Real-time Parallel Applications on Many-core Architectures

Presented at INForum - Simpósio de Informática (INFORUM 2015). 7 to 8, Sep, 2015. Portugal.

Run-time Monitoring Architecture for RealTime Systems

Presented at INForum - Simpósio de Informática (INFORUM 2015). 7 to 8, Sep, 2015. Portugal.

Parallel Software framework for time-critical many-core systems

The recent technological advancements and market trends are causing an interesting phenomenon towards the convergence of High-Performance Computing (HPC) and Embedded Computing (EC) domains. On one side, new kinds of HPC applications are being required by markets needing huge amounts of information to be processed within a bounded amount of time. On the other side, EC systems are increasingly concerned with providing higher performance in real-time, challenging the performance capabilities of current architectures. The advent of next-generation many-core embedded platforms has the chance of intercepting this converging need for predictable high-performance, allowing HPC and EC applications to be executed on efficient and powerful heterogeneous architectures integrating general-purpose processors with many-core computing fabrics. To this end, it is of paramount importance to develop new techniques for exploiting the massively parallel computation capabilities of such platforms in a predictable way. P-SOCRATES will tackle this important challenge by merging leading research groups from the HPC and EC communities. The time-criticality and parallelisation challenges common to both areas will be addressed by proposing an integrated framework for executing workload-intensive applications with real-time requirements on top of next-generation commercial-off-the-shelf (COTS) platforms based on many-core accelerated architectures. The project will investigate new HPC techniques that fulfil real-time requirements. The main sources of indeterminism will be identified, proposing efficient mapping and scheduling algorithms, along with the associated timing and schedulability analysis, to guarantee the real-time and performance requirements of the applications.

Embedded Multi-Core systems for Mixed Criticality applications in dynamic and changeable real-time environments

EMC2 finds solutions for dynamic adaptability in open systems. It provides handling of mixed criticality multicore applications in r eal-time conditions, withscalability and utmost flexibility, full-scale deployment and management of integrated tool chains, through the entire lifecycle.

A Multi–Agent Brokerage Platform for Media Content Recommendation

Near real time media content personalisation is nowadays a major challenge involving media content sources, distributors and viewers. This paper describes an approach to seamless recommendation, negotiation and transaction of personalised media content. It adopts an integrated view of the problem by proposing, on the business-to-business (B2B) side, a brokerage platform to negotiate the media items on behalf of the media content distributors and sources, providing viewers, on the business-to-consumer (B2C) side, with a personalised electronic programme guide (EPG) containing the set of recommended items after negotiation. In this setup, when a viewer connects, the distributor looks up and invites sources to negotiate the contents of the viewer personal EPG. The proposed multi-agent brokerage platform is structured in four layers, modelling the registration, service agreement, partner lookup, invitation as well as item recommendation, negotiation and transaction stages of the B2B processes. The recommendation service is a rule-based switch hybrid filter, including six collaborative and two content-based filters. The rule-based system selects, at runtime, the filter(s) to apply as well as the final set of recommendations to present. The filter selection is based on the data available, ranging from the history of items watched to the ratings and/or tags assigned to the items by the viewer. Additionally, this module implements (i) a novel item stereotype to represent newly arrived items, (ii) a standard user stereotype for new users, (iii) a novel passive user tag cloud stereotype for socially passive users, and (iv) a new content-based filter named the collinearity and proximity similarity (CPS). At the end of the paper, we present off-line results and a case study describing how the recommendation service works. The proposed system provides, to our knowledge, an excellent holistic solution to the problem of recommending multimedia contents.

The characteristic time of glucose diffusion measured for muscle tissue at optical clearing

The study of agent diffusion in biological tissues is very important to understand and characterize the optical clearing effects and mechanisms involved: tissue dehydration and refractive index matching. From measurements made to study the optical clearing, it is obvious that light scattering is reduced and that the optical properties of the tissue are controlled in the process. On the other hand, optical measurements do not allow direct determination of the diffusion properties of the agent in the tissue and some calculations are necessary to estimate those properties. This fact is imposed by the occurrence of two fluxes at optical clearing: water typically directed out of and agent directed into the tissue. When the water content in the immersion solution is approximately the same as the free water content of the tissue, a balance is established for water and the agent flux dominates. To prove this concept experimentally, we have measured the collimated transmittance of skeletal muscle samples under treatment with aqueous solutions containing different concentrations of glucose. After estimating the mean diffusion time values for each of the treatments we have represented those values as a function of glucose concentration in solution. Such a representation presents a maximum diffusion time for a water content in solution equal to the tissue free water content. Such a maximum represents the real diffusion time of glucose in the muscle and with this value we could calculate the corresponding diffusion coefficient.

