Desarrollo de un sistema automático de medida para el control del consumo en sistemas empotrados

El Grupo de Diseño Electrónico y Microelectrónico de la Universidad Politécnica de Madrid -GDEM- se dedica, entre otras cosas, al estudio y mejora del consumo en sistemas empotrados. Es en este lugar y sobre este tema donde el proyecto a exponer ha tomado forma y desarrollo. Según un artículo de la revista online Revista de Electrónica Embebida, un sistema empotrado o embebido es aquel “sistema controlado por un microprocesador y que gracias a la programación que incorpora o que se le debe incorporar, realiza una función específica para la que ha sido diseñado, integrando en su interior la mayoría de los elementos necesarios para realizar dicho función”. El porqué de estudiar sobre este tema responde a que, cada vez, hay mayor presencia de sistemas empotrados en nuestra vida cotidiana. Esto es debido a que se está tendiendo a dotar de “inteligencia” a todo lo que puedan hacer nuestra vida un poco más fácil. Nos podemos encontrar dichos sistemas en fábricas, oficinas de atención a los ciudadanos, sistemas de seguridad de hogar, relojes, móviles, lavadoras, hornos, aspiradores y un largo etcétera en cualquier aparato que nos podamos imaginar. A pesar de sus grandes ventajas, aún hay grandes inconvenientes. El mayor problema que supone a día de hoy es la autonomía del mismo sistema, ya que hablamos de aparatos que muchas veces están alimentados por baterías -para ayudar a su portabilidad–. Por esto, se está intentando dotar a dichos sistemas de una capacidad de ahorro de energía y toma de decisiones que podrían ayudar a duplicar la autonomía de dicha batería. Un ejemplo claro son los Smartphones de hoy en día, unos aparatos casi indispensables que pueden tener una autonomía de un día. Esto es poco práctico para el usuario en caso de viajes, trabajo u otras situaciones en las que se le dé mucho uso y no pueda tener acceso a una red eléctrica. Es por esto que surge la necesidad de investigar, sin necesidad de mejorar el hardware del sistema, una manera de mejorar esta situación. Este proyecto trabajará en esa línea creando un sistema automático de medida el cual generará las corrientes que servirán como entrada para verificar el sistema de adquisición que junto con la tarjeta Beagle Board permitirá la toma de decisiones en relación con el consumo de energía. Para realizar este sistema, nos ayudaremos de diferentes herramientas que podremos encontrar en el laboratorio del GDEM, como la fuente de alimentación Agilent y la Beagle Board –como principales herramientas de trabajo- . El objetivo principal será la simulación de unas señales que, después de pasar un proceso de conversión y tratado, harán la función de representación del consumo de cada una de las partes que pueden formar un sistema empotrado genérico. Por lo tanto, podemos decir que el sistema hará la funcionalidad de un banco de pruebas que ayudará a simular dicho consumo para que el microprocesador del sistema pueda llegar a tomar alguna decisión. ABSTRACT. The Electronic and Microelectronic Design Group of Universidad Politécnica de Madrid -GDEM- is in charge, between other issues, of improving the embedded system’s consumption. It is in this place and about this subject where the exposed project has taken shape and development. According to an article from de online magazine Revista de Electronica Embebida, an embedded system is “the one controlled by a microprocessor and, thanks to the programing that it includes, it carries out a specific function what it has been designed for, being integrated in it the most necessary elements for realizing the already said function”. The because of studying this subject, answers that each time there is more presence of the embedded system in our daily life. This is due to the tendency of providing “intelligence” to all what can make our lives easier. We can find this kind of systems in factories, offices, security systems, watchers, mobile phones, washing machines, ovens, hoovers and, definitely, in all kind of machines what we can think of. Despite its large vantages, there are still some inconveniences. Nowadays, the most important problem is the autonomy of the system itself when machines that have to be supplied by batteries –making easier the portability-. Therefore, this project is going after a save capacity of energy for the system as well as being able to take decisions in order to duplicate batteries’ autonomy. Smartphones are a clear example. They are a very successful product but the autonomy is just one day. This is not practical for users, at all, if they have to travel, to work or to do any activity that involves a huge use of the phone without a socket nearby. That is why the need of investigating a way to improve this situation. This project is working on this line, creating an automatic system that will generate the currents for verifying the acquisition system that, with the beagle board, will help taking decisions regarding the energy’s consumption. To carry out this system, we need different tools that we can find in the laboratory of the group previously mentioned, like power supply Agilent and the Beagle Board – as main working tools –. The main goal is the simulation of some signals that, after a conversion process, will represent de consumption of each of the parts in the embedded generic system. Therefore, the system will be a testing ground that simulate the consumption, once sent to the processor, to be processed and so the microprocessor system might take some decision.

