restructure
[phd-thesis.git] / top / top.tex
index 619789f..6c759fb 100644 (file)
 \input{subfilepreamble}
 
 \begin{document}
-\ifSubfilesClassLoaded{
-       \pagenumbering{arabic}
-}{}
+\input{subfileprefix}
 
-\chapter{Introduction to \texorpdfstring{\gls{IOT}}{IoT} programming}%
-\label{chp:top4iot}
-\todo{betere chapter naam}
-\begin{chapterabstract}
-       This chapter introduces \gls{MTASK} and puts it into perspective compared to traditional microprocessor programming.
-\end{chapterabstract}
-
-Traditionally, the first program that one writes when trying a new language is the so called \emph{Hello World!} program.
-This program has the single task of printing the text \emph{Hello World!} to the screen and exiting again, useful to become familiarised with the syntax and verify that the toolchain and runtime environment is working.
-On microprocessors, there often is no screen for displaying text.
-Nevertheless, almost always there is a monochrome $1\times1$ pixel screen, namely an---often builtin---\gls{LED}.
-The \emph{Hello World!} equivalent on microprocessors blinks this \gls{LED}.
-
-\Cref{lst:arduinoBlink} shows how the logic of a blink program might look when using \gls{ARDUINO}'s \gls{CPP} dialect.
-Every \gls{ARDUINO} program contains a \arduinoinline{setup} and a \arduinoinline{loop} function.
-The \arduinoinline{setup} function is executed only once on boot, the \arduinoinline{loop} function is continuously called afterwards and contains the event loop.
-After setting the \gls{GPIO} pin to the correct mode, blink's \arduinoinline{loop} function alternates the state of the pin representing the \gls{LED} between \arduinoinline{HIGH} and \arduinoinline{LOW}, turning the \gls{LED} off and on respectively.
-In between it waits for 500 milliseconds so that the blinking is actually visible for the human eye.
-Compiling this results in a binary firmware that needs to be flashed onto the program memory.
-
-Translating the traditional blink program to \gls{MTASK} can almost be done by simply substituting some syntax as seen in \cref{lst:blinkImp}.
-E.g.\ \arduinoinline{digitalWrite} becomes \cleaninline{writeD}, literals are prefixed with \cleaninline{lit} and the pin to blink is changed to represent the actual pin for the builtin \gls{LED} of the device used in the exercises.
-In contrast to the imperative \gls{CPP} dialect, \gls{MTASK} is a \gls{TOP} language and therefore there is no such thing as a loop, only task combinators to combine tasks.
-To simulate a loop, the \cleaninline{rpeat} task can be used, this task executes the argument task and, when stable, reinstates it.
-The body of the \cleaninline{rpeat} contains similarly named tasks to write to the pins and to wait in between.
-The tasks are connected using the sequential \cleaninline{>>|.} combinator that for all current intents and purposes executes the tasks after each other.
-
-\begin{figure}[ht]
-       \begin{subfigure}[b]{.5\linewidth}
-               \begin{lstArduino}[caption={Blink program.},label={lst:arduinoBlink}]
-void setup() {
-       pinMode(D2, OUTPUT);
-}
-
-void loop() {
-       digitalWrite(D2, HIGH);
-       delay(500);
-       digitalWrite(D2, LOW);
-       delay(500);
-}\end{lstArduino}
-       \end{subfigure}%
-       \begin{subfigure}[b]{.5\linewidth}
-               \begin{lstClean}[caption={Blink program.},label={lst:blinkImp}]
-blink :: Main (MTask v ()) | mtask v
-blink =
-       declarePin D2 PMOutput \d2->
-       {main = rpeat (
-                    writeD d2 true
-               >>|. delay (lit 500)
-               >>|. writeD d2 false
-               >>|. delay (lit 500)
-       )
-}\end{lstClean}
-       \end{subfigure}
-\end{figure}
-
-\section{Threaded blinking}
-Now say that we want to blink multiple blinking patterns on different \glspl{LED} concurrently.
-For example, blink three \glspl{LED} connected to \gls{GPIO} pins $1,2$ and $3$ at intervals of $500,300$ and $800$ milliseconds.
-Intuitively you want to lift the blinking behaviour to a function and call this function three times with different parameters as done in \cref{lst:blinkthreadno}
-
-\begin{lstArduino}[caption={Naive approach to multiple blinking patterns.},label={lst:blinkthreadno}]
-void setup () { ... }
-
-void blink (int pin, int wait) {
-       digitalWrite(pin, HIGH);
-       delay(wait);
-       digitalWrite(pin, LOW);
-       delay(wait);
-}
-
-void loop() {
-       blink (D1, 500);
-       blink (D2, 300);
-       blink (D3, 800);
-}\end{lstArduino}
-
-Unfortunately, this does not work because the \arduinoinline{delay} function blocks all further execution.
-The resulting program will blink the \glspl{LED} after each other instead of at the same time.
-To overcome this, it is necessary to slice up the blinking behaviour in very small fragments so it can be manually interleaved~\citep{feijs_multi-tasking_2013}.
-Listing~\ref{lst:blinkthread} shows how three different blinking patterns might be achieved in \gls{ARDUINO} using the slicing method.
-If we want the blink function to be a separate parametrizable function we need to explicitly provide all references to the required state.
-Furthermore, the \arduinoinline{delay} function can not be used and polling \arduinoinline{millis} is required.
-The \arduinoinline{millis} function returns the number of milliseconds that have passed since the boot of the microprocessor.
-Some devices use very little energy when in \arduinoinline{delay} or sleep state.
-Resulting in \arduinoinline{millis} potentially affects power consumption since the processor is basically busy looping all the time.
-In the simple case of blinking three \glspl{LED} on fixed intervals, it might be possible to calculate the delays in advance using static analysis and generate the appropriate \arduinoinline{delay} code.
-Unfortunately, this is very hard when for example the blinking patterns are determined at runtime.