Cross-Layer Admission Control to Enhance the Support of Real-Time Applications in WSN

Real-time monitoring applications may be used in a wireless sensor network (WSN) and may generate packet flows with strict quality of service requirements in terms of delay, jitter, or packet loss. When strict delays are imposed from source to destination, the packets must be delivered at the destination within an end-to-end delay (EED) hard limit in order to be considered useful. Since the WSN nodes are scarce both in processing and energy resources, it is desirable that they only transport useful data, as this contributes to enhance the overall network performance and to improve energy efficiency. In this paper, we propose a novel cross-layer admission control (CLAC) mechanism to enhance the network performance and increase energy efficiency of a WSN, by avoiding the transmission of potentially useless packets. The CLAC mechanism uses an estimation technique to preview packets EED, and decides to forward a packet only if it is expected to meet the EED deadline defined by the application, dropping it otherwise. The results obtained show that CLAC enhances the network performance by increasing the useful packet delivery ratio in high network loads and improves the energy efficiency in every network load.

Fractional State Space Analysis of Temperature Time Series

Atmospheric temperatures characterize Earth as a slow dynamics spatiotemporal system, revealing long-memory and complex behavior. Temperature time series of 54 worldwide geographic locations are considered as representative of the Earth weather dynamics. These data are then interpreted as the time evolution of a set of state space variables describing a complex system. The data are analyzed by means of multidimensional scaling (MDS), and the fractional state space portrait (fSSP). A centennial perspective covering the period from 1910 to 2012 allows MDS to identify similarities among different Earth’s locations. The multivariate mutual information is proposed to determine the “optimal” order of the time derivative for the fSSP representation. The fSSP emerges as a valuable alternative for visualizing system dynamics.

Sistema de monitorização e alarmística de ativos de rede

Este documento contém todo o estudo e planeamento para a implementação de um novo sistema de monitorização e alarmística, desenvolvido para o serviço de informática, no decorrer do estágio profissional no Instituto Português de Oncologia do Porto. Observou-se que o sistema já existente, apesar de facilitar algumas ações da equipa, apresentava muitas lacunas, mas ao mesmo tempo uma boa abertura para evolução. A criação desse sistema teve que contemplar um conjunto de objetivos que levaram a elaboração de estudos, permitindo uma análise e fundamento na tomada de decisões e na criação de tarefas e testes. É apresentado também um estudo de uma nova arquitetura, pois devido a falta de recursos que a solução já implementada tinha, que permitisse ao serviço de informática obter um sistema robusto, redundante, fiável, seguro e sempre disponível.

