraktionen die selbe Prinzipientreue wie interne domänenspezifische Sprachen.
Wir haben die bibliotheksbasierte erweiterbare Programmiersprache SugarJ entworfen und implementiert. SugarJ Bibliotheken können Erweiterungen der Syntax, der statischen Analyse, und der Werkzeugunterstützung von SugarJ deklarieren. Eine syntaktische Erweiterung besteht dabei aus einer erweiterten Syntax und einer Transformation der erweiterten Syntax in die Basissyntax von SugarJ. Eine Erweiterung der Analyse testet Teile des abstrakten Syntaxbaums der aktuellen Datei und produziert eine Liste von Fehlern. Eine Erweiterung der Werkzeugunterstützung deklariert Dienste wie Syntaxfärbung oder Codevervollständigung für bestimmte Sprachkonstrukte. SugarJ Erweiterungen sind vollkommen selbstanwendbar: Eine erweiterte Syntax kann in eine Erweiterungsdefinition transformiert werden, eine erweiterte Analyse kann Erweiterungsdefinitionen testen, und eine erweiterte Werkzeugunterstützung kann Entwicklern beim Definieren von Erweiterungen assistieren. Um eine Quelldatei mit Erweiterungen zu verarbeiten, inspizieren der SugarJ Compiler und die SugarJ IDE die importierten Bibliotheken um die aktiven Erweiterungen zu bestimmen. Der Compiler und die IDE adaptieren den Parser, den Codegenerator, die Analyseroutine und die Werkzeugunterstützung der Quelldatei entsprechend der aktiven Erweiterungen.
Wir beschreiben in der vorliegenden Doktorarbeit nicht nur das Design und die Implementierung von SugarJ, sondern berichten darüber hinaus über Erweiterungen unseres ursprünglich Designs. Insbesondere haben wir eine Generalisierung des SugarJ Compilers entworfen und implementiert, die neben Java alternative Basissprachen unterstützt. Wir haben diese Generalisierung verwendet um die bibliotheksbasierten erweiterbaren Programmiersprachen SugarHaskell, SugarProlog, und SugarFomega zu entwickeln. Weiterhin haben wir SugarJ ergänzt um polymorphe Domänenabstraktion und Kommunikationsintegrität zu unterstützen. Polymorphe Domänenabstraktion ermöglicht Programmierern mehrere Transformationen für die selbe domänenspezifische Syntax bereitzustellen. Dies erhöht die Flexibilität von SugarJ und unterstützt bekannte Szenarien aus der modellgetriebenen Entwicklung. Kommunikationsintegrität spezifiziert, dass die Komponenten eines Softwaresystems nur über explizite Kanäle kommunizieren dürfen. Im Kontext von Codegenerierung stellt dies eine interessante Eigenschaft dar, welche die Generierung von impliziten Modulabhängigkeiten untersagt. Wir haben Kommunikationsintegrität als weiteres Prinzip zu SugarJ hinzugefügt.
Basierend auf SugarJ und zahlreicher Fallstudien argumentieren wir, dass flexible und prinzipientreue Domänenabstraktion ein skalierbares Programmiermodell für die Entwicklung komplexer Softwaresysteme darstellt
Transformations of High-Level Synthesis Codes for High-Performance Computing
Specialized hardware architectures promise a major step in performance and
energy efficiency over the traditional load/store devices currently employed in
large scale computing systems. The adoption of high-level synthesis (HLS) from
languages such as C/C++ and OpenCL has greatly increased programmer
productivity when designing for such platforms. While this has enabled a wider
audience to target specialized hardware, the optimization principles known from
traditional software design are no longer sufficient to implement
high-performance codes. Fast and efficient codes for reconfigurable platforms
are thus still challenging to design. To alleviate this, we present a set of
optimizing transformations for HLS, targeting scalable and efficient
architectures for high-performance computing (HPC) applications. Our work
provides a toolbox for developers, where we systematically identify classes of
transformations, the characteristics of their effect on the HLS code and the
resulting hardware (e.g., increases data reuse or resource consumption), and
the objectives that each transformation can target (e.g., resolve interface
contention, or increase parallelism). We show how these can be used to
efficiently exploit pipelining, on-chip distributed fast memory, and on-chip
streaming dataflow, allowing for massively parallel architectures. To quantify
the effect of our transformations, we use them to optimize a set of
throughput-oriented FPGA kernels, demonstrating that our enhancements are
sufficient to scale up parallelism within the hardware constraints. With the
transformations covered, we hope to establish a common framework for
performance engineers, compiler developers, and hardware developers, to tap
into the performance potential offered by specialized hardware architectures
using HLS
Toolflows for Mapping Convolutional Neural Networks on FPGAs: A Survey and Future Directions
In the past decade, Convolutional Neural Networks (CNNs) have demonstrated
state-of-the-art performance in various Artificial Intelligence tasks. To
accelerate the experimentation and development of CNNs, several software
frameworks have been released, primarily targeting power-hungry CPUs and GPUs.
In this context, reconfigurable hardware in the form of FPGAs constitutes a
potential alternative platform that can be integrated in the existing deep
learning ecosystem to provide a tunable balance between performance, power
consumption and programmability. In this paper, a survey of the existing
CNN-to-FPGA toolflows is presented, comprising a comparative study of their key
characteristics which include the supported applications, architectural
choices, design space exploration methods and achieved performance. Moreover,
major challenges and objectives introduced by the latest trends in CNN
algorithmic research are identified and presented. Finally, a uniform
evaluation methodology is proposed, aiming at the comprehensive, complete and
in-depth evaluation of CNN-to-FPGA toolflows.Comment: Accepted for publication at the ACM Computing Surveys (CSUR) journal,
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