-
-\begin{lstArduino}[label={lst:blinkthread},caption={Threading three blinking patterns.}]
-long led1 = 0, led2 = 0, led3 = 0;
-bool st1 = false, st2 = false, st3 = false;
-
-void blink(int pin, int dlay, long *lastrun, bool *st) {
-       if (millis() - *lastrun > dlay) {
-               digitalWrite(pin, *st = !*st);
-               *lastrun += dlay;
-       }
-}
-
-void loop() {
-       blink(D1, 500, &led1, &st1);
-       blink(D2, 300, &led2, &st1);
-       blink(D3, 800, &led3, &st1);
-}\end{lstArduino}
+%\chapter{\texorpdfstring{\Glsxtrshort{TOP} for the \glsxtrshort{IOT}}{TOP for the IoT}}%
+\subfile{4iot}
 
-This method is very error prone, requires a lot of pointer juggling and generally results into spaghetti code.
-Furthermore, it is very difficult to represent dependencies between threads, often state machines have to be explicitly programmed by hand to achieve this.
+%\chapter{The \texorpdfstring{\gls{MTASK}}{mTask} \texorpdfstring{\glsxtrshort{DSL}}{DSL}}%
+\subfile{lang}
 
-\section{Blinking in \texorpdfstring{\gls{MTASK}}{mTask}}
-The \cleaninline{delay} \emph{task} does not block the execution but \emph{just} emits no value when the target waiting time has not yet passed and emits a stable value when the time is met.
-In contrast, the \arduinoinline{delay()} \emph{function} on the \gls{ARDUINO} is blocking which prohibits interleaving.
-To make code reuse possible and make the implementation more intuitive, the blinking behaviour is lifted to a recursive function instead of using the imperative \cleaninline{rpeat} construct.
-The function is parametrized with the current state, the pin to blink and the waiting time.
-Creating recursive functions like this is not possible in the \gls{ARDUINO} language because the program would run out of stack in an instant and nothing can be interleaved.
-With a parallel combinator, tasks can be executed in an interleaved fashion.
-Therefore, blinking three different blinking patterns is as simple as combining the three calls to the \cleaninline{blink} function with their arguments as seen in \cref{lst:blinkthreadmtask}.
-
-% VimTeX: SynIgnore on
-\begin{lstClean}[label={lst:blinkthreadmtask},caption={Threaded blinking.}]
-blinktask :: MTask v () | mtask v
-blinktask =
-       declarePin D1 PMOutput \d1->
-       declarePin D2 PMOutput \d2->
-       declarePin D3 PMOutput \d3->
-       fun \blink=(\(st, pin, wait)->
-                    delay wait
-               >>|. writeD d13 st
-               >>|. blink (Not st, pin, wait)) In
-       {main =  blink (true, d1, lit 500)
-               .||. blink (true, d2, lit 300)
-               .||. blink (true, d3, lit 800)
-       }\end{lstClean}
-% VimTeX: SynIgnore off
-
-\chapter{The \texorpdfstring{\gls{MTASK}}{mTask} \texorpdfstring{\gls{DSL}}{DSL}}%
-\label{chp:mtask_dsl}
+\chapter{Integration with \texorpdfstring{\gls{ITASK}}{iTask}}%
+\label{chp:integration_with_itask}
 \begin{chapterabstract}
-This chapter serves as a complete guide to the \gls{MTASK} language, from an \gls{MTASK} programmer's perspective.
+       This chapter shows the integration of \gls{MTASK} with \gls{ITASK} by showing:
+       \begin{itemize}
+               \item an architectural overview of \gls{MTASK};
+               \item on the interface for connecting devices;
+               \item the interface for lifting \gls{MTASK} tasks to \gls{ITASK} tasks;
+               \item and interface for lifting \gls{ITASK} \glspl{SDS} to \gls{MTASK} \glspl{SDS}.
+       \end{itemize}
 \end{chapterabstract}
 
-The \gls{MTASK} system is a \gls{TOP} programming environment for programming microprocessors.
-It is implemented as an\gls{EDSL} in \gls{CLEAN} using class-based---or tagless-final---embedding (See \cref{ssec:tagless}).
-Due to the nature of the embedding technique, it is possible to have multiple interpretations of---or views on---programs written in the \gls{MTASK} language.
-The following interpretations are available for \gls{MTASK}.
-
-\begin{itemize}
-       \item Pretty printer
-
-               This interpretation converts the expression to a string representation.
-       \item Simulator
-
-               The simulator converts the expression to a ready-for-work \gls{ITASK} simulation in which the user can inspect and control the simulated peripherals and see the internal state of the tasks.
-       \item Compiler
-
-               The compiler compiles the \gls{MTASK} program at runtime to a specialised bytecode.
-               Using a handful of integration functions and tasks, \gls{MTASK} tasks can be executed on microprocessors and integrated in \gls{ITASK} as if they were regular \gls{ITASK} tasks.
-               Furthermore, with special language constructs, \glspl{SDS} can be shared between \gls{MTASK} and \gls{ITASK} programs.
-\end{itemize}
-
-When using the compiler interpretation in conjunction with the \gls{ITASK} integration, \gls{MTASK} is a heterogeneous \gls{DSL}.
-I.e.\ some components---e.g.\ the \gls{RTS} on the microprocessor---is largely unaware of the other components in the system.
-Furthermore, it is executed on a completely different architecture.
-The \gls{MTASK} language consists of a host language---a simply-typed $\lambda$-calculua with support for some basic types, function definition and data types (see \cref{sec:expressions})---enriched with a task language (see \cref{sec:top}).
-
-\section{Types}
-To leverage the type checker of the host language, types in the \gls{MTASK} language are expressed as types in the host language, to make the language type safe.
-However, not all types in the host language are suitable for microprocessors that may only have \qty{2}{\kibi\byte} of \gls{RAM} so class constraints are therefore added to the \gls{DSL} functions.
-The most used class constraint is the \cleaninline{type} class collection containing functions for serialization, printing, \gls{ITASK} constraints \etc.
-Many of these functions can be derived using generic programming.
-An even stronger restriction on types is defined for types that have a stack representation.
-This \cleaninline{basicType} class has instances for many \gls{CLEAN} basic types such as \cleaninline{Int}, \cleaninline{Real} and \cleaninline{Bool}.