Estratégias de Comercialização de Potência como Medida de Eficiência Energética

A presente dissertação insere-se no âmbito da unidade curricular “ Dissertação” do 2º ano do mestrado em Engenharia Eletrotécnica – Sistemas Elétricos de Energia. Com o aumento crescente do número de consumidores de energia, é cada vez mais imperioso a adoção de medidas de racionalização e gestão dos consumos da energia elétrica. Existem diferentes tipos de dificuldades no planeamento e implementação de novas centrais produtoras de energia renovável, pelo que também por este motivo é cada vez mais importante adoção de medidas de gestão de consumos, quer ao nível dos clientes alimentados em média tensão como de baixa tensão. Desta forma será mais acessível a criação de padrões de eficiência energética elevados em toda a rede de distribuição de energia elétrica. Também a economia é afetada por uma fraca gestão dos consumos por parte dos clientes. Elevados desperdícios energéticos levam a que mais energia tenha que ser produzida, energia essa que contribui ainda mais para a elevada taxa de dependência energética em Portugal, e para o degradar da economia nacional. Coloca-se assim a necessidade de implementar planos e métodos que promovam a eficiência energética e a gestão racional de consumos de energia elétrica. Apresenta-se nesta dissertação várias propostas, algumas na forma de projetos já em execução, que visam sensibilizar o consumidor para a importância da utilização eficiente de energia e, ao mesmo tempo, disponibilizam as ferramentas tecnológicas adequadas para auxiliar a implementação dos métodos propostos. Embora os planos apresentados, sobejamente conhecidos, tenham imensa importância, a implementação nos vários consumidores de sistemas capazes de efetivamente reduzir consumos tem um papel fundamental. Equipamentos de gestão de consumos, que são apresentados nesta dissertação, permitem ao consumidor aceder diretamente ao seu consumo. Podem aceder não apenas ao consumo global da instalação mas também ao consumo específico por equipamento, permitindo perceber onde se verifica a situação mais desfavorável. Funcionalidades de programação de perfis tipo, com limitações de potência em vários períodos horários, bem como possibilidades de controlo remoto com recurso a aplicações para Smartphones permitem a redução de consumos ao nível da rede de distribuição e, desta forma, contribuir para a redução dos desperdícios e da dependência energética em Portugal. No âmbito do trabalho de dissertação é desenvolvida uma metodologia de comercialização de potência, que é apresentada nesta tese. Esta metodologia propõem que o consumidor, em função dos seus consumos, pague apenas a quantidade de potência que efetivamente necessita num certo período de tempo. Assim, o consumidor deixa de pagar uma tarifa mensal fixa associada á sua potência contratada, e passará a pagar um valor correspondente apenas à potência que efetivamente solicitou em todas as horas durante o mês. Nesta metodologia que é apresentada, o consumidor poderá também fazer uma análise do seu diagrama de cargas e simular uma alteração da sua tarifa, tarifa esta que varia entre tarifa simples, bi-horária semanal, bi-horária diária, tri-horária semanal ou tri-horária diária, de forma a perceber em qual destas pagará um menor valor pela mesma energia. De forma a que o consumidor possa perceber se haverá vantagem de uma alteração para uma potência contratada flexível, ou para uma outra tarifa associada á energia, tem ao seu dispor uma ferramenta, que em função dos seus consumos, permite retirar conclusões sobre o preço final a pagar na fatura, após cada tipo de alteração. Esta ferramenta foi validada com recurso a várias simulações, para diferentes perfis de consumidores. Desta forma, o utilizador fica a perceber que realmente pode poupar com uma potência contratada flexível, ao mesmo tempo que pode identificar-se com um perfil de simulação e, mais facilmente, perceber para que alteração tarifária pode usufruir de uma maior poupança.

