presentation start
[msc-thesis1617.git] / results.mtask.tex
index a498dce..c6adefb 100644 (file)
-\section{mTask}
-\subsection{Extension on the \gls{mTask}-\gls{EDSL}}
-Some functionality of the original \gls{mTask}-\gls{EDSL} will not be used in
-this sytem. Conversely, some functionality wanted was not available in the
-original system. Due to the nature of class based shallow embedding this is
-very easy to solve. A type housing the \gls{EDSL} does not have to implement
+The \glspl{Task} suitable for a client are called \gls{mTask}-\gls{Task} and
+are written in the aforementioned \gls{mTask}-\gls{EDSL}. Some functionality of
+the original \gls{mTask}-\gls{EDSL} will not be used in this system.
+Conversely, some functionality needed was not available in the existing
+\gls{EDSL}. Due to the nature of class based shallow embedding this obstacle is
+easy to solve. A type --- housing the \gls{EDSL} --- does not have to implement
 all the available classes. Moreover, classes can be added at will without
 interfering with the existing views.
 all the available classes. Moreover, classes can be added at will without
 interfering with the existing views.
-\todo{Aanpassingen aan de mTask DSL}
 
 
-\subsection{Semantics}
-\todo{Uitleggen wat het systeem precies doet}
+\section{\gls{Task} Semantics}
+The current \gls{mTask} engine for devices does not support \glspl{Task} in the
+sense that the \gls{C}-view does. \Glspl{Task} used with the \gls{C}-view are a
+main program that executes code and launches \glspl{Task}. It was also possible
+to just have a main program. The current \gls{mTask}-system only supports main
+programs. Sending a \gls{Task} always goes together with choosing a scheduling
+strategy. This strategy can be one of the following three strategies as
+reflected in the \CI{MTTask} message type.
 
 
-\subsection{Bytecode compilation view}
-\todo{Uitwijden hierop}
+\begin{itemize}
+       \item\CI{OneShot}
 
 
-\section{iTasks}
-\subsection{Shares}
-\todo{Semantiek van shares, hoe ze in iTasks zijn, hoe typering}
+               \CI{OneShot} takes no parameters and means that the \gls{Task} will run
+               once and will then be removed automatically. This type of scheduling
+               could be useful, for example, in retrieving sensor information on
+               request of a user.
+       \item\CI{OnInterval}
 
 
-\subsection{Lifting}
-\todo{Lift mTask taken naar echte taken, hoe werkt dat?}
+               \CI{OnInterval} has the number of milliseconds to wait in between
+               executions as a parameter. \Glspl{Task} running with this scheduling
+               method are executed at predetermined intervals.
+       \item\CI{OnInterrupt}
 
 
-\section{Demo}
-\todo{Wat voorbeeld code}
+               The last scheduling method is running \glspl{Task} on a specific
+               interrupt. Unfortunatly, due to time constraints and focus, none of the
+               current client implementations support this. Interrupt scheduling is
+               useful for \glspl{Task} that have to react on a certain type of
+               hardware event such as the press of a button.
+\end{itemize}
+
+\section{\gls{SDS} semantics}
+\Glspl{SDS} on a client are available on the server as well as regular
+\glspl{SDS}. However, the same freedom is not given for \glspl{SDS} that
+reside on the client. Not all types are suitable to be located on a client,
+simply because it needs to be serializable and representable on clients.
+Moreover, \glspl{SDS} behave a little different in an \gls{mTask} device
+compared to in the \gls{iTasks} system. In an \gls{iTasks} system, when the
+\gls{SDS} is updated, a broadcast to all watching \glspl{Task} in the system
+is made to notify them of the update. \glspl{SDS} can update often and the
+update might not be the final value it will get. Implementing the same
+functionality on the \gls{mTask} client would result in a lot of expensive
+unneeded bandwidth usage. Therefore a device must publish the \gls{SDS}
+explicitly to save bandwidth.
+
+To add this functionality, the \CI{sds} class could be extended. However, this
+would result in having to update all existing views that use the \CI{sds}
+class. Therefore, an extra class is added that contains the extra
+functionality. Programmers can choose to implement it for existing views in the
+future but are not obliged to. The publication function has the following
+signature:
+\begin{lstlisting}[caption={The \texttt{sdspub} class}]
+class sdspub v where
+  pub :: (v t Upd) -> v t Expr | type t
+\end{lstlisting}
+
+\section{Bytecode compilation view}\label{sec:compiler}
+The \gls{mTask}-\glspl{Task} are sent to the device in bytecode and are saved
+in the memory of the device. To compile the \gls{EDSL} code to bytecode, a view
+is added to the \gls{mTask}-system encapsulated in the type \CI{ByteCode}. As
+shown in Listing~\ref{lst:bcview}, the \CI{ByteCode} view is a boxed \gls{RWST}
+that writes bytecode instructions (\CI{BC}, Subsection~\ref{sec:instruction})
+while carrying around a \CI{BCState}. The state is kept between compilations
+and is unique to a device.  The state contains fresh variable names and a
+register of \glspl{SDS} that are used.