-The class constraints for values in \gls{MTASK} are omnipresent in all functions and therefore often omitted throughout throughout the chapters for brevity and clarity.
-
-\begin{table}[ht]
-       \centering
-       \begin{tabular}{lll}
-               \toprule
-               \gls{CLEAN}/\gls{MTASK} & \gls{CPP} type & \textnumero{}bits\\
-               \midrule
-               \cleaninline{Bool}             & \cinline{bool}    & 16\\
-               \cleaninline{Char}             & \cinline{char}    & 16\\
-               \cleaninline{Int}              & \cinline{int16_t} & 16\\
-               \cleaninline{:: Long}          & \cinline{int32_t} & 32\\
-               \cleaninline{Real}             & \cinline{float}   & 32\\
-               \cleaninline{:: T = A \| B \| C} & \cinline{enum}    & 16\\
-               \bottomrule
-       \end{tabular}
-       \caption{Mapping from \gls{CLEAN}/\gls{MTASK} data types to \gls{CPP} datatypes.}%
-       \label{tbl:mtask-c-datatypes}
-\end{table}
-
-The \gls{MTASK} language consists of a core collection of type classes bundled in the type class \cleaninline{class mtask}.
-Every interpretation implements the type classes in the \cleaninline{mtask} class
-There are also \gls{MTASK} extensions that not every interpretation implements such as peripherals and integration with \gls{ITASK}.
-
-\Cref{lst:constraints} contains the definitions for the type constraints and shows some example type signatures for typical \gls{MTASK} expressions and tasks.
-\todo{uitleggen}
-
-\begin{lstClean}[caption={Classes and class collections for the \gls{MTASK} language.},label={lst:constraints}]
-:: Main a = { main :: a }
-:: In a b = (In) infix 0 a b
-
-class type t | iTask, ... ,fromByteCode, toByteCode t
-class basicType t | type t where ...
-
-class mtask v | expr, ..., int, real, long v
-
-someExpr :: v Int | mtask v
-someExpr = ...
-
-someTask :: MTask v Int | mtask v
-someTask =
-       sensor1 config1 \sns1->
-       sensor2 config2 \sns2->
-          fun \fun1= ( ... )
-       In fun \fun2= ( ... )
-       In {main=mainexpr}
-\end{lstClean}
-
-\section{Expressions}\label{sec:expressions}
-\Cref{lst:expressions} shows the \cleaninline{expr} class containing the functionality to lift values from the host language to the \gls{MTASK} language (\cleaninline{lit}); perform number and boolean arithmetics; do comparisons; and conditional execution.
-For every common arithmetic operator in the host language, an \gls{MTASK} variant is present, suffixed by a period to not clash with \gls{CLEAN}'s builtin operators.
-
-\begin{lstClean}[caption={The \gls{MTASK} class for expressions},label={lst:expressions}]
-class expr v where
-       lit :: t -> v t | type t
-       (+.) infixl 6 :: (v t) (v t) -> v t | basicType, +, zero t
-       ...
-       (&.) infixr 3 :: (v Bool) (v Bool) -> v Bool
-       (|.) infixr 2 :: (v Bool) (v Bool) -> v Bool
-       Not           :: (v Bool) -> v Bool
-       (==.) infix 4 :: (v a) (v a) -> v Bool | Eq, basicType a
-       ...
-       If :: (v Bool) (v t) (v t) -> v t | type t
-\end{lstClean}
-
-Conversion to-and-fro data types is available through the overloaded functions \cleaninline{int}, \cleaninline{long} and \cleaninline{real}.
-
-\begin{lstClean}[caption={Type conversion functions in \gls{MTASK}.}]
-class int  v a :: (v a) -> v Int
-class real v a :: (v a) -> v Real
-class long v a :: (v a) -> v Long
-\end{lstClean}
-
-Finally, values from the host language must be explicitly lifted to the \gls{MTASK} language using the \cleaninline{lit} function.
-For convenience, there are many lower-cased macro definitions for often used constants such as \cleaninline{true :== lit True}, \cleaninline{false :== lit False}, \etc.
-
-\Cref{lst:example_exprs} shows some examples of these expressions.
-\cleaninline{e0} defines the literal $42$, \cleaninline{e1} calculates the literal $42.0$ using real numbers.
-\cleaninline{e2} compares \cleaninline{e0} and \cleaninline{e1} as integers and if they are equal it returns the \cleaninline{e2}$/2$ and \cleaninline{e0} otherwise.
-\cleaninline{approxEqual} performs an approximate equality---albeit not taking into account all floating point pecularities---and demonstrates that \gls{CLEAN} can be used as a macro language, i.e.\ maximise linguistic reuse~\cite{krishnamurthi_linguistic_2001}.
-\todo{uitzoeken waar dit handig is}
-When calling \cleaninline{approxEqual} in an \gls{MTASK} function, the resulting code is inlined.
-
-\begin{lstClean}[label={lst:example_exprs},caption={Example \gls{MTASK} expressions.}]
-e0 :: v Int | expr v
-e0 = lit 42
-
-e1 :: v Real | expr v
-e1 = lit 38.0 + real (lit 4)
-
-e2 :: v Int | expr v
-e2 = if' (e0 ==. int e1)
-       (int e1 /. lit 2) e0
-
-approxEqual :: (v Real) (v Real) (v Real) -> v Real | expr v
-approxEqual x y eps = if' (x == y) true
-       ( if' (x > y)
-               (y -. x < eps)
-               (x -. y < eps)
-       )
-\end{lstClean}
-
-\subsection{Data Types}
-Most of \gls{CLEAN}'s basic types have been mapped on \gls{MTASK} types.
-However, it can be useful to have access to compound types as well.
-All types in \gls{MTASK} must have a fixed size representation on the stack so sum types are not (yet) supported.
-While it is possible to lift types using the \cleaninline{lit} function, you cannot do anything with the types besides passing them around but they are being produced by some parallel task combinators (see \cref{sssec:combinators_parallel}).
-To be able to use types as first class citizens, constructors and field selectors are required.
-\Cref{lst:tuple_exprs} shows the scaffolding for supporting tuples in \gls{MTASK}.
