change document structure to a more intuitive one
[msc-thesis1617.git] / results.arch.tex
index af7b57d..dda1247 100644 (file)
@@ -1,9 +1,9 @@
 \section{Overview \& Terminology}
 The goal of the architecture is to facilitate an ecosystem in which an
 \gls{iTasks}-system can add, change and remove devices at runtime. Moreover,
-the \gls{iTasks}-system can send \glspl{mTask}, compiled at runtime to
-bytecode, to the device. The device runs an interpreter which can execute the
-\gls{Task}'s bytecode. Devices are persistent during reboots of the
+the \gls{iTasks}-system can send \glspl{mTask} --- compiled at runtime to
+bytecode --- to the device. The device runs an interpreter which can execute
+the \gls{Task}'s bytecode. Devices are persistent during reboots of the
 \gls{iTasks}-system. The methods of interacting with \glspl{mTask} is analogous
 to interacting with \gls{iTasks}-\glspl{Task} and programmers can access the
 \glspl{SDS} made for a device in the same way as a regular \glspl{SDS}. The
@@ -13,11 +13,11 @@ following terms will be used throughout the architecture description.
        \item Device, Client
 
                This is the actual device connected to the system. This can be a real
-               device such as a microcontroller but also just a program on the same
-               machine as the server.
+               device such as a microcontroller but it can also just be a program on
+               the same machine as the server.
        \item Server, \gls{iTasks}-System
 
-               The actual executable serving the \gls{iTasks} interfaces. The system
+               The actual executable serving the \gls{iTasks} application. The system
                will contain \glspl{Task} taking care of the communication with the
                clients.
        \item System
@@ -26,11 +26,10 @@ following terms will be used throughout the architecture description.
                programs.
        \item Engine
 
-               The runtime system of the client. This system handles the communication
-               with the server and interprets the \glspl{Task}.
+               The runtime system of the client. This program handles the
+               communication with the server and interprets the \glspl{Task}.
 \end{itemize}
 
-
 \section{Devices}
 The engine for the devices is compiled from one codebase. For a device to
 be eligible for \glspl{mTask}, it must be able to compile the shared codebase
@@ -49,14 +48,14 @@ At the time of writing the following device families are supported and can run
 the device software.
 \begin{itemize}
        \item \texttt{POSIX} compatible systems
-               
+
                This includes systems running \emph{Linux} and \emph{MacOS}.
        \item \texttt{STM32} family microcontrollers supported by \texttt{ChibiOS}.
 
                This is tested in particular on the \texttt{STM32f7x} series \gls{ARM}
                development board.
-       \item Microcontrollers programmable by the \gls{Arduino} \gls{IDE}.\\
-               
+       \item Microcontrollers who are programmable in the \gls{Arduino} \gls{IDE}.\\
+
                This does not only include \gls{Arduino} compatible boards but also
                other boards capable of running \gls{Arduino} code. The code
                has been found working on the \texttt{ESP8266} powered \emph{NodeMCU}.
@@ -64,43 +63,96 @@ the device software.
                \emph{UNO} board that only boasts a meager \emph{2K} of \emph{RAM}.
 \end{itemize}
 
-\section{Specification}
-The servers stores a description for every device available in a record type
+\subsection{Interpreter}
+\todo{Structuur}
+The client contains an interpreter to execute a \gls{Task}'s bytecode.
+
+Before execution some preparatory work is done. The stack will be initialized
+and the program counter and stack pointer are set to zero and the bottom
+respectively. Then, the interpreter executes one step at the time while the
+program counter is smaller than the program length. The code for this is listed
+in Listing~\ref{lst:interpr}. One execution step is basically a big switch
+statement going over all possible bytecode instructions. Some instructions are
+detailed upon in the listing. The \CI{BCPush} instruction is a little more
+complicated in real life because some decoding will take place as not all
+\CI{BCValue}'s are of the same length.
+
+\begin{lstlisting}[language=C,label={lst:interpr},%
+       caption={Rough code outline for interpretation}]
+#define f16(p) program[pc]*265+program[pc+1]
+
+void run_task(struct task *t){
+       uint8_t *program = t->bc;
+       int plen = t->tasklength;
+       int pc = 0;
+       int sp = 0;
+       while(pc < plen){
+               switch(program[pc++]){
+               case BCNOP:
+                       break;
+               case BCPUSH:
+                       stack[sp++] = pc++ //Simplified
+                       break;
+               case BCPOP:
+                       sp--;
+                       break;
+               case BCSDSSTORE:
+                       sds_store(f16(pc), stack[--sp]);
+                       pc+=2;
+                       break;
+               // ...
+               case BCADD: trace("add");
+                       stack[sp-2] = stack[sp-2] + stack[sp-1];
+                       sp -= 1;
+                       break;
+               // ...
+               case BCJMPT: trace("jmpt to %d", program[pc]);
+                       pc = stack[--sp] ? program[pc]-1 : pc+1;
+                       break;
+}
+\end{lstlisting}
+
+\subsection{Specification}
+The server stores a description for every device available in a record type
 which are stored in a \gls{SDS}. From the macro settings in
 the interface file, a profile is created for the device that describes the
 specification. When a connection between the server and a client is established
 the server will send a request for specification. The client will serialize his
 specification and send it to the server so that the server knows what the
 client is capable of. The exact specification is shown in
-Listing~\ref{lst:devicespec}
+Listing~\ref{lst:devicespec} and stores the peripheral availability, the memory
+available for storing \glspl{Task} and \glspl{SDS} and the size of the stack.
 
