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.

Papel do polimorfismo Pro12 Ala no gene PPAR Gama 2 na obesidade e diabetes mellitus tipo 2 - uma meta análise

A obesidade e a diabetes mellitus tipo 2 (DM2) são considerados dois grandes problemas de saúde pública. A má alimentação e a falta de atividade física encontram-se entre os principais desencadeadores de um crescente número de indivíduos obesos, diabéticos e com sensibilidade à insulina diminuída. Este aumento tem motivado a comunidade científica a investigar cada vez mais para o elevado contributo da herança genética associada aos fatores sociais e nutricionais. O gene dos recetores ativados por proliferadores do peroxissoma gama 2 (PPARγ2) desempenha um papel importante no metabolismo lipídico. Uma vez que o PPARγ2 é maioritariamente expresso no tecido adiposo, uma redução moderada da sua atividade tem influência na sensibilidade à insulina, diabetes, e outros parâmetros metabólicos. Vários estudos sugerem que tanto fatores genéticos como fatores ambientais (tais como a dieta), poderão estar envolvidos na formação de padrões associados ao polimorfismo Pro12Ala com a composição corporal em diferentes populações humanas. Os diversos estudos genéticos envolvendo o estudo do polimorfismo Pro12Ala do PPARγ2 na suscetibilidade de possuir risco de diabetes e obesidade em várias populações têm proposto conclusões diversas. Em alguns parece haver mais associações do que outros e, às vezes, não demonstram sequer associação. Desta forma, o presente trabalho teve como objectivo contribuir para a elucidação do impacto do polimorfismo Pro12Ala do PPARγ2 na resistência à insulina associada à DM2 e na obesidade, mediante estudo sistematizado da literatura existente até à data, através de meta análise. Do total de uma pesquisa de 63 publicações, foram incluídos 32 artigos no presente estudo, sendo que destes 25 foram incluídos na síntese qualitativa e 11 incluídos na sintese quantitativa. No presente trabalho pode-se concluir que existe evidência estatística que suporta a hipótese de que o polimorfismo Pro12Ala do PPARγ2 pode ser considerado um fator protetor para a DM2 [p <0,05 e OR (odds ratio) 0,702, com IC (intervalos de confiança) com valores que nunca incluem o 1]. No entanto, e mediante os mesmos pressupostos, o mesmo polimorfismo pode ser considerado um fator de risco ao desenvolvimento de obesidade, pela evidência estatística [p <0,05 e OR de 1,196, com IC com valores que nunca incluem o 1].

Auto-parametrização de meta-heurísticas para escalonamento dinâmico

Este artigo aborda o problema da parametrização de Técnicas de Optimização Inspiradas na Biologia (BIT - Biological Inspired Optimization Techniques), também conhecidas como Meta-heurísticas, considerando a importância que estas técnicas têm na resolução de situações de mundo real, sujeitas a perturbações externas. É proposto um módulo de aprendizagem com o objectivo de permitir que um Sistema Multi-Agente (SMA) para Escalonamento seleccione automaticamente uma Metaheurística e escolha a parametrização a usar no processo de optimização. Para o módulo de aprendizagem foi usado o Raciocínio baseado em Casos (RBC), permitindo ao sistema aprender a partir da experiência acumulada na resolução de problemas similares. Através da análise dos resultados obtidos é possível concluir acerca das vantagens da sua utilização.

Image upsampling algorithms applied on Nuclear Medicine: comparision of hqnx and nxSaI algorithms families with two interpolation algorithms - nearest neighbour and bicubic interpolation

Introduction: Image resizing is a normal feature incorporated into the Nuclear Medicine digital imaging. Upsampling is done by manufacturers to adequately fit more the acquired images on the display screen and it is applied when there is a need to increase - or decrease - the total number of pixels. This paper pretends to compare the “hqnx” and the “nxSaI” magnification algorithms with two interpolation algorithms – “nearest neighbor” and “bicubic interpolation” – in the image upsampling operations. Material and Methods: Three distinct Nuclear Medicine images were enlarged 2 and 4 times with the different digital image resizing algorithms (nearest neighbor, bicubic interpolation nxSaI and hqnx). To evaluate the pixel’s changes between the different output images, 3D whole image plot profiles and surface plots were used as an addition to the visual approach in the 4x upsampled images. Results: In the 2x enlarged images the visual differences were not so noteworthy. Although, it was clearly noticed that bicubic interpolation presented the best results. In the 4x enlarged images the differences were significant, with the bicubic interpolated images presenting the best results. Hqnx resized images presented better quality than 4xSaI and nearest neighbor interpolated images, however, its intense “halo effect” affects greatly the definition and boundaries of the image contents. Conclusion: The hqnx and the nxSaI algorithms were designed for images with clear edges and so its use in Nuclear Medicine images is obviously inadequate. Bicubic interpolation seems, from the algorithms studied, the most suitable and its each day wider applications seem to show it, being assumed as a multi-image type efficient algorithm.