-Besides the constructors and field selectors, there is also a helper function available that transforms a function from a tuple of \gls{MTASK} expressions to an \gls{MTASK} expression of a tuple.
-
-\begin{lstClean}[label={lst:tuple_exprs},caption={Tuple constructor and field selectors in \gls{MTASK}.}]
-class tupl v where
-       tupl :: (v a) (v b) -> v (a, b) | type a & type b
-       first :: (v (a, b)) -> v a | type a & type b
-       second :: (v (a, b)) -> v b | type a & type b
-
-       tupopen f :== \v->f (first v, second v)
-\end{lstClean}
-
-\subsection{Functions}
-Adding functions to the language is achieved by one multi-parameter class to the \gls{DSL}.
-By using \gls{HOAS}, both the function definition and the calls to the function can be controlled by the \gls{DSL}~\citep{pfenning_higher-order_1988,chlipala_parametric_2008}.
-As \gls{MTASK} only supports first-order functions and does not allow partial function application.
-Using a type class of this form, this restriction can be enforced on the type level.
-Instead of providing one instance for all functions, a single instance per function arity is defined.
-Also, \gls{MTASK} only supports top-level functions which is enforced by the \cleaninline{Main} box.
-The definition of the type class and the instances for an example interpretation are as follows:
-\todo{uitbreiden}
-
-\begin{lstClean}[caption={Functions in \gls{MTASK}.}]
-class fun a v :: ((a -> v s) -> In (a -> v s) (Main (MTask v u)))
-       -> Main (MTask v u)
-
-instance fun () Inter where ...
-instance fun (Inter a) Inter | type a where ...
-instance fun (Inter a, Inter b) Inter | type a where ...
-instance fun (Inter a, Inter b, Inter c) Inter | type a where ...
-...
-\end{lstClean}
-
-Deriving how to define and use functions from the type is quite the challenge even though the resulting syntax is made easier using the infix type \cleaninline{In}.
-\Cref{lst:function_examples} show the factorial function, a tail-call optimised factorial function and a function with zero arguments to demonstrate the syntax.
-Splitting out the function definition for each single arity means that that for every function arity and combination of arguments, a separate class constraint must be created.
-Many of the often used functions are already bundled in the \cleaninline{mtask} class constraint collection.
-\cleaninline{factorialtail} shows a manually added class constraint.
-Definiting zero arity functions is shown in the \cleaninline{zeroarity} expression.
-Finally, \cleaninline{swapTuple} shows an example of a tuple being swapped.
-
-% VimTeX: SynIgnore on
-\begin{lstClean}[label={lst:function_examples},caption={Function examples in \gls{MTASK}.}]
-factorial :: Main (v Int) | mtask v
-factorial =
-       fun \fac=(\i->if' (i <. lit 1)
-               (lit 1)
-               (i *. fac (i -. lit 1)))
-       In {main = fac (lit 5) }
-
-factorialtail :: Main (v Int) | mtask v & fun (v Int, v Int) v
-factorialtail =
-          fun \facacc=(\(acc, i)->if' (i <. lit 1)
-                       acc
-                       (fac (acc *. i, i -. lit 1)))
-       In fun \fac=(\i->facacc (lit 1, i))
-       In {main = fac (lit 5) }
-
-zeroarity :: Main (v Int) | mtask v
-zeroarity =
-          fun \fourtytwo=(\()->lit 42)
-       In fun \add=(\(x, y)->x +. y)
-       In {main = add (fourtytwo (), lit 9)}
-
-swapTuple :: Main (v (Int, Bool)) | mtask v
-swapTuple =
-          fun \swap=(tupopen \(x, y)->tupl y x)
-       In {main = swap (tupl true (lit 42)) }
-\end{lstClean}
-% VimTeX: SynIgnore off
-
-\section{Tasks}\label{sec:top}
-\Gls{MTASK}'s task language can be divided into three categories, namely
-\begin{enumerate*}
-       \item Basic tasks, in most \gls{TOP} systems, the basic tasks are called editors, modelling the interactivity with the user.
-               In \gls{MTASK}, there are no \emph{editors} in that sense but there is interaction with the outside world through microprocessor peripherals such as sensors and actuators.
-       \item Task combinators provide a way of describing the workflow.
-               They combine one or more tasks into a compound task.
-       \item \glspl{SDS} in \gls{MTASK} can be seen as references to data that can be shared using many-to-many communication and are only accessible from within the task language to ensure atomicity.
-\end{enumerate*}
-
-As \gls{MTASK} is integrated with \gls{ITASK}, the same stability distinction is made for task values.
-A task in \gls{MTASK} is denoted by the \gls{DSL} type synonym shown in \cref{lst:task_type}.
-
-\begin{lstClean}[label={lst:task_type},caption={Task type in \gls{MTASK}.}]
-:: MTask v a :== v (TaskValue a)
-:: TaskValue a
-       = NoValue
-       | Value a Bool
-\end{lstClean}
-
-\subsection{Basic tasks}
-The most rudimentary basic tasks are the \cleaninline{rtrn} and \cleaninline{unstable} tasks.
-They lift the value from the \gls{MTASK} expression language to the task domain either as a stable value or an unstable value.
-There is also a special type of basic task for delaying execution.
-The \cleaninline{delay} task---given a number of milliseconds---yields an unstable value while the time has not passed.
-Once the specified time has passed, the time it overshot the planned time is yielded as a stable task value.
-See \cref{sec:repeat} for an example task using \cleaninline{delay}.
-
-\begin{lstClean}[label={lst:basic_tasks},caption={Function examples in \gls{MTASK}.}]
-class rtrn v :: (v t) -> MTask v t
-class unstable v :: (v t) -> MTask v t
-class delay v :: (v n) -> MTask v n | long v n
-\end{lstClean}
-
-\subsubsection{Peripherals}\label{sssec:peripherals}
-For every sensor or actuator, basic tasks are available that allow interaction with the specific peripheral.
-The type classes for these tasks are not included in the \cleaninline{mtask} class collection as not all devices nor all language interpretations have such peripherals connected.