 \begin{lstlisting}[label={lst:devicespec},
        caption={Device specification for \glspl{mTask}}]
 :: MTaskDeviceSpec =
        { haveLed     :: Bool
-       , haveAio     :: Bool
-       , haveDio     :: Bool
+       , haveLcd     :: Bool
+       , have...
        , bytesMemory :: Int
+       , stackSize   :: Int
+       , aPins       :: Int
+       , dPins       :: Int
        }
 \end{lstlisting}
 
-\section{Device Storage}
+\subsection{Device Storage}
 All devices available in the system are stored in a big \gls{SDS} that contains
 a list of \CI{MTaskDevice}s. The exact specification is defined as in
-Listing~\ref{lst:mtaskdevice} with the accompanying classes and types.
+Listing~\ref{lst:mtaskdevice} accompanied with the used classes and types.
 
 The \CI{deviceResource} component of the record must implement the
-\CI{MTaskDuplex} interface that provides a function that launches a task used
-for synchronizing the channels.  The \CI{deviceTask} stores the \gls{Task}-id
-for this \gls{Task} when active so that it can be checked upon. This top-level
-task has the duty to report thrown exceptions and occuring errors by setting
-the \CI{deviceError} field.  All communication goes via these channels. If the
-system wants to send a message to the device it just puts it in the channels.
-Messages sent from the client to the server are also placed in there. In the
-case of the \gls{TCP} device type the \gls{Task} is just a simple wrapper
-around the existing \CI{tcpconnect} function in \gls{iTasks}. In case of a
-device connected by a serial connection it uses the newly developed serial port
-library of \gls{Clean}\footnote{\url{%
+\CI{MTaskDuplex} interface that provides a function that launches a \gls{Task}
+used for synchronizing the channels.  The \CI{deviceTask} stores the
+\gls{Task}-id for this \gls{Task} when active so that it can be checked upon.
+This top-level task has the duty to report exceptions and errors as they are
+thrown by setting the \CI{deviceError} field. All communication goes via these
+channels. If the system wants to send a message to the device, it just puts it
+in the channels.  Messages sent from the client to the server are also placed
+in there. In the case of the \gls{TCP} device type, the \gls{Task} is just a
+simple wrapper around the existing \CI{tcpconnect} function in \gls{iTasks}. In
+case of a device connected by a serial connection, it uses the newly developed
+serial port library of \gls{Clean}\footnote{\url{%
 https://gitlab.science.ru.nl/mlubbers/CleanSerial}}.
 
 Besides all the communication information, the record also keeps track of the
@@ -108,10 +160,13 @@ Besides all the communication information, the record also keeps track of the
 Section~\ref{sec:compiler}) and the according \glspl{SDS}. Finally, it stores
 the specification of the device that is received when connecting. All of this
 is given in Listing~\ref{lst:mtaskdevice}. The definitions of the message
-format are explained in the following section.
+format are explained in the following section. Specialized shares are available
+per device. The internal mechanism for this is given in
+Chapter~\ref{chp:itasksint}.
 
 \begin{lstlisting}[caption={Device type},label={lst:mtaskdevice}]
-deviceStore :: Shared [MTaskDevice]
+deviceStoreNP :: Shared [MTaskDevice]
+deviceShare :: MTaskDevice -> Shared MTaskDevice
 
 :: Channels :== ([MTaskMSGRecv], [MTaskMSGSend], Bool)
 :: BCState = ... // Compiler state, explained in later sections
@@ -136,11 +191,118 @@ class MTaskDuplex a where
        synFun :: a (Shared Channels) -> Task ()
 \end{lstlisting}
 