Real-time Task-Splitting scheduling algorithms framework

Nos dias de hoje, os sistemas de tempo real crescem em importância e complexidade. Mediante a passagem do ambiente uniprocessador para multiprocessador, o trabalho realizado no primeiro não é completamente aplicável no segundo, dado que o nível de complexidade difere, principalmente devido à existência de múltiplos processadores no sistema. Cedo percebeu-se, que a complexidade do problema não cresce linearmente com a adição destes. Na verdade, esta complexidade apresenta-se como uma barreira ao avanço científico nesta área que, para já, se mantém desconhecida, e isto testemunha-se, essencialmente no caso de escalonamento de tarefas. A passagem para este novo ambiente, quer se trate de sistemas de tempo real ou não, promete gerar a oportunidade de realizar trabalho que no primeiro caso nunca seria possível, criando assim, novas garantias de desempenho, menos gastos monetários e menores consumos de energia. Este último fator, apresentou-se desde cedo, como, talvez, a maior barreira de desenvolvimento de novos processadores na área uniprocessador, dado que, à medida que novos eram lançados para o mercado, ao mesmo tempo que ofereciam maior performance, foram levando ao conhecimento de um limite de geração de calor que obrigou ao surgimento da área multiprocessador. No futuro, espera-se que o número de processadores num determinado chip venha a aumentar, e como é óbvio, novas técnicas de exploração das suas inerentes vantagens têm de ser desenvolvidas, e a área relacionada com os algoritmos de escalonamento não é exceção. Ao longo dos anos, diferentes categorias de algoritmos multiprocessador para dar resposta a este problema têm vindo a ser desenvolvidos, destacando-se principalmente estes: globais, particionados e semi-particionados. A perspectiva global, supõe a existência de uma fila global que é acessível por todos os processadores disponíveis. Este fato torna disponível a migração de tarefas, isto é, é possível parar a execução de uma tarefa e resumir a sua execução num processador distinto. Num dado instante, num grupo de tarefas, m, as tarefas de maior prioridade são selecionadas para execução. Este tipo promete limites de utilização altos, a custo elevado de preempções/migrações de tarefas. Em contraste, os algoritmos particionados, colocam as tarefas em partições, e estas, são atribuídas a um dos processadores disponíveis, isto é, para cada processador, é atribuída uma partição. Por essa razão, a migração de tarefas não é possível, acabando por fazer com que o limite de utilização não seja tão alto quando comparado com o caso anterior, mas o número de preempções de tarefas decresce significativamente. O esquema semi-particionado, é uma resposta de caráter hibrido entre os casos anteriores, pois existem tarefas que são particionadas, para serem executadas exclusivamente por um grupo de processadores, e outras que são atribuídas a apenas um processador. Com isto, resulta uma solução que é capaz de distribuir o trabalho a ser realizado de uma forma mais eficiente e balanceada. Infelizmente, para todos estes casos, existe uma discrepância entre a teoria e a prática, pois acaba-se por se assumir conceitos que não são aplicáveis na vida real. Para dar resposta a este problema, é necessário implementar estes algoritmos de escalonamento em sistemas operativos reais e averiguar a sua aplicabilidade, para caso isso não aconteça, as alterações necessárias sejam feitas, quer a nível teórico quer a nível prá

Multicore Scheduling of Real-Time Irregular Parallel Algorithms in Linux

Face à estagnação da tecnologia uniprocessador registada na passada década, aos principais fabricantes de microprocessadores encontraram na tecnologia multi-core a resposta `as crescentes necessidades de processamento do mercado. Durante anos, os desenvolvedores de software viram as suas aplicações acompanhar os ganhos de performance conferidos por cada nova geração de processadores sequenciais, mas `a medida que a capacidade de processamento escala em função do número de processadores, a computação sequencial tem de ser decomposta em várias partes concorrentes que possam executar em paralelo, para que possam utilizar as unidades de processamento adicionais e completar mais rapidamente. A programação paralela implica um paradigma completamente distinto da programação sequencial. Ao contrário dos computadores sequenciais tipificados no modelo de Von Neumann, a heterogeneidade de arquiteturas paralelas requer modelos de programação paralela que abstraiam os programadores dos detalhes da arquitectura e simplifiquem o desenvolvimento de aplicações concorrentes. Os modelos de programação paralela mais populares incitam os programadores a identificar instruções concorrentes na sua lógica de programação, e a especificá-las sob a forma de tarefas que possam ser atribuídas a processadores distintos para executarem em simultâneo. Estas tarefas são tipicamente lançadas durante a execução, e atribuídas aos processadores pelo motor de execução subjacente. Como os requisitos de processamento costumam ser variáveis, e não são conhecidos a priori, o mapeamento de tarefas para processadores tem de ser determinado dinamicamente, em resposta a alterações imprevisíveis dos requisitos de execução. `A medida que o volume da computação cresce, torna-se cada vez menos viável garantir as suas restrições temporais em plataformas uniprocessador. Enquanto os sistemas de tempo real se começam a adaptar ao paradigma de computação paralela, há uma crescente aposta em integrar execuções de tempo real com aplicações interativas no mesmo hardware, num mundo em que a tecnologia se torna cada vez mais pequena, leve, ubíqua, e portável. Esta integração requer soluções de escalonamento que simultaneamente garantam os requisitos temporais das tarefas de tempo real e mantenham um nível aceitável de QoS para as restantes execuções. Para tal, torna-se imperativo que as aplicações de tempo real paralelizem, de forma a minimizar os seus tempos de resposta e maximizar a utilização dos recursos de processamento. Isto introduz uma nova dimensão ao problema do escalonamento, que tem de responder de forma correcta a novos requisitos de execução imprevisíveis e rapidamente conjeturar o mapeamento de tarefas que melhor beneficie os critérios de performance do sistema. A técnica de escalonamento baseado em servidores permite reservar uma fração da capacidade de processamento para a execução de tarefas de tempo real, e assegurar que os efeitos de latência na sua execução não afectam as reservas estipuladas para outras execuções. No caso de tarefas escalonadas pelo tempo de execução máximo, ou tarefas com tempos de execução variáveis, torna-se provável que a largura de banda estipulada não seja consumida por completo. Para melhorar a utilização do sistema, os algoritmos de partilha de largura de banda (capacity-sharing) doam a capacidade não utilizada para a execução de outras tarefas, mantendo as garantias de isolamento entre servidores. Com eficiência comprovada em termos de espaço, tempo, e comunicação, o mecanismo de work-stealing tem vindo a ganhar popularidade como metodologia para o escalonamento de tarefas com paralelismo dinâmico e irregular. O algoritmo p-CSWS combina escalonamento baseado em servidores com capacity-sharing e work-stealing para cobrir as necessidades de escalonamento dos sistemas abertos de tempo real. Enquanto o escalonamento em servidores permite partilhar os recursos de processamento sem interferências a nível dos atrasos, uma nova política de work-stealing que opera sobre o mecanismo de capacity-sharing aplica uma exploração de paralelismo que melhora os tempos de resposta das aplicações e melhora a utilização do sistema. Esta tese propõe uma implementação do algoritmo p-CSWS para o Linux. Em concordância com a estrutura modular do escalonador do Linux, ´e definida uma nova classe de escalonamento que visa avaliar a aplicabilidade da heurística p-CSWS em circunstâncias reais. Ultrapassados os obstáculos intrínsecos `a programação da kernel do Linux, os extensos testes experimentais provam que o p-CSWS ´e mais do que um conceito teórico atrativo, e que a exploração heurística de paralelismo proposta pelo algoritmo beneficia os tempos de resposta das aplicações de tempo real, bem como a performance e eficiência da plataforma multiprocessador.