Machine Learning Algorithms at Myocardial Perfusion Imaging - a Preliminary Study

Introduction: A major focus of data mining process - especially machine learning researches - is to automatically learn to recognize complex patterns and help to take the adequate decisions strictly based on the acquired data. Since imaging techniques like MPI – Myocardial Perfusion Imaging on Nuclear Cardiology, can implicate a huge part of the daily workflow and generate gigabytes of data, there could be advantages on Computerized Analysis of data over Human Analysis: shorter time, homogeneity and consistency, automatic recording of analysis results, relatively inexpensive, etc.Objectives: The aim of this study relates with the evaluation of the efficacy of this methodology on the evaluation of MPI Stress studies and the process of decision taking concerning the continuation – or not – of the evaluation of each patient. It has been pursued has an objective to automatically classify a patient test in one of three groups: “Positive”, “Negative” and “Indeterminate”. “Positive” would directly follow to the Rest test part of the exam, the “Negative” would be directly exempted from continuation and only the “Indeterminate” group would deserve the clinician analysis, so allowing economy of clinician’s effort, increasing workflow fluidity at the technologist’s level and probably sparing time to patients. Methods: WEKA v3.6.2 open source software was used to make a comparative analysis of three WEKA algorithms (“OneR”, “J48” and “Naïve Bayes”) - on a retrospective study using the comparison with correspondent clinical results as reference, signed by nuclear cardiologist experts - on “SPECT Heart Dataset”, available on University of California – Irvine, at the Machine Learning Repository. For evaluation purposes, criteria as “Precision”, “Incorrectly Classified Instances” and “Receiver Operating Characteristics (ROC) Areas” were considered. Results: The interpretation of the data suggests that the Naïve Bayes algorithm has the best performance among the three previously selected algorithms. Conclusions: It is believed - and apparently supported by the findings - that machine learning algorithms could significantly assist, at an intermediary level, on the analysis of scintigraphic data obtained on MPI, namely after Stress acquisition, so eventually increasing efficiency of the entire system and potentially easing both roles of Technologists and Nuclear Cardiologists. In the actual continuation of this study, it is planned to use more patient information and significantly increase the population under study, in order to allow improving system accuracy.

The evidence of conventional physiotherapeutic interventions after exercise-induced muscle damage: systematic review and meta-analysis

Abstract Introduction: Exhaustive and/or unaccustomed exercise, mainly those involving eccentric muscle actions, induces temporary muscle damage, evidenced by Delayed Onset Muscle Soreness. Different strategies to recover the signs and symptoms of this myogenic condition have been studied by researchers, as a result a significant number of articles on this issue have been published. Purpose: A systematic review was conducted to assess the evidence of the physiotherapeutic interventions of exercise-induced muscle damage. Methods: The electronic data bases were searched, including MEDLINE (1996-2011), CINHAL (1982- 2011), EMBASE (1988-2011), PEDro (1950-2011), and SPORTDiscus (1985-2011). Systematic review was limited to randomized control trials (RCTs) studies, written in English or Portuguese, which included physiotherapeutic interventions, namely massage, cryotherapy, stretching and low-intensity exercise, on adult human subjects (18-60 years old) of either gender. Studies were excluded when the intervention could not be assessed independently. The methodological quality of RCTs was independently assessed with the PEDro Scale by three reviewers. Results: Thirty-three studies were included in the systematic review; eight analyzed the effects of the massage, ten analyzed the effects of the cryotherapy, eight the effect of stretching and seventeen focused low-intensity exercise intervention. The results suggest that massage is the most effective intervention and that there is inconclusive evidence to support the use of cryotherapy; whereas the other conventional, namely stretching and low-intensity exercise, there is no evidence to prove their efficacy. Conclusion: The results allow the conclusion that massage is the physiotherapeutic intervention that demonstrated to be the most effective in the relief of symptoms and signs of exercise-induced muscle damage, as a result, massage should still be used in the muscular recovery after sports activities.