+
+Types implementing the \gls{mTask} classes must have two free type variables.
+Therefore the \gls{RWST} is wrapped with a constructor and two phantom type
+variables are added. This means that the programmer has to unbox the
+\CI{ByteCode} object to be able to make use of the \gls{RWST} functionality
+such as return values. Tailor made access functions are used to achieve this
+with ease. The fresh variable stream in a compiler using a \gls{RWST} is often
+put into the \emph{Reader} part of the monad. However, not all code is compiled
+immediately and later on the fresh variable stream cannot contain variables
+that were used before. Therefore this information is put in the state which is
+kept between compilations.
+
+Not all types are suitable for usage in bytecode compiled programs. Every value
+used in the bytecode view must fit in the \CI{BCValue} type which restricts
+the content. Most notably, the type must be bytecode encodable. A \CI{BCValue}
+must be encodable and decodable without losing type or value information. At
+the moment a simple encoding scheme is used that uses single byte prefixes to
+detect the type of the value. The devices know these prefixes and can apply the
+same detection if necessary.
+
+\begin{lstlisting}[label={lst:bcview},caption={Bytecode view}]
+:: ByteCode a p = BC (RWS () [BC] BCState ())
+:: BCValue = E.e: BCValue e & mTaskType, TC e
+:: BCShare =
+       { sdsi :: Int
+       , sdsval :: BCValue
+       }
+:: BCState = 
+       { freshl :: Int
+       , freshs :: Int
+       , sdss :: [BCShare]
+       }
+
+class toByteCode a :: a -> String
+class fromByteCode a :: String -> a
+class mTaskType a | toByteCode, fromByteCode, iTask, TC a
+
+instance toByteCode Int, ... , UserLED, BCValue
+instance fromByteCode Int, ... , UserLED, BCValue
+
+instance arith ByteCode
+...
+instance serial ByteCode
+\end{lstlisting}
+
+\subsection{Instruction Set}\label{sec:instruction}
+The instruction set is given in Listing~\ref{bc:instr}. The instruction set is
+kept large, but under $255$, to get as much expressieve power as possible while
+keeping all instruction within one byte.
+
+The interpreter running in the client is a stack machine. The virtual
+instruction \CI{BCLab} is added to allow for an easy implementation of jumping.
+However, this is not a real instruction and the labels are resolved to actual
+program memory addresses in the final step of compilation to save instructions
+and avoid label lookups at runtime.
+
+\begin{lstlisting}[label={bc:instr},%
+       caption={Bytecode instruction set}]
+:: BC = BCNop
+       | BCLab Int          | BCPush BCValue     | BCPop
+       //SDS functions
+       | BCSdsStore BCShare | BCSdsFetch BCShare | BCSdsPublish BCShare
+       //Unary ops
+       | BCNot
+       //Binary Int ops
+       | BCAdd              | BCSub              | BCMul
+       | BCDiv
+       //Binary Bool ops
+       | BCAnd              | BCOr
+       //Binary ops
+       | BCEq               | BCNeq              | BCLes             | BCGre
+       | BCLeq              | BCGeq
+       //Conditionals and jumping
+       | BCJmp Int          | BCJmpT Int         | BCJmpF Int
+       //UserLED
+       | BCLedOn            | BCLedOff
+       //Pins
+       | BCAnalogRead Pin   | BCAnalogWrite Pin  | BCDigitalRead Pin | BCDigitalWrite Pin
+       //Return
+       | BCReturn
+\end{lstlisting}
+
+All single byte instructions are converted automatically using a generic
+function which returns the index of the constructor. The index of the
+constructor is the byte value for all instructions. Added to this single byte
+value are the encoded parameters of the instruction. The last step of the
+compilation is transforming the list of bytecode instructions to actual bytes.
+
+\subsection{Helper functions}
+Since the \CI{ByteCode} type is just a boxed \gls{RWST}, access to the whole
+range of \gls{RWST} functions is available. However, to use this, the type must
+be unboxed. After application the type must be boxed again. To achieve this,
+several helper functions have been created. They are given in
+Listing~\ref{lst:helpers}. The \CI{op} and \CI{op2} functions is hand-crafted
+to make operators that pop one or two values off the stack respectively. The
+\CI{tell`} function is a wrapper around the \gls{RWST} function \CI{tell} that
+appends the argument to the \emph{Writer} value.