-\todo{Historically, peripheral support has been added \emph{by need}.}
-
-\Cref{lst:dht,lst:gpio} show the type classes for \glspl{DHT} sensors and \gls{GPIO} access.
-Other peripherals have similar interfaces, they are available in the \cref{sec:aux_peripherals}.
-For the \gls{DHT} sensor there are two basic tasks, \cleaninline{temperature} and \cleaninline{humidity}, that---will given a \cleaninline{DHT} object---produce a task that yields the observed temperature in \unit{\celcius} or relative humidity as a percentage as an unstable value.
-Currently, two different types of \gls{DHT} sensors are supported, the \emph{DHT} family of sensors connect through $1$-wire protocol and the \emph{SHT} family of sensors connected using \gls{I2C} protocol.
-Creating such a \cleaninline{DHT} object is very similar to creating functions in \gls{MTASK} and uses \gls{HOAS} to make it type safe.
-
-\begin{lstClean}[label={lst:dht},caption{The \gls{MTASK} interface for \glspl{DHT} sensors.}]
-:: DHT //abstract
-:: DHTInfo
-       = DHT_DHT Pin DHTtype
-       | DHT_SHT I2CAddr
-:: DHTtype = DHT11 | DHT21 | DHT22
-class dht v where
-       DHT :: DHTInfo ((v DHT) -> Main (v b)) -> Main (v b) | type b
-       temperature :: (v DHT) -> MTask v Real
-       humidity :: (v DHT) -> MTask v Real
-
-measureTemp :: Main (MTask v Real) | mtask v & dht v
-measureTemp = DHT (DHT_SHT (i2c 0x36)) \dht->
-       {main=temperature dht}
-\end{lstClean}
-
-\Gls{GPIO} access is divided into three classes: analog, digital and pin modes.
-For all pins and pin modes an \gls{ADT} is available that enumerates the pins.
-The analog \gls{GPIO} pins of a microprocessor are connected to an \gls{ADC} that translates the voltage to an integer.
-Analog \gls{GPIO} pins can be either read or written to.
-Digital \gls{GPIO} pins only report a high or a low value.
-The type class definition is a bit more complex since analog \gls{GPIO} pins can be used as digital \gls{GPIO} pins as well.
-Therefore, if the \cleaninline{p} type implements the \cleaninline{pin} class---i.e.\ either \cleaninline{APin} or \cleaninline{DPin}---the \cleaninline{dio} class can be used.
-\Gls{GPIO} pins usually operate according to a certain pin mode that states whether the pin acts as an input pin, an input with an internal pull-up resistor or an output pin.
-This setting can be applied using the \cleaninline{pinMode} class by hand or by using the \cleaninline{declarePin} \gls{GPIO} pin constructor.
-Setting the pin mode is a task that immediately finisheds and fields a stable unit value.
-Writing to a pin is also a task that immediately finishes but yields the written value instead.
-Reading a pin is a task that yields an unstable value---i.e.\ the value read from the actual pin.
-
-\begin{lstClean}[label={lst:gpio},caption={The \gls{MTASK} interface for \gls{GPIO} access.}]
-:: APin = A0 | A1 | A2 | A3 | A4 | A5
-:: DPin = D0 | D1 | D2 | D3 | D4 | D5 | D6 | D7 | D8 | D9 | D10 | D11 | D12 | D13
-:: PinMode = PMInput | PMOutput | PMInputPullup
-:: Pin = AnalogPin APin | DigitalPin DPin
-class pin p :: p -> Pin
-
-class aio v where
-       writeA :: (v APin) (v Int) -> MTask v Int
-       readA :: (v APin) -> MTask v Int
-
-class dio p v | pin p where
-       writeD :: (v p) (v Bool) -> MTask v Bool
-       readD :: (v p) -> MTask v Bool | pin p
-
-class pinMode v where
-       pinMode :: (v PinMode) (v p) -> MTask v () | pin p
-       declarePin :: p PinMode ((v p) -> Main (v a)) -> Main (v a) | pin p
-\end{lstClean}
-
-\begin{lstClean}[label={lst:gpio_examples},caption={\Gls{GPIO} example in \gls{MTASK}.}]
-task1 :: MTask v Int | mtask v
-task1 = declarePin A3 PMInput \a3->{main=readA a3}
-
-task2 :: MTask v Int | mtask v
-task2 = declarePin D3 PMOutput \d3->{main=writeD d3 true}
-\end{lstClean}
-
-\subsection{Task combinators}
-Task combinators are used to combine multiple tasks into one to describe workflows.
-There are three main types of task combinators, namely:
-\begin{enumerate*}
-       \item Sequential combinators that execute tasks one after the other, possibly using the result of the left hand side.
-       \item Parallel combinators that execute tasks at the same time combining the result.
-       \item Miscellaneous combinators that change the semantics of a task---e.g.\ repeat it or delay execution.
-\end{enumerate*}
-
-\subsubsection{Sequential}
-Sequential task combination allows the right-hand side task to observe the left-hand side task value.
-All seqential task combinators are expressed in the \cleaninline{expr} class and can be---and are by default---derived from the Swiss army knife step combinator \cleaninline{>>*.}.
-This combinator has a single task on the left-hand side and a list of \emph{task continuations} on the right-hand side.
-The list of task continuations is checked every rewrite step and if one of the predicates matches, the task continues with the result of this combination.
-\cleaninline{>>=.} is a shorthand for the bind operation, if the left-hand side is stable, the right-hand side function is called to produce a new task.
-\cleaninline{>>|.} is a shorthand for the sequence operation, if the left-hand side is stable, it continues with the right-hand side task.
-The \cleaninline{>>~.} and \cleaninline{>>..} combinators are variants of the ones above that ignore the stability and continue on an unstable value as well.
