many updates
[phd-thesis.git] / introduction / introduction.tex
index 9440d43..384fe48 100644 (file)
@@ -5,6 +5,12 @@
        \pagenumbering{arabic}
 }{}
 \chapter{Introduction}%
+%\setlength{\epigraphwidth}{.5\textwidth}%
+%\epigraphhead[30]{
+%      A \textbf{rhapsody} in music is a one-movement work that is episodic yet integrated, free-flowing in structure, featuring a range of highly contrasted moods, colour, and tonality. An air of spontaneous inspiration and a sense of improvisation make it freer in form than a set of variations.
+%}{%
+%      Wikipedia~\cite{wikipedia_contributors_rhapsody_2022}
+%}%
 \label{chp:introduction}
 The sheer number of connected devices around us is increasing exponentially.
 First and foremost, these devices are driven by software.
@@ -14,7 +20,7 @@ This thesis is about \ldots
 \section{Internet of Things}
 \todo[inline]{add more citations and rewrite to make modern}
 The \gls{IOT} is growing rapidly and it is changing the way people and machines interact with the world.
-While the term \gls{IOT} briefly gained interest around 1999 to describe the communication of \gls{RFID} devices~\cite{}, it probably already popped up halfway the eigthies in a speech by Peter T. Lewis~\cite{peter_t_lewis_speech_1985}.
+While the term \gls{IOT} briefly gained interest around 1999 to describe the communication of \gls{RFID} devices~\todo{cite}, it probably already popped up halfway the eigthies in a speech by Peter T. Lewis~\cite{peter_t_lewis_speech_1985}.
 
 \begin{quote}
        The \acrlong{IOT}, or \acrshort{IOT}, is the integration of people, processes and technology with connectable devices and sensors to enable remote monitoring, status, manipulation and evaluation of trends of such devices.
@@ -155,20 +161,211 @@ This approach to software development is also called \gls{TOSD}~\cite{wang_maint
                \todo{dit moet beter}
 \end{description}
 