Improved static analysis and verification of energy consumption and other resources via abstract interpretation

Resource analysis aims at inferring the cost of executing programs for any possible input, in terms of a given resource, such as the traditional execution steps, time ormemory, and, more recently energy consumption or user defined resources (e.g., number of bits sent over a socket, number of database accesses, number of calls to particular procedures, etc.). This is performed statically, i.e., without actually running the programs. Resource usage information is useful for a variety of optimization and verification applications, as well as for guiding software design. For example, programmers can use such information to choose different algorithmic solutions to a problem; program transformation systems can use cost information to choose between alternative transformations; parallelizing compilers can use cost estimates for granularity control, which tries to balance the overheads of task creation and manipulation against the benefits of parallelization. In this thesis we have significatively improved an existing prototype implementation for resource usage analysis based on abstract interpretation, addressing a number of relevant challenges and overcoming many limitations it presented. The goal of that prototype was to show the viability of casting the resource analysis as an abstract domain, and howit could overcome important limitations of the state-of-the-art resource usage analysis tools. For this purpose, it was implemented as an abstract domain in the abstract interpretation framework of the CiaoPP system, PLAI.We have improved both the design and implementation of the prototype, for eventually allowing an evolution of the tool to the industrial application level. The abstract operations of such tool heavily depend on the setting up and finding closed-form solutions of recurrence relations representing the resource usage behavior of program components and the whole program as well. While there exist many tools, such as Computer Algebra Systems (CAS) and libraries able to find closed-form solutions for some types of recurrences, none of them alone is able to handle all the types of recurrences arising during program analysis. In addition, there are some types of recurrences that cannot be solved by any existing tool. This clearly constitutes a bottleneck for this kind of resource usage analysis. Thus, one of the major challenges we have addressed in this thesis is the design and development of a novel modular framework for solving recurrence relations, able to combine and take advantage of the results of existing solvers. Additionally, we have developed and integrated into our novel solver a technique for finding upper-bound closed-form solutions of a special class of recurrence relations that arise during the analysis of programs with accumulating parameters. Finally, we have integrated the improved resource analysis into the CiaoPP general framework for resource usage verification, and specialized the framework for verifying energy consumption specifications of embedded imperative programs in a real application, showing the usefulness and practicality of the resulting tool.---ABSTRACT---El Análisis de recursos tiene como objetivo inferir el coste de la ejecución de programas para cualquier entrada posible, en términos de algún recurso determinado, como pasos de ejecución, tiempo o memoria, y, más recientemente, el consumo de energía o recursos definidos por el usuario (por ejemplo, número de bits enviados a través de un socket, el número de accesos a una base de datos, cantidad de llamadas a determinados procedimientos, etc.). Ello se realiza estáticamente, es decir, sin necesidad de ejecutar los programas. La información sobre el uso de recursos resulta muy útil para una gran variedad de aplicaciones de optimización y verificación de programas, así como para asistir en el diseño de los mismos. Por ejemplo, los programadores pueden utilizar dicha información para elegir diferentes soluciones algorítmicas a un problema; los sistemas de transformación de programas pueden utilizar la información de coste para elegir entre transformaciones alternativas; los compiladores paralelizantes pueden utilizar las estimaciones de coste para realizar control de granularidad, el cual trata de equilibrar el coste debido a la creación y gestión de tareas, con los beneficios de la paralelización. En esta tesis hemos mejorado de manera significativa la implementación de un prototipo existente para el análisis del uso de recursos basado en interpretación abstracta, abordando diversos desafíos relevantes y superando numerosas limitaciones que éste presentaba. El objetivo de dicho prototipo era mostrar la viabilidad de definir el análisis de recursos como un dominio abstracto, y cómo se podían superar las limitaciones de otras herramientas similares que constituyen el estado del arte. Para ello, se implementó como un dominio abstracto en el marco de interpretación abstracta presente en el sistema CiaoPP, PLAI. Hemos mejorado tanto el diseño como la implementación del mencionado prototipo para posibilitar su evolución hacia una herramienta utilizable en el ámbito industrial. Las operaciones abstractas de dicha herramienta dependen en gran medida de la generación, y posterior búsqueda de soluciones en forma cerrada, de relaciones recurrentes, las cuales modelizan el comportamiento, respecto al consumo de recursos, de los componentes del programa y del programa completo. Si bien existen actualmente muchas herramientas capaces de encontrar soluciones en forma cerrada para ciertos tipos de recurrencias, tales como Sistemas de Computación Algebraicos (CAS) y librerías de programación, ninguna de dichas herramientas es capaz de tratar, por sí sola, todos los tipos de recurrencias que surgen durante el análisis de recursos. Existen incluso recurrencias que no las puede resolver ninguna herramienta actual. Esto constituye claramente un cuello de botella para este tipo de análisis del uso de recursos. Por lo tanto, uno de los principales desafíos que hemos abordado en esta tesis es el diseño y desarrollo de un novedoso marco modular para la resolución de relaciones recurrentes, combinando y aprovechando los resultados de resolutores existentes. Además de ello, hemos desarrollado e integrado en nuestro nuevo resolutor una técnica para la obtención de cotas superiores en forma cerrada de una clase característica de relaciones recurrentes que surgen durante el análisis de programas lógicos con parámetros de acumulación. Finalmente, hemos integrado el nuevo análisis de recursos con el marco general para verificación de recursos de CiaoPP, y hemos instanciado dicho marco para la verificación de especificaciones sobre el consumo de energía de programas imperativas embarcados, mostrando la viabilidad y utilidad de la herramienta resultante en una aplicación real.