-
-\begin{lstClean}[label={lst:mtask_sequential},caption={Sequential task combinators in \gls{MTASK}.}]
-class step v | expr v where
-       (>>*.) infixl 1 :: (MTask v t) [Step v t u] -> MTask v u
-       (>>=.) infixl 0 :: (MTask v t) ((v t) -> MTask v u) -> MTask v u
-       (>>|.) infixl 0 :: (MTask v t)          (MTask v u) -> MTask v u
-       (>>~.) infixl 0 :: (MTask v t) ((v t) -> MTask v u) -> MTask v u
-       (>>..) infixl 0 :: (MTask v t)          (MTask v u) -> MTask v u
-
-:: Step v t u
-       = IfValue    ((v t) -> v Bool) ((v t) -> MTask v u)
-       | IfStable   ((v t) -> v Bool) ((v t) -> MTask v u)
-       | IfUnstable ((v t) -> v Bool) ((v t) -> MTask v u)
-       | Always                                (MTask v u)
-\end{lstClean}
-
-\todo{more examples step?}
-
-The following listing shows an example of a step in action.
-The \cleaninline{readPinBin} function produces an \gls{MTASK} task that classifies the value of an analogue pin into four bins.
-It also shows that the nature of embedding allows the host language to be used as a macro language.
-Furthermore
-
-\begin{lstClean}[label={lst:mtask_readpinbin},caption={Read an analog pin and bin the value in \gls{MTASK}.}]
-readPinBin :: Int -> Main (MTask v Int) | mtask v
-readPinBin lim = declarePin PMInput A2 \a2->
-       { main = readA a2 >>*.
-               [  IfValue (\x->x <. lim) (\_->rtrn (lit bin))
-               \\ lim <-[64,128,192,256]
-               &  bin <- [0..]]}
-\end{lstClean}
-
-\subsubsection{Parallel}\label{sssec:combinators_parallel}
-The result of a parallel task combination is a compound that actually executes the tasks at the same time.
-
-There are two types of parallel task combinators (see \cref{lst:mtask_parallel}).
-The conjunction combinator (\cleaninline{.&&.}) combines the result by putting the values from both sides in a tuple.
-The stability of the task depends on the stability of both children.
-If both children are stable, the result is stable, otherwise the result is unstable.
-The disjunction combinator (\cleaninline{.\|\|.}) combines the results by picking the leftmost, most stable task.
-The semantics are easily described using \gls{CLEAN} functions shown in \cref{lst:semantics_con,lst:semantics_dis}.
-
-\begin{figure}[ht]
-       \centering
-       \begin{subfigure}[t]{.5\textwidth}
-               \begin{lstClean}[caption={Semantics of the\\conjunction combinator.},label={lst:semantics_con}]
-con :: (TaskValue a) (TaskValue b)
-       -> TaskValue (a, b)
-con NoValue r       = NoValue
-con l       NoValue = NoValue
-con (Value l ls) (Value r rs)
-       = Value (l, r) (ls && rs)
-
-               \end{lstClean}
-       \end{subfigure}%
-       \begin{subfigure}[t]{.5\textwidth}
-               \begin{lstClean}[caption={Semantics of the\\disjunction combinator.},label={lst:semantics_dis}]
-dis :: (TaskValue a) (TaskValue a)
-       -> TaskValue a
-dis NoValue r       = r
-dis l       NoValue = l
-dis (Value l ls) (Value r rs)
-       | rs        = Value r True
-       | otherwise = Value l ls
-               \end{lstClean}
-       \end{subfigure}
-\end{figure}
-
-\begin{lstClean}[label={lst:mtask_parallel},caption={Parallel task combinators in \gls{MTASK}.}]
-class (.&&.) infixr 4 v :: (MTask v a) (MTask v b) -> MTask v (a, b)
-class (.||.) infixr 3 v :: (MTask v a) (MTask v a) -> MTask v a
-\end{lstClean}
-
-\Cref{lst:mtask_parallel_example} gives an example of the parallel task combinator.
-This program will read two pins at the same time, returning when one of the pins becomes \arduinoinline{HIGH}.
-If the combinator was the \cleaninline{.&&.} instead, the type would be \cleaninline{MTask v (Bool, Bool)} and the task would only return when both pins have been \arduinoinline{HIGH} but not necessarily at the same time.
-
-\begin{lstClean}[label={lst:mtask_parallel_example},caption={Parallel task combinator example in \gls{MTASK}.}]
-task :: MTask v Bool
-task =
-       declarePin D0 PMInput \d0->
-       declarePin D1 PMInput \d1->
-       let monitor pin = readD pin >>*. [IfValue (\x->x) \x->rtrn x]
-       In {main = monitor d0 .||. monitor d1}
-\end{lstClean}
-
-\subsubsection{Repeat}\label{sec:repeat}
-The \cleaninline{rpeat} combinator executes the child task.
-If a stable value is observed, the task is reinstated.
-The functionality of \cleaninline{rpeat} can also be simulated by using functions and sequential task combinators and even made to be stateful as can be seen in \cref{lst:blinkthreadmtask}.
-
-\begin{lstClean}[label={lst:mtask_repeat},caption={Repeat task combinators in \gls{MTASK}.}]
-class rpeat v where
-       rpeat :: (MTask v a) -> MTask v a
-\end{lstClean}
-
-To demonstrate the combinator, \cref{lst:mtask_repeat_example} show \cleaninline{rpeat} in use.
-This task will mirror the value read from analog \gls{GPIO} pin \cleaninline{A1} to pin \cleaninline{A2} by constantly reading the pin and writing the result.
-
-\begin{lstClean}[label={lst:mtask_repeat_example},caption={Exemplatory repeat task in \gls{MTASK}.}]
-task :: MTask v Int | mtask v
-task =
-       declarePin A1 PMInput \a1->
-       declarePin A2 PMOutput \a2->
-       {main = rpeat (readA a1 >>~. writeA a2 >>|. delay (lit 1000))}
-\end{lstClean}
-
-\subsection{\texorpdfstring{\Glsxtrlongpl{SDS}}{Shared data sources}}
-\Glspl{SDS} in \gls{MTASK} are by default references to shared memory but can also be references to \glspl{SDS} in \gls{ITASK} (see \cref{sec:liftsds}).
-Similar to peripherals (see \cref{sssec:peripherals}), they are constructed at the top level and are accessed through interaction tasks.
-The \cleaninline{getSds} task yields the current value of the \gls{SDS} as an unstable value.