+
+\begin{lstlisting}[label={lst:helpers},caption={Some helper functions}]
+op2 :: (ByteCode a p1) (ByteCode a p2) BC -> ByteCode b Expr
+op2 (BC x) (BC y) bc = BC (x >>| y >>| tell [bc])
+
+op :: (ByteCode a p) BC -> ByteCode b c
+op (BC x) bc = BC (x >>| tell [bc])
+
+tell` :: [BC] -> (ByteCode a p)
+tell` x = BC (tell x)
+
+unBC :: (ByteCode a p) -> RWS () [BC] BCState ()
+unBC (BC x) = x
+\end{lstlisting}
+
+\subsection{Arithmetics \& Peripherals}
+Almost all of the code from the simple classes exclusively use helper
+functions. Listing~\ref{lst:arithview} shows some implementations. The
+\CI{boolExpr} class and the classes for the peripherals are implemented using
+the same strategy.
+
+\begin{lstlisting}[label={lst:arithview},caption={%
+       Bytecode view implementation for arithmetic and peripheral classes}]
+instance arith ByteCode where
+       lit x = tell` [BCPush (BCValue x)]
+       (+.) x y = op2 x y BCDiv
+       ...
+
+instance userLed ByteCode where
+       ledOn  l = op l BCLedOn
+       ledOff l = op l BCLedOff
+\end{lstlisting}
+
+\subsection{Control Flow}
+Implementing the sequence operator is very straightforward in the bytecode
+view. The function just sequences the two \glspl{RWST}. The
+implementation for the \emph{If} statement speaks for itself in
+Listing~\ref{lst:controlflow}. First, all the labels are gathered after which
+they are placed in the correct order in the bytecode sequence. It can happen
+that multiple labels appear consecutively in the code. This is not a problem
+since the labels are resolved to real addresses later on anyway.
+
+\begin{lstlisting}[label={lst:controlflow},%
+       caption={Bytecode view for \texttt{arith} class}]
+freshlabel = get >>= \st=:{freshl}->put {st & freshl=freshl+1} >>| pure freshl
+
+instance If ByteCode Stmt Stmt Stmt where If b t e = BCIfStmt b t e
+instance If ByteCode e Stmt Stmt    where If b t e = BCIfStmt b t e
+instance If ByteCode Stmt e Stmt    where If b t e = BCIfStmt b t e
+instance If ByteCode x y Stmt       where If b t e = BCIfStmt b t e
+instance IF ByteCode where
+       IF b t e = BCIfStmt b t e
+       (?) b t = BCIfStmt b t (tell` [])
+BCIfStmt (BC b) (BC t) (BC e) = BC (
+       freshlabel >>= \else->freshlabel >>= \endif->
+       b >>| tell [BCJmpF else] >>|
+       t >>| tell [BCJmp endif, BCLab else] >>|
+       e >>| tell [BCLab endif]
+       )
+
+instance noOp ByteCode where
+       noOp = tell` [BCNop]
+\end{lstlisting}
+
+The semantics for the \gls{mTask}-\glspl{Task} bytecode view are different from
+the semantics of the \gls{C} view. \glspl{Task} in the \gls{C} view can start
+new \glspl{Task} or even start themselves to continue, while in the bytecode
+view, \glspl{Task} run indefinitly, one-shot or on interrupt. To allow interval
+and interrupt \glspl{Task} to terminate, a return instruction is added. This
+class was not available in the original system and is thus added. It just
+writes a single instruction so that the interpreter knows to stop execution.
+Listing~\ref{lst:return} shows the classes and implementation for the return
+expression.
+
+\begin{lstlisting}[label={lst:return},%
+       caption={Bytecode view for the return instruction}]
+class retrn v where
+  retrn :: v () Expr
+
+instance retrn ByteCode where
+       retrn = tell` [BCReturn]
+\end{lstlisting}
+
+\subsection{Shared Data Sources \& Assignment}
+Fresh \gls{SDS} are generated using the state and constructing one involves
+multiple steps.  First, a fresh identifier is grabbed from the state.  Then a
+\CI{BCShare} record is created with that identifier. A \CI{BCSdsFetch}
+instruction is written and the body is generated to finally add the \gls{SDS}
+to the actual state with the value obtained from the function. The exact
+implementation is shown in Listing~\ref{lst:shareview}.