-\section{Thesis outline}
+\section{Outline}
+\todo[inline]{uitbreiden}
+%\epigraph{%
+%      \textbf{rhapsody} /\textipa{['r\ae{}ps@di]}/ \emph{noun} (pl.\ \textbf{-ies}) a piece of music that is full of feeling and is not regular in form: Liszt's Hungarian Rhapsodies.
+%}{%
+%      Oxford Advanced Learners Dictionary~\cite{margaret_deuter_rhapsody_2015}.
+%}
+This thesis is structured as a purely functional rhapsody.
+On Wikipedia, a rhapsody is defined as follows~\cite{wikipedia_contributors_rhapsody_2022}:
+\begin{quote}
+       A \textbf{rhapsody} in music is a one-movement work that is episodic yet integrated, free-flowing in structure, featuring a range of highly contrasted moods, colour, and tonality. An air of spontaneous inspiration and a sense of improvisation make it freer in form than a set of variations.
+\end{quote}
+
+This thesis follows the tradition and consists of three movements that are episodic yet integrated.
+\Cref{prt:dsl} is about \gls{EDSL} techniques, \cref{prt:top} elaborates on \gls{TOP} for the \gls{IOT} and \cref{prt:tvt} compares traditional tiered \gls{IOT} architectures to a tierless architectures such as \gls{TOP}.
+The movements are readable independently if the reader is familiarised with the background material provided in \cref{chp:introduction}.
+The thesis wraps up with \cref{chp:conclusion} that provides a conclusion and an outlook on future work.
+
+\subsection{\Cref{prt:dsl}: Domain-specific languages}
+This movement is a cumulative or paper-based movement that focusses on techniques for embedding \glspl{DSL} in functional programming lanugages.
+After reading the first chapter, subsequent chapters in this movement are readable as independently.
+
+\subsubsection{\Cref{chp:dsl_embedding_techniques}}
+This chapter shows all the basic techniques and compares the properties of several embedding methods.
+This chapter is not based on a paper and written as a background for the subsequent chapters in the movement.
+
+\subsubsection{\Cref{chp:classy_deep_embedding}} 
+This chapter is based on the paper: \emph{Deep Embedding with Class}~\todo{cite when published}.
+
+During a Master's thesis supervision~\cite{amazonas_cabral_de_andrade_developing_2018}, focussing on an early version of \gls{MTASK}, a seed was planted for a novel deep embedding technique for \glspl{DSL} where the resulting language is extendible both in constructs and in interpretation using type classes and existential data types.
+Slowly the ideas organically grew to form the technique shown in the paper.
+
+The research from this paper and writing the paper was solely performed by me.
+
+\subsubsection{\Cref{chp:first-class_datatypes}} shows how to inherit data types in \glspl{EDSL} using metaprogramming.
+This chapter is based on the paper: \emph{First-Class Data Types in Shallow Embedded Domain-Specific Languages using Metaprogramming}~\todo{cite when accepted}.
+
+The research in this paper and writing the paper was performed by me, though there were weekly meetings with Pieter Koopman and Rinus Plasmeijer in which we discussed and refined the ideas.
+
+\subsubsection{\Cref{chp:strongly-typed_multi-view_stack-based_computations}} shows how to use advanced \gls{DSL} techniques to embed type safe stack-based computations in a host language.
+This chapter is based on the paper: \emph{Strongly-Typed Multi-View Stack-Based Computations}~\todo{cite when accepted}.
+\todo{Zal ik dit paper wel opnemen? Aangezien Pieter het grotendeels gedaan heeft?}
+
+I supported Pieter Koopman in performing the research in this paper by writing some of the software.
+The paper was mostly written by Pieter Koopman\todo{probably will be}.
+
+\subsection{\Cref{prt:top}: Task-oriented \texorpdfstring{\acrlong{IOT}}{internet of things} programming }
+This part is a monograph focussing on \glspl{TOP} for the \gls{IOT}.
+Therefore, the chapters depend on eachother and are best read in order.
+The monograph is compiled from the following papers and revised lecture notes.
+
+\begin{itemize}
+       \item \bibentry{koopman_task-based_2018}.
+
+               This was the initial \gls{TOP}/\gls{MTASK} paper.
+               Pieter Koopman wrote it but I helped with the software and research.
+       \item \bibentry{lubbers_task_2018}.
+               
+               This paper was an extension of my Master's thesis~\cite{lubbers_task_2017}.
+               It shows how a simple imperative variant of \gls{MTASK} was integrated with \gls{ITASK}.
+               While the language was a lot different than later versions, the integration mechanism is still used in \gls{MTASK} today.
+
+               The research in this paper and writing the paper was performed by me, though there were weekly meetings with Pieter Koopman and Rinus Plasmeijer in which we discussed and refined the ideas.
+       \item \bibentry{lubbers_multitasking_2019}.
+
+               This paper was a short paper on the multitasking capabilities of \gls{MTASK} in contrast to traditional multitasking methods for \gls{ARDUINO}.
+       \item \emph{Simulation of a Task-Based Embedded Domain Specific Language for the Internet of Things}~\todo{cite when published}
+
+               These revised lecture notes are from a course on the \gls{MTASK} simulator was provided at the 2018 CEFP/3COWS winter school in Ko\v{s}ice, Slovakia.
+
+               Pieter Koopman wrote and taught it though I helped with the software and research.
+       \item \emph{Writing Internet of Things applications with Task Oriented Programming}~\todo{cite when published}
+
+               These revised lecture notes are from a course on programming in \gls{MTASK} provided at the 2019 CEFP/3COWS summer school in Budapest, Hungary.
+
+               Pieter prepared half of the lecture. I wrote the lecture notes, prepared the other half of the lecture, the assignments and practical session.
+       \item \bibentry{lubbers_interpreting_2019}.
+
+               This paper showed an implementation for \gls{MTASK} for microcontrollers in the form of a compilation scheme and informal semantics description.
+
+               The research in this paper and writing the paper was performed by me, though there were weekly meetings with Pieter Koopman and Rinus Plasmeijer in which we discussed and refined the ideas.
+       \item \emph{Reducing the Power Consumption of IoT with Task-Oriented Programming}~\todo{cite when published}
+