-This behaviour is similar to the \cleaninline{watch} task in \gls{ITASK}.
-Writing a new value to an \gls{SDS} is done using \cleaninline{setSds}.
-This task yields the written value as a stable result after it is done writing.
-Getting and immediately after setting an \gls{SDS} is not necessarily an \emph{atomic} operation in \gls{MTASK} because it is possible that another task accesses the \gls{SDS} in between.
-To circumvent this issue, \cleaninline{updSds} is created, this task atomically updates the value of the \gls{SDS}.
-The \cleaninline{updSds} task only guarantees atomicity within \gls{MTASK}.
-
-\begin{lstClean}[label={lst:mtask_sds},caption={\Glspl{SDS} in \gls{MTASK}.}]
-:: Sds a // abstract
-class sds v where
-       sds :: ((v (Sds t)) -> In t (Main (MTask v u))) -> Main (MTask v u)
-       getSds :: (v (Sds t))                -> MTask v t
-       setSds :: (v (Sds t))  (v t)         -> MTask v t
-       updSds :: (v (Sds t)) ((v t) -> v t) -> MTask v t
-\end{lstClean}
-
-\Cref{lst:mtask_sds_examples} shows an example using \glspl{SDS}.
-The \cleaninline{count} function takes a pin and returns a task that counts the number of times the pin is observed as high by incrementing the \cleaninline{share} \gls{SDS}.
-In the \cleaninline{main} expression, this function is called twice and the results are combined using the parallel or combinator (\cleaninline{.||.}).
-Using a sequence of \cleaninline{getSds} and \cleaninline{setSds} would be unsafe here because the other branch might write their old increment value immediately after writing, effectively missing a count.\todo{beter opschrijven}
-
-\begin{lstClean}[label={lst:mtask_sds_examples},caption={Examples with \glspl{SDS} in \gls{MTASK}.}]
-task :: MTask v Int | mtask v
-task = declarePin D3 PMInput \d3->
-       declarePin D5 PMInput \d5->
-          sds \share=0
-       In fun \count=(\pin->
-                   readD pin
-               >>* [IfValue (\x->x) (\_->updSds (\x->x +. lit 1) share)]
-               >>| delay (lit 100) // debounce
-               >>| count pin)
-       In {main=count d3 .||. count d5}
-\end{lstClean}
-
-\chapter{Green computing with \texorpdfstring{\gls{MTASK}}{mTask}}%
-\label{chp:green_computing_mtask}
-
-\chapter{Integration with \texorpdfstring{\gls{ITASK}}{iTask}}%
-\label{chp:integration_with_itask}
 The \gls{MTASK} language is a multi-view \gls{DSL}, i.e.\ there are multiple interpretations possible for a single \gls{MTASK} term.
-Using the byte code compiler (\cleaninline{BCInterpret}) \gls{DSL} interpretation, \gls{MTASK} tasks are fully integrated in \gls{ITASK} and executed as if they were regular \gls{ITASK} tasks and communicate using \gls{ITASK} \glspl{SDS}.
-\Gls{MTASK} devices contain a domain-specific \gls{OS} (\gls{RTS}) and are little \gls{TOP} servers in their own respect, being able to execute tasks.
+Using the byte code compiler (\cleaninline{BCInterpret}) \gls{DSL} interpretation, \gls{MTASK} tasks can be fully integrated in \gls{ITASK}.
+They are executed as if they are regular \gls{ITASK} tasks and they communicate may access \glspl{SDS} from \gls{ITASK} as well.
+\Gls{MTASK} devices contain a domain-specific \gls{OS} (\gls{RTS}) and are little \gls{TOP} engines in their own respect, being able to execute tasks.
 \Cref{fig:mtask_integration} shows the architectural layout of a typical \gls{IOT} system created with \gls{ITASK} and \gls{MTASK}.
 The entire system is written as a single \gls{CLEAN} specification where multiple tasks are executed at the same time.
 Tasks can access \glspl{SDS} according to many-to-many communication and multiple clients can work on the same task.
-Devices are integrated into the system using the \cleaninline{widthDevice} function (see \cref{sec:withdevice}).
+Devices are integrated into the system using the \cleaninline{withDevice} function (see \cref{sec:withdevice}).
 Using \cleaninline{liftmTask}, \gls{MTASK} tasks are lifted to a device (see \cref{sec:liftmtask}).
 \Gls{ITASK} \glspl{SDS} are lifted to the \gls{MTASK} device using \cleaninline{liftsds} (see \cref{sec:liftmtask}).
 
@@ -645,7 +42,8 @@ Using \cleaninline{liftmTask}, \gls{MTASK} tasks are lifted to a device (see \cr
 \end{figure}
 
 \section{Devices}\label{sec:withdevice}
-\Gls{MTASK} tasks in the byte code compiler view are always executed on a certain device.
+When interpreted by the byte code compiler view, an \gls{MTASK} task produces a compiler.
+This compiler is exceuted at run time so that the resulting byte code can be sent to an edge device.
 All communication with this device happens through a so-called \emph{channels} \gls{SDS}.
 The channels contain three fields, a queue of messages that are received, a queue of messages to send and a stop flag.
 Every communication method that implements the \cleaninline{channelSync} class can provide the communication with an \gls{MTASK} device.
@@ -658,7 +56,7 @@ This task sets up the communication, exchanges specifications, handles errors an
 :: MTDevice //abstract
 :: Channels :== ([MTMessageFro], [MTMessageTo], Bool)
 
-class channelSync a :: a (sds () Channels Channels) -> Task () | RWShared sds
+class channelSync a :: a (Shared sds Channels) -> Task () | RWShared sds
 
 withDevice :: (a (MTDevice -> Task b) -> Task b) | iTask b & channelSync, iTask a
 \end{lstClean}
@@ -672,57 +70,23 @@ liftmTask :: (Main (BCInterpret (TaskValue u))) MTDevice -> Task u | iTask u
 \section{Lifting \texorpdfstring{\glsxtrlongpl{SDS}}{shared data sources}}\label{sec:liftsds}
 \begin{lstClean}[label={lst:mtask_itasksds},caption={Lifted \gls{ITASK} \glspl{SDS} in \gls{MTASK}.}]
 class liftsds v where
-       liftsds :: ((v (Sds t))->In (Shared sds t) (Main (MTask v u)))
+       liftsds :: ((v (Sds t)) -> In (Shared sds t) (Main (MTask v u)))
                -> Main (MTask v u) | RWShared sds
 \end{lstClean}
 
 \chapter{Implementation}%
 \label{chp:implementation}
+\begin{chapterabstract}
+       This chapter shows the implementation of the \gls{MTASK} system.