A framework for real time MMO game content generation

Com o aumento de plataformas móveis disponíveis no mercado e com o constante incremento na sua capacidade computacional, a possibilidade de executar aplicações e em especial jogos com elevados requisitos de desempenho aumentou consideravelmente. O mercado dos videojogos tem assim um cada vez maior número de potenciais clientes. Em especial, o mercado de jogos massive multiplayer online (MMO) tem-se tornado muito atractivo para as empresas de desenvolvimento de jogos. Estes jogos suportam uma elevada quantidade de jogadores em simultâneo que podem estar a executar o jogo em diferentes plataformas e distribuídos por um "mundo" de jogo extenso. Para incentivar a exploração desse "mundo", distribuem-se de forma inteligente pontos de interesse que podem ser explorados pelo jogador. Esta abordagem leva a um esforço substancial no planeamento e construção desses mundos, gastando tempo e recursos durante a fase de desenvolvimento. Isto representa um problema para as empresas de desenvolvimento de jogos, e em alguns casos, e impraticável suportar tais custos para equipas indie. Nesta tese e apresentada uma abordagem para a criação de mundos para jogos MMO. Estudam-se vários jogos MMO que são casos de sucesso de modo a identificar propriedades comuns nos seus mundos. O objectivo e criar uma framework flexível capaz de gerar mundos com estruturas que respeitam conjuntos de regras definidas por game designers. Para que seja possível usar a abordagem aqui apresentada em v arias aplicações diferentes, foram desenvolvidos dois módulos principais. O primeiro, chamado rule-based-map-generator, contem a lógica e operações necessárias para a criação de mundos. O segundo, chamado blocker, e um wrapper à volta do módulo rule-based-map-generator que gere as comunicações entre servidor e clientes. De uma forma resumida, o objectivo geral e disponibilizar uma framework para facilitar a geração de mundos para jogos MMO, o que normalmente e um processo bastante demorado e aumenta significativamente o custo de produção, através de uma abordagem semi-automática combinando os benefícios de procedural content generation (PCG) com conteúdo gráfico gerado manualmente.