+               This paper shows how to create a scheduler so that devices running \gls{MTASK} tasks can go to sleep more automatically.
+               Furthermore, it shows how to integrate hardware interrupts into \gls{MTASK}.
+               The research was carried out by Sjoerd Crooijmans during his Master's thesis~\cite{crooijmans_reducing_2021}.
+               I did the daily supervision and helped with the research, Pieter Koopman was the formal supervisor and wrote most of the paper.
+       \item \emph{Asynchronous Shared Data Sources}~\todo{cite when accepted}
+
+               \todo[inline]{This paper could in theory be dropped in favour of being done sooner with the thesis}
+
+               Asynchronous \glspl{SDS} are used in the current \gls{ITASK} system and allow bigger \gls{IOT} devices such as raspberry pi's to be used in a tierless \gls{ITASK} system.
+               The example application shown in \cref{prt:tvt} heavily uses asynchronous \glspl{SDS}.
+               This paper shows how to lift \glspl{SDS} to operate asynchronously independent of \gls{ITASK} or another \gls{TOP} implementation.
+
+               The initial research was carried out by Haye B\"ohm during his Master's thesis~\cite{bohm_asynchronous_2019}.
+               I did the daily supervision and helped with the research, Pieter Koopman and Rinus Plasmeijer were the formal supervisors.
+               I extended and generalised the research and wrote the paper.
+       \item \emph{Green Computing for the Internet of Things}~\todo[inline]{cite when done}
+
+               These revised lecture notes are from a course on sustainable programming using \gls{MTASK} provided at the 2022 Sustrainable summer school in Rijeka, Croatia.
+
+               Pieter prepared half of the lecture. I wrote the lecture notes, prepared the other half of the lecture, the assignments and the practical session.
+\end{itemize}
+
+The movement is made up out of the following chapters
+\todo[inline]{preliminary}
+
+\begin{itemize}
+       \item The mTask language (includes informal semantics)
+               \begin{itemize}
+                       \item Expressions
+                       \item Functions
+                       \item Tasks
+                       \item Shares
+                       \item Peripherals
+               \end{itemize}
+       \item Interpretations/views/backends\todo{decide on terminology}
+       \item Green computing
+       \item Integration with iTask
+       \item Implementation (based on IFL19 paper)
+       \item TOP for IoT beyond microprocessors
+\end{itemize}
+
+\subsection{\Cref{prt:tvt}: Tiered versus tierless programming}
+These chapters focus on comparing traditional tiered architectures to tierless architectures and are based on a single journal paper that extended on a conference paper.
+The conference paper was partly funded by the Radboud-Glasgow Collaboration Fund.
+It does both a qualitative and a quantitative four-way comparison of a smart campus application.
+
+The research in these papers and writing them was performed by all authors.
+I created the server application, the \gls{CLEAN}/\gls{ITASK}/\gls{MTASK} implementation (\acrshort{CWS}) and the \gls{CLEAN}/\gls{ITASK} implementation (\acrshort{CRS})
+Adrian Ramsingh created the micropython implementation (\acrshort{PWS}), the original python implementation (\acrshort{PRS}) and the server application were created by Jeremy Singer, Dejice Jacob and Kristian Hentschel~\cite{hentschel_supersensors:_2016}.
+
+\begin{itemize}
+       \item \bibentry{lubbers_tiered_2020}.
+       \item \emph{Could Tierless Languages Reduce IoT Development Grief?}~\todo[inline]{cite when accepted}
+\end{itemize}
+
+\newcounter{secondauthorcnt}
+\newcounter{underreviewcnt}
+\newcounter{plannedcnt}
+\newcounter{publicationscnt}
+\newcommand{\secondauthor}{\textsuperscript{$\ast$}\stepcounter{secondauthorcnt}}
+\newcommand{\underreview}{\textsuperscript{$\dagger$}\stepcounter{underreviewcnt}}
+\newcommand{\planned}{\textsuperscript{$\ddagger$}\stepcounter{plannedcnt}}
+
+\subsection{List of publications}
+\begin{enumerate}
+       \item \secondauthor{}
+               A Task-Based DSL for Microcomputers
+
+               P. Koopman\footnote{\orcid{0000-0002-3688-0957}}, M. Lubbers\footnote{\orcid{0000-0002-4015-4878}}, and R. Plasmeijer (RWDSL 2018)~\cite{koopman_task-based_2018}.
+       \item Task Oriented Programming and the Internet of Things
+
+               M. Lubbers, P. Koopman, and R. Plasmeijer (IFL 2018)~\cite{lubbers_task_2017} (extension of Master's thesis~\cite{lubbers_task_2018}).
+       \item Multitasking on Microcontrollers using Task Oriented Programming
+
+               M. Lubbers, P. Koopman, and R. Plasmeijer (MIPRO/4COWS 2019)~\cite{lubbers_multitasking_2019}.
+       \item \secondauthor{}
+               Simulation of a Task-Based Embedded Domain Specific Language for the Internet of Things
+
+               P. Koopman, M. Lubbers, and R. Plasmeijer (CEFP/3COWS 2018).
+       \item Writing Internet of Things applications with Task Oriented Programming
+
+               M. Lubbers, P. Koopman, and R. Plasmeijer (CEFP/3COWS 2019).
+       \item Interpreting Task Oriented Programs on Tiny Computers
+
+               M. Lubbers, P. Koopman, and R. Plasmeijer (IFL 2019)~\cite{lubbers_interpreting_2019}.
+       \item Tiered versus Tierless IoT Stacks: Comparing Smart Campus Software Architectures
+
+               M. Lubbers, P. Koopman, A. Ramsingh\footnote{\orcid{0000-0003-3501-902X}}, J. Singer\footnote{\orcid{0000-0001-9462-6802}}, and P. Trinder\footnote{\orcid{0000-0003-0190-7010}} (IoT 2020)~\cite{lubbers_tiered_2020}.
+
+       % in press
+       \item Deep Embedding with Class
+
+               M. Lubbers (TFP 2022).
+       \item \secondauthor{}
+               Reducing the Power Consumption of IoT with Task-Oriented Programming
+
+               S. Crooijmans, M. Lubbers, and P. Koopman (TFP 2022).
+
+       %Under review
+       \item \underreview{} Could Tierless Languages Reduce IoT Development Grief?
+
+               M. Lubbers, P. Koopman, A. Ramsingh, J. Singer, and P. Trinder (ACM TIOT) (extension of~\cite{lubbers_tiered_2020}).
+       \item \secondauthor\underreview{}
+               Strongly-Typed Multi-View Stack-Based Computations
+
+               M. Lubbers and P. Koopman (IFL 2022 under review).
+       \item \underreview{} First-Class Data Types in Shallow Embedded Domain-Specific Languages using Metaprogramming
 