Internet of things virtualization and identity management via fiware generic enablers

La iniciativa FIWARE ofrece un conjunto de APIs potentes que proporcionan la base para una innovación rápida y eficiente en el Internet del Futuro. Estas APIs son clave en el desarrollo de aplicaciones que usan tecnologías muy recientes e innovadoras, como el Internet de las cosas o la Gestión de Identidad en módulos de seguridad. Este documento presenta el desarrollo de una aplicación web de FIWARE usando componentes virtualizados en máquinas virtuales. La aplicación web está basada en “la fábrica de chocolate de Willy Wonka” como una implementación metafórica de una aplicación de seguridad e IoT en un entorno industrial. El componente principal es un servidor web en node.js que conecta con varios componentes de FIWARE, conocidos como “Generic Enablers”. La implementación está compuesta por dos módulos principales: el módulo de IoT y el módulo de seguridad. El módulo de IoT gestiona los sensores instalados por Willy Wonka en las salas de fábrica para monitorizar varios parámetros como, por ejemplo, la temperatura, la presión o la ocupación. El módulo de IoT crea y recibe información de contexto de los sensores virtuales. Esta información de contexto es gestionada y almacenada en un componente de FIWARE conocido como Context Broker. El Context Broker está basado en mecanismos de subscripciones que postean los datos de los sensores en la aplicación, en tiempo real y cuando estos cambian. La conexión con el cliente se produce mediante Web Sockets (socket.io). El módulo de seguridad gestiona las cuentas y la información de los usuarios, les autentica en la aplicación usando una cuenta de FIWARE y comprueba la autorización para acceder a distintos recursos. Distintos roles son creados con distintos permisos asignados. Por ejemplo, Willy Wonka puede tener acceso a todos los recursos, mientras que un Oompa Loopa encargado de la sala del chocolate solo deberías de tener acceso a los recursos de su sala. Este módulo está compuesto por tres componentes: el Gestor de Identidades, el PEP Proxy y el PDP AuthZForce. El gestor de identidades almacena las cuentas de FIWARE de los usuarios y permite la autenticación Single Sing On usando el protocolo OAuth2. Tras logearse, los usuarios autenticados reciben un token de autenticación que es usado después por el AuthZForce para comprobar el rol y permiso asociado del usuario. El PEP Proxy actúa como un servidor proxy que redirige las peticiones permitidas y bloquea las no autorizadas.

Desarrollo de un sistema WEBRTC de tutorización interactiva

El objetivo de este proyecto es la continuación del desarrollo de una plataforma web bajo el sistema WebRTC que, integrada en el ámbito académico, proporcionase un servicio en tiempo real de compartición de información tanto a alumnos como a profesores. Entre esta información posible a compartir, además de mensajes y la propia videollamada que resulta la base de la plataforma, se pueden compartir explicaciones en una pizarra, videos o presentaciones que ayuden en la interacción entre los integrantes de la plataforma. Mientras que la base de la plataforma se encontraba implementada, el sistema no resultaba útil y funcional en dicho estado debido a la multitud de errores y fallos que ocurrían durante su funcionamiento en el sistema de intercambio de información entre los módulos que componen el sistema. Por ello, el objetivo de este trabajo es introducirse en esas capas, rediseñar dicho sistema de intercambio de información entre los diferentes actores que forman parte de la plataforma e implementarlo, logrando así un producto usable para un potencial cliente a partir de este punto y abierto a futuras mejores partiendo de este estado. Para ello además de la tecnología WebRTC, se han incluido funcionalidades con Javascript, Node.JS, jQuery o Socket.IO entre otras APIs. A partir de este sistema y de estas tecnologías, un profesor puede crear un aula virtual, seleccionar los derechos que les proporciona a sus alumnos en la misma y realizar una clase por dicha plataforma sin apenas diferencia a una presencial. Pero no se limita sólo a eso, sino que pueden realizarse tutorías, debates o reuniones entre compañeros de departamento para preparar asignaturas o exámenes. Lo cual genera multitud de posibilidades, no sólo en el ámbito académico, sino fuera de él, para reuniones en empresas, cursos online… En definitiva, con la base de funcionalidades ya implementada previamente y la adición del objetivo de este trabajo de fin de grado que finaliza esas funcionalidades y rediseña e implementa el sistema de intercambio de información para que la plataforma sea 100% usable sin los problemas que el usuario se podía encontrar anteriormente, se obtiene una plataforma con un gran potencial académico con la que los usuarios, bajo la base de la videollamada, podrán encontrar un ambiente de compartición de información como si estuviesen en el mismo lugar físico.