+
+\begin{lstlisting}[label={lst:shareview},%
+       caption={Bytecode view for \texttt{arith}}]
+freshshare = get >>= \st=:{freshs}->put {st & freshs=freshs+1} >>| pure freshs
+
+instance sds ByteCode where
+       sds f = {main = BC (freshshare
+                       >>= \sdsi->pure {BCShare|sdsi=sdsi,sdsval=BCValue 0}
+                       >>= \sds->pure (f (tell` [BCSdsFetch sds]))
+                       >>= \(v In bdy)->modify (addSDS sds v)
+                       >>| unBC (unMain bdy))
+               }
+instance sdspub ByteCode where
+       pub (BC x) = BC (censor (\[BCSdsFetch s]->[BCSdsPublish s]) x)
+
+addSDS sds v s = {s & sdss=[{sds & sdsval=BCValue v}:s.sdss]}
+\end{lstlisting}
+
+All assignable types compile to a \gls{RWST} which writes the specific fetch
+instruction(s). For example, using an \gls{SDS} always results in an expression
+of the form \CI{sds \x=4 In ...}. The actual \CI{x} is the \gls{RWST} that
+always writes one \CI{BCSdsFetch} instruction with the correctly embedded
+\gls{SDS}.  Assigning to an analog pin will result in the \gls{RWST} containing
+the \CI{BCAnalogRead} instruction. When the operation on the assignable is not
+a read operation from but an assign operation, the instruction(s) will be
+rewritten accordingly. This results in a \CI{BCSdsStore} or \CI{BCAnalogWrite}
+instruction respectively. The implementation for this is given in
+Listing~\ref{lst:assignmentview}.
+
+\begin{lstlisting}[label={lst:assignmentview},%
+       caption={Bytecode view implementation for assignment.}]
+instance assign ByteCode where
+       (=.) (BC v) (BC e) = BC (e >>| censor makeStore v)
+
+makeStore [BCSdsFetch i]    = [BCSdsStore i]
+makeStore [BCDigitalRead i] = [BCDigitalWrite i]
+makeStore [...]             = [...]
+\end{lstlisting}
+
+\subsection{Actual Compilation}
+All the previous functions are tied together with the \CI{toMessages} function.
+This function compiles the bytecode and transforms the \gls{Task} to a message.
+The \glspl{SDS} that were not already sent to the device are also added as
+messages to be sent to the device. This functionality is shown in
+Listing~\ref{lst:compilation}. The compilation process consists of two steps.
+First, the \gls{RWST} is executed. Then, the \emph{Jump} statements that
+jump to labels are transformed to jump to program memory addresses. The
+translation of labels is possible in one sweep because fresh labels are reused.
+Reusing labels would not give a speed improvement since the labels are removed
+in the end.
+
+\begin{lstlisting}[label={lst:compilation},%
+       caption={Actual compilation.}]
+bclength :: BC -> Int
+bclength (BCPush s) = 1 + size (toByteCode s)
+bclength ... = ...
+bclength x = 1 + consNum{|*|} x
+
+computeGotos :: [BC] Int -> ([BC], Map Int Int)
+computeGotos [] _ = ([], newMap)
+computeGotos [BCLab l:xs] i = appSnd ('DM'.put l i) (computeGotos xs i)
+computeGotos [x:xs] i = appFst (\bc->[x:bc]) (computeGotos xs (i + bclength x))
+
+toRealByteCode :: (ByteCode a b) BCState -> (String, BCState)
+toRealByteCode x s
+# (s, bc) = runBC x s
+# (bc, gtmap) = computeGotos bc 1
+= (concat (map (toString o toByteVal) (map (implGotos gtmap) bc)), s)
+
+toMessages :: MTaskInterval (Main (ByteCode a b)) BCState -> ([MTaskMSGSend], BCState)
+toMessages interval x oldstate
+# (bc, newstate) = toRealByteCode (unMain x) oldstate
+# newsdss = difference newstate.sdss oldstate.sdss 
+= ([MTSds sdsi e\\{sdsi,sdsval=e}<-newsdss] ++ [MTTask interval bc], newstate)
+\end{lstlisting}
+
+\section{Examples}
+The thermostat example given previously in Listing~\ref{lst:exmtask} would be
+compiled to the following code. The left column indicates the
+position in the program memory.
+
+\begin{lstlisting}[caption={Thermostat bytecode},language=c]
+ 1-2 : BCAnalogRead (Analog A0)
+ 3-6 : BCPush (Int 50)
+ 7   : BCGre
+ 8-9 : BCJmpF 17                   //Jump to else
+10-12: BCPush (Bool 1)
+13-14: BCDigitalWrite (Digital D0)
+15-16: BCJmp 21                    //Jump to end of if
+17-19: BCPush (Bool 0)             //Else label
+20   : BCDigitalWrite (Digital D0)
+\end{lstlisting}
+\todo{More elaborate example}