-\todo[inline]{reference correct chapters}
-Chapters 0 and 0 are based on the paper \emph{A Task-Based \acrshort{DSL} for Microcomputers}~\cite{koopman_task-based_2018}.
+               M. Lubbers, P. Koopman, and R. Plasmeijer (IFL 2022 under review).
+       \item \underreview{} Asynchronous Shared Data Sources
 
-Chapters 0 and 0 are based on the Master's thesis and paper \emph{\glst{TOP} and the \glst{IOT}}~\cite{lubbers_task_2017,lubbers_task_2018}.
+               M. Lubbers, H. Böhm, P. Koopman, and R. Plasmeijer (IFL 2022 under review).
 
-Chapters 0 and 0 are based on the paper \emph{Multitasking on Microcontrollers using \glst{TOP}}~\cite{lubbers_multitasking_2019}.
+       %Planned
+       \item \planned{} Green Computing for the Internet of Things
 
-Chapters 0 and 0 are based on the paper \emph{Tiered versus Tierless \acrshort{IOT} Stacks: Comparing Smart Campus Software Architectures}~\cite{lubbers_tiered_2020}.
+               M. Lubbers, P. Koopman (Sustrainable 2022 planned).
 
-Chapters 0 and 0 are based on the paper \emph{Interpreting \glst{TOP} Programs on Tiny Computers}~\cite{lubbers_interpreting_2019}.
+               \setcounter{publicationscnt}{\value{enumi}}
+\end{enumerate}
 
-Chapters 0 and 0 are based on the paper \emph{Writing \glst{IOT} applications with \glst{TOP}}~\cite{lubbers_writing_2019}.
+There are \thepublicationscnt{} publications of which \thesecondauthorcnt{} I'm second author, \theunderreviewcnt{} are under review and \theplannedcnt{} are planned.
 
 \input{subfilepostamble}
 \end{document}