+\section{iTasks}
+The server part of the system is written in \gls{iTasks}. Functions for
+managing devices, \glspl{Task} and \glspl{SDS} have been created to support the
+functionality. An interactive application has been created that allows an
+interactive management console for the \gls{mTask} system. This interface
+provides functionality to list \glspl{SDS}, add \glspl{Task}, remove
+\glspl{Task}, administrate devices and view the state of the system.
+
+\subsection{Integration}
+When the system starts up the devices from the previous execution still
+residing in the \gls{SDS} must be cleaned up. It might be the case that they
+contain \glspl{Task}, \glspl{SDS} or errors that are no longer applicable in
+this run. A user or programmer can later choose to reconnect to some devices.
+
+\begin{lstlisting}[caption={Starting up the devices},%
+       label={lst:startupdevs}]
+startupDevices :: Task [MTaskDevice]
+startupDevices = upd (map reset) deviceStoreNP
+       where reset d = {d & deviceTask=Nothing, deviceTasks=[], deviceError=Nothing}
+\end{lstlisting}
+
+An image of the management interface is shown in Figure~\ref{lst:manage}.
+The system management is done by a single \gls{Task} called \CI{mTaskManager}.
+To manage the system, a couple of different functionalities are needed and
+are launched. The left sidebar of the interface shows the list of example
+\glspl{Task} that are present in the system. When clicking a \gls{Task}, a
+dialog opens in which you can select the device to send the \gls{Task} to. The
+dialog might contain user specified variables. All example \glspl{mTask} are of
+the type \CI{Task (Main (ByteCode () Stmt))} and can thus ask for user input
+first.
+
+The bottom panel shows the device information. In this panel, the devices can
+be created and modified. Moreover, this panel allows the user to reconnect with
+a device after a restart of the server application.
+
+\begin{figure}[H]
+       \centering
+       \includegraphics[width=\linewidth]{manage}
+       \caption{The device management interface}\label{lst:manage}
+\end{figure}
+
+\subsection{Shares}
+The architecture of the system needs to keep track of the \glspl{SDS} stored on
+the client. \glspl{SDS} can be stored on only one device at the same time.
+that also stores the of devices. This means that if a \gls{SDS} updates,
+everyone watching it will be notified. This would result in to a lot of
+notifications that are not ment to be for the listener. Moreover, when a client
+updates the \gls{SDS} this is processed by the connection handler and results
+in an update of the real \gls{SDS}.
+Finally, the \gls{SDS} of a client must be synchronized with the actual device.
+There are several ways of tackling this problem each with their own pros and
+cons and their own level of abstraction.
+
+\begin{itemize}
+       \item Instantiate an actual \gls{iTasks}-\gls{SDS} for every \gls{SDS} used
+               in a client.
+
+       \item Instantiate a \gls{iTasks}-\gls{SDS} for every device that stores all
+               their \glspl{SDS}.
+
+       \item Use only one \gls{iTasks}-\gls{SDS} for all devices.
+\end{itemize}
+
+\begin{lstlisting}[label={lst:actualdev},%
+       caption={Real types for the device \gls{SDS}}]
+deviceStoreNP :: Shared [MTaskDevice]
+deviceStore :: RWShared (Maybe (MTaskDevice, Int)) [MTaskDevice] [MTaskDevice]
+\end{lstlisting}
+
+\subsection{Parametric Lenses}
+The type of the parametric lens is \CI{Maybe (MTaskDevice, Int)}. The \gls{SDS}
+can be responsible for the entire list of devices, from now on global.
+Moreover, the \gls{SDS} can focus on a single device, from now on local. A
+local \gls{SDS} can also specifically focus on a single \gls{SDS} on a single
+device, from now on called local-share.
+
+\paragraph{Global \glspl{SDS}: }
+Accessing the global \gls{SDS} is just a matter of focussing the
+\CI{deviceStore} with the \CI{Nothing} parameter. The signature for
+\CI{deviceStore} was given in Chapter~\ref{chp:arch}. The actual implementation
+is as in Listing~\ref{lst:global}
+
+\begin{lstlisting}[label={lst:shareimpl},%
+       caption={Base share implementation}]
+deviceStoreNP :: RWShared (Maybe (MTaskDevice, Int)) [MTaskDevice] [MTaskDevice]
+deviceStoreNP = sdsFocus Nothing deviceStore
+\end{lstlisting}
+
+
+
+
+\paragraph{Local \glspl{SDS}: }
+\paragraph{Local-share specific \glspl{SDS}: }
+
+The implementation for the share is shown in Listing~\ref{lst:shareimpl}. The
+\CI{realDeviceStore} \gls{SDS} is not exported through the header files. This
+\gls{SDS} contains the actual \gls{SDS} that writes to disk or memory.
+\CI{Int} is the identifier of the \gls{SDS}. The \gls{iTasks} way of applying
+lenses is through the \CI{sdsFocus} function and through the \CI{sdsLens}
+functions. \CI{sdsFocus} allows the programmer to fix the parameter.
+\CI{sdsLens} is basically a \CI{mapReadWrite} that has access to the parameter.
+This allows the programmer to create filters and lenses. Both of the methods
+are not good enough for the device \gls{SDS} because they do not achieve the
+writing to the actual device. Writing to a device requires being able to write
+to \glspl{SDS}. To solve this problem, a real base \gls{SDS} is created. All
+the details are visible in Listing~\ref{lst:shareimpl}.
+
 \section{Communication}
 The communication from the server to the client and vice versa is just a
 character stream containing encoded \gls{mTask} messages. The specific encoding
 is visible in Appendix~\ref{app:communication-protocol}. The type holding the
-messages in Listing~\ref{lst:avmsg}. Detailed explaination about the message
+messages in Listing~\ref{lst:avmsg}. Detailed explanation about the message
 types will be given in the following subsections.
 