Balanceamento de linhas de produção usando algoritmos genéticos

Aquando da definição de um layout por fluxo de produto, ou linha de produção, é necessário proceder-se à melhor selecção de combinações de tarefas a serem executadas em cada estação / posto de trabalho para que o trabalho seja executado numa sequência exequível e sejam necessárias quantidades de tempo aproximadamente iguais em cada estação / posto de trabalho. Este processo é chamado de balanceamento da linha de produção. Verifica-se que as estações de trabalho e equipamentos podem ser combinados de muitas maneiras diferentes; daí que a necessidade de efectuar o balanceamento das linhas de produção implique a distribuição de actividades sequenciais por postos de trabalho de modo a permitir uma elevada utilização de trabalho e de equipamentos e a minimizar o tempo de vazio. Os problemas de balanceamento de linhas são tipicamente problemas complexos de tratar, devido ao elevado número de combinações possíveis. Entre os métodos utilizados para resolver estes problemas encontram-se métodos de tentativa e erro, métodos heurísticos, métodos computacionais de avaliação de diferentes opções até se encontrar uma boa solução e métodos de optimização. O objectivo deste trabalho passou pelo desenvolvimento de uma ferramenta computacional para efectuar o balanceamento de linhas de produção recorrendo a algoritmos genéticos. Foi desenvolvida uma aplicação que implementa dois algoritmos genéticos, um primeiro que obtém soluções para o problema e um segundo que optimiza essas soluções, associada a uma interface gráfica em C# que permite a inserção do problema e a visualização de resultados. Obtiveram-se resultados exequíveis demonstrando vantagens em relação aos métodos heurísticos, pois é possível obter-se mais do que uma solução. Além disso, para problemas complexos torna-se mais prático o uso da aplicação desenvolvida. No entanto, esta aplicação permite no máximo seis precedências por cada operação e resultados com o máximo de nove estações de trabalho.

Fractional dynamics of genetic algorithms using hexagonal space tessellation

The paper formulates a genetic algorithm that evolves two types of objects in a plane. The fitness function promotes a relationship between the objects that is optimal when some kind of interface between them occurs. Furthermore, the algorithm adopts an hexagonal tessellation of the two-dimensional space for promoting an efficient method of the neighbour modelling. The genetic algorithm produces special patterns with resemblances to those revealed in percolation phenomena or in the symbiosis found in lichens. Besides the analysis of the spacial layout, a modelling of the time evolution is performed by adopting a distance measure and the modelling in the Fourier domain in the perspective of fractional calculus. The results reveal a consistent, and easy to interpret, set of model parameters for distinct operating conditions.

Use of negative information in positioning and tracking algorithms

To avoid additional hardware deployment, indoor localization systems have to be designed in such a way that they rely on existing infrastructure only. Besides the processing of measurements between nodes, localization procedure can include the information of all available environment information. In order to enhance the performance of Wi-Fi based localization systems, the innovative solution presented in this paper considers also the negative information. An indoor tracking method inspired by Kalman filtering is also proposed.

Projecto de avaliação de interfaces – PAI

Para obtenção do grau de Doutor pela Universidade de Vigo com menção internacional Departamento de Informática

Task assignment algorithms for two-type heterogeneous multiprocessors

Consider the problem of assigning real-time tasks on a heterogeneous multiprocessor platform comprising two different types of processors — such a platform is referred to as two-type platform. We present two linearithmic timecomplexity algorithms, SA and SA-P, each providing the follow- ing guarantee. For a given two-type platform and a given task set, if there exists a feasible task-to-processor-type assignment such that tasks can be scheduled to meet deadlines by allowing them to migrate only between processors of the same type, then (i) using SA, it is guaranteed to find such a feasible task-to- processor-type assignment where the same restriction on task migration applies but given a platform in which processors are 1+α/2 times faster and (ii) SA-P succeeds in finding 2 a feasible task-to-processor assignment where tasks are not allowed to migrate between processors but given a platform in which processors are 1+α/times faster, where 0<α≤1. The parameter α is a property of the task set — it is the maximum utilization of any task which is less than or equal to 1.

Maximizing contention-free executions in multiprocessor scheduling

It is widely assumed that scheduling real-time tasks becomes more difficult as their deadlines get shorter. With deadlines shorter, however, tasks potentially compete less with each other for processors, and this could produce more contention-free slots at which the number of competing tasks is smaller than or equal to the number of available processors. This paper presents a policy (called CF policy) that utilizes such contention-free slots effectively. This policy can be employed by any work-conserving, preemptive scheduling algorithm, and we show that any algorithm extended with this policy dominates the original algorithm in terms of schedulability. We also present improved schedulability tests for algorithms that employ this policy, based on the observation that interference from tasks is reduced when their executions are postponed to contention-free slots. Finally, using the properties of the CF policy, we derive a counter-intuitive claim that shortening of task deadlines can help improve schedulability of task systems. We present heuristics that effectively reduce task deadlines for better scheduability without performing any exhaustive search.

On the implementation of real-time slotbased task-splitting scheduling algorithms for multiprocessor systems

In this paper we discuss challenges and design principles of an implementation of slot-based tasksplitting algorithms into the Linux 2.6.34 version. We show that this kernel version is provided with the required features for implementing such scheduling algorithms. We show that the real behavior of the scheduling algorithm is very close to the theoretical. We run and discuss experiments on 4-core and 24-core machines.