Parallel real-time support for distributed adaptive embedded applications

Real-time embedded applications require to process large amounts of data within small time windows. Parallelize and distribute workloads adaptively is suitable solution for computational demanding applications. The purpose of the Parallel Real-Time Framework for distributed adaptive embedded systems is to guarantee local and distributed processing of real-time applications. This work identifies some promising research directions for parallel/distributed real-time embedded applications.

Dynamic global scheduling of parallel real-time tasks

High-level parallel languages offer a simple way for application programmers to specify parallelism in a form that easily scales with problem size, leaving the scheduling of the tasks onto processors to be performed at runtime. Therefore, if the underlying system cannot efficiently execute those applications on the available cores, the benefits will be lost. In this paper, we consider how to schedule highly heterogenous parallel applications that require real-time performance guarantees on multicore processors. The paper proposes a novel scheduling approach that combines the global Earliest Deadline First (EDF) scheduler with a priority-aware work-stealing load balancing scheme, which enables parallel realtime tasks to be executed on more than one processor at a given time instant. Experimental results demonstrate the better scalability and lower scheduling overhead of the proposed approach comparatively to an existing real-time deadline-oriented scheduling class for the Linux kernel.

Server-based scheduling of parallel real-time tasks

Multicore platforms have transformed parallelism into a main concern. Parallel programming models are being put forward to provide a better approach for application programmers to expose the opportunities for parallelism by pointing out potentially parallel regions within tasks, leaving the actual and dynamic scheduling of these regions onto processors to be performed at runtime, exploiting the maximum amount of parallelism. It is in this context that this paper proposes a scheduling approach that combines the constant-bandwidth server abstraction with a priority-aware work-stealing load balancing scheme which, while ensuring isolation among tasks, enables parallel tasks to be executed on more than one processor at a given time instant.

A parallel programming model for ada

Over the last three decades, computer architects have been able to achieve an increase in performance for single processors by, e.g., increasing clock speed, introducing cache memories and using instruction level parallelism. However, because of power consumption and heat dissipation constraints, this trend is going to cease. In recent times, hardware engineers have instead moved to new chip architectures with multiple processor cores on a single chip. With multi-core processors, applications can complete more total work than with one core alone. To take advantage of multi-core processors, parallel programming models are proposed as promising solutions for more effectively using multi-core processors. This paper discusses some of the existent models and frameworks for parallel programming, leading to outline a draft parallel programming model for Ada.

EMMON: a system architecture for large- scale, dense and real-time WSNs

In spite of the significant amount of scientific work in Wireless Sensor Networks (WSNs), there is a clear lack of effective, feasible and usable WSN system architectures that address both functional and non-functional requirements in an integrated fashion. This poster abstract outlines the EMMON system architecture for large-scale, dense, real-time embedded monitoring. EMMON relies on a hierarchical network architecture together with integrated middleware and command&control mechanisms. It has been designed to use standard commercially– available technologies, while maintaining as much flexibility as possible to meet specific applications’ requirements. The EMMON WSN architecture has been validated through extensive simulation and experimental evaluation, including through a 300+ node test-bed, the largest WSN test-bed in Europe to date

Poster: EMMON: a WSN system architecture and toolset for large-scale and dense real-time embedded monitoring

Wireless sensor networks (WSNs) have attracted growing interest in the last decade as an infrastructure to support a diversity of ubiquitous computing and cyber-physical systems. However, most research work has focused on protocols or on specific applications. As a result, there remains a clear lack of effective and usable WSN system architectures that address both functional and non-functional requirements in an integrated fashion. This poster outlines the EMMON system architecture for large-scale, dense, real-time embedded monitoring. It provides a hierarchical communication architecture together with integrated middleware and command and control software. It has been designed to maintain as much as flexibility as possible while meeting specific applications requirements. EMMON has been validated through extensive analytical, simulation and experimental evaluations, including through a 300+ nodes test-bed the largest single-site WSN test-bed in Europe.

EMMON: a WSN system architecture for large scale and dense real-time embedded monitoring

Wireless sensor networks (WSNs) have attracted growing interest in the last decade as an infrastructure to support a diversity of ubiquitous computing and cyber-physical systems. However, most research work has focused on protocols or on specific applications. As a result, there remains a clear lack of effective, feasible and usable system architectures that address both functional and non-functional requirements in an integrated fashion. In this paper, we outline the EMMON system architecture for large-scale, dense, real-time embedded monitoring. EMMON provides a hierarchical communication architecture together with integrated middleware and command and control software. It has been designed to use standard commercially-available technologies, while maintaining as much flexibility as possible to meet specific applications requirements. The EMMON architecture has been validated through extensive simulation and experimental evaluation, including a 300+ node test-bed, which is, to the best of our knowledge, the largest single-site WSN test-bed in Europe to date.

On the development of a test-bed application for the ART-WiSe architecture

The ART-WiSe (Architecture for Real-Time communications in Wireless Sensor Networks) framework aims at the design of new communication architectures and mechanisms for time-sensitive Wireless Sensor Networks (WSNs). We adopted a two-tiered architecture where an overlay Wireless Local Area Network (Tier 2) serves as a backbone for a WSN (Tier 1), relying on existing standard communication protocols and commercial-off-the-shell (COTS) technologies – IEEE 802.15.4/ZigBee for Tier 1 and IEEE 802.11 for Tier 2. In this line, a test-bed application is being developed for assessing, validating and demonstrating the ART-WiSe architecture. A pursuit-evasion application was chosen since it fulfils a number of requirements, namely it is feasible and appealing and imposes some stress to the architecture in terms of timeliness. To develop the testbed based on the previously referred technologies, an implementation of the IEEE 8021.5.4/ZigBee protocols is being carried out, since there is no open source available to the community. This paper highlights some relevant aspects of the ART-WiSe architecture, provides some intuition on the protocol stack implementation and presents a general view over the envisaged test-bed application.

Control of a 6-DOF parallel manipulator through a mechatronic approach

This