 \begin{lstlisting}[label={lst:avmsg},caption={Available messages}]
@@ -169,7 +331,7 @@ handled when needed and runs a processing function in parallel to react on the
 incoming messages. Moreover, it sends a specification request to the device in
 question to determine the details of the device and updates the record to
 contain the top-level \gls{Task}-id. All the device functionality heavily
-depends on the \CI{withDevices} function that applies a function a device in
+depends on the specific \CI{deviceShare} function that applies a function a device in
 the \gls{SDS} when they are equal. Device equality is defined as equality on
 their channels. This allows you to give an old device record to the function
 and still update the latest instance. Listing~\ref{lst:connectDevice} shows the
@@ -207,8 +369,8 @@ function and the record is updated accordingly.
 \subsection{\glspl{Task} \& \glspl{SDS}}
 When a \gls{Task} is sent to the device it is added to the device record
 without an identifier. The actual identifier is added to the record when the
-acknowledgement of the task by the device is received. The connection diagram
-is shown in Figure~\ref{fig:tasksend}.
+acknowledgement of the \gls{Task} by the device is received. The connection
+diagram is shown in Figure~\ref{fig:tasksend}.
 
 \begin{figure}[H]
        \centering
@@ -223,17 +385,18 @@ is shown in Figure~\ref{fig:tasksend}.
        \caption{Sending a \gls{Task} to a device}\label{fig:tasksend}
 \end{figure}
 
-The function for sending a task to the device is shown in
-Listing~\ref{lst:sendtask}. First the task is compiled into messages. The
+The function for sending a \gls{Task} to the device is shown in
+Listing~\ref{lst:sendtask}. First the \gls{Task} is compiled into messages. The
 details of the compilation process are given in Section~\ref{sec:compiler}.
-The new shares that were made during compilation are added to the deviceshares
-that were made during the compilation are merged with the existing shares on
-the device. Furthermore the messages are placed in the channel share of the
-device. This will result in sending the actual \gls{SDS} specification and
-\gls{Task} specifications to the device. A \gls{Task} record is created with
-the identifier $-1$ to denote a \gls{Task} not yet acknowledged. Finally the
-device itself is updated with the new state and with the new \gls{Task}. When
-the device returns an acknowledgement the \gls{Task} is updated accordingly.
+The new \glspl{SDS} that were made during compilation are added to the
+deviceshares that were made during the compilation are merged with the existing
+shares on the device. Furthermore the messages are placed in the channel share
+of the device. This will result in sending the actual \gls{SDS} specification
+and \gls{Task} specifications to the device. A \gls{Task} record is created
+with the identifier $-1$ to denote a \gls{Task} not yet acknowledged. Finally
+the device itself is updated with the new state and with the new \gls{Task}.
+When the device returns an acknowledgement the \gls{Task} is updated
+accordingly.
 
 \begin{lstlisting}[label={lst:sendtask},%
        caption={Sending a \gls{Task} to a device}]
@@ -264,3 +427,9 @@ sends the \CI{MTShutdown} message. The device will then clear his memory, thus
 losing all the \glspl{SDS} and \glspl{Task} that were stored and reset itself.
 Shortly after the shutdown message a new server can connect to the device
 because the device is back in listening mode.
+
+\section{Lifting mTask to iTasks}
+\todo{task lifting}
+
+\section{Examples}
+\todo{example program (demo)}