+       It is threefold: first it shows the implementation of the byte code compiler for \gls{MTASK}'s \gls{TOP} language, then is details of the implementation of \gls{MTASK}'s \gls{TOP} engine that executes the \gls{MTASK} tasks on the microcontroller, and finally it shows how the integration of \gls{MTASK} tasks and \glspl{SDS} is implemented both on the server and on the device.
+\end{chapterabstract}
 IFL19 paper, bytecode instructieset~\cref{chp:bytecode_instruction_set}
 
 \section{Integration with \texorpdfstring{\gls{ITASK}}{iTask}}
 IFL18 paper stukken
 
-\chapter{\texorpdfstring{\gls{MTASK}}{mTask} history}
-\section{Generating \texorpdfstring{\gls{C}/\gls{CPP}}{C/C++} code}
-A first throw at a class-based shallowly \gls{EDSL} for microprocessors was made by \citet{plasmeijer_shallow_2016}.
-The language was called \gls{ARDSL} and offered a type safe interface to \gls{ARDUINO} \gls{CPP} dialect.
-A \gls{CPP} code generation backend was available together with an \gls{ITASK} simulation backend.
-There was no support for tasks or even functions.
-Some time later in the 2015 \gls{CEFP} summer school, an extended version was created that allowed the creation of imperative tasks, \glspl{SDS} and the usage of functions~\citep{koopman_type-safe_2019}.
-The name then changed from \gls{ARDSL} to \gls{MTASK}.
-
-\section{Integration with \texorpdfstring{\gls{ITASK}}{iTask}}
-Mart Lubbers extended this in his Master's Thesis by adding integration with \gls{ITASK} and a bytecode compiler to the language~\citep{lubbers_task_2017}.
-\Gls{SDS} in \gls{MTASK} could be accessed on the \gls{ITASK} server.
-In this way, entire \gls{IOT} systems could be programmed from a single source.
-However, this version used a simplified version of \gls{MTASK} without functions.
-This was later improved upon by creating a simplified interface where \glspl{SDS} from \gls{ITASK} could be used in \gls{MTASK} and the other way around~\citep{lubbers_task_2018}.
-It was shown by Matheus Amazonas Cabral de Andrade that it was possible to build real-life \gls{IOT} systems with this integration~\citep{amazonas_cabral_de_andrade_developing_2018}.
-Moreover, a course on the \gls{MTASK} simulator was provided at the 2018 \gls{CEFP}/\gls{3COWS} winter school in Ko\v{s}ice, Slovakia~\citep{koopman_simulation_2018}.
-
-\section{Transition to \texorpdfstring{\gls{TOP}}{TOP}}
-The \gls{MTASK} language as it is now was introduced in 2018~\citep{koopman_task-based_2018}.
-This paper updated the language to support functions, tasks and \glspl{SDS} but still compiled to \gls{CPP} \gls{ARDUINO} code.
-Later the bytecode compiler and \gls{ITASK} integration was added to the language~\citep{lubbers_interpreting_2019}.
-Moreover, it was shown that it is very intuitive to write microprocessor applications in a \gls{TOP} language~\citep{lubbers_multitasking_2019}.
-One reason for this is that a lot of design patterns that are difficult using standard means are for free in \gls{TOP} (e.g.\ multithreading).
-In 2019, the \gls{CEFP} summer school in Budapest, Hungary hosted a course on developing \gls{IOT} applications with \gls{MTASK} as well~\citep{lubbers_writing_2019}.
-
-\section{\texorpdfstring{\gls{TOP}}{TOP}}
-In 2022, the SusTrainable summer school in Rijeka, Croatia hosted a course on developing greener \gls{IOT} applications using \gls{MTASK} as well (the lecture notes are to be written).
-Several students worked on extending \gls{MTASK} with many useful features:
-Erin van der Veen did preliminary work on a green computer analysis, built a simulator and explored the possibilities for adding bounded datatypes~\citep{veen_van_der_mutable_2020}; Michel de Boer investigated the possibilities for secure communication channels~\citep{boer_de_secure_2020}; and Sjoerd Crooijmans added abstractions for low-power operation to \gls{MTASK} such as hardware interrupts and power efficient scheduling~\citep{crooijmans_reducing_2021}.
-Elina Antonova defined a preliminary formal semantics for a subset of \gls{MTASK}~\citep{antonova_MTASK_2022}.
-Moreover, plans for student projects and improvements include exploring integrating \gls{TINYML} into \gls{MTASK}; and adding intermittent computing support to \gls{MTASK}.
-
-In 2023, the SusTrainable summer school in Coimbra, Portugal will host a course on \gls{MTASK} as well.
-
-\section{\texorpdfstring{\gls{MTASK}}{mTask} in practise}
-Funded by the Radboud-Glasgow Collaboration Fund, collaborative work was executed with Phil Trinder, Jeremy Singer and Adrian Ravi Kishore Ramsingh.
-An existing smart campus application was developed using \gls{MTASK} and quantitively and qualitatively compared to the original application that was developed using a traditional \gls{IOT} stack~\citep{lubbers_tiered_2020}.
-The collaboration is still ongoing and a journal article is under review comparing four approaches for the edge layer: \gls{PYTHON}, \gls{MICROPYTHON}, \gls{ITASK} and \gls{MTASK}.
-Furthermore, power efficiency behaviour of traditional versus \gls{TOP} \gls{IOT} stacks is being compared as well adding a \gls{FREERTOS} implementation to the mix as well
+% Green computing
+\subfile{green}
 
 \input{subfilepostamble}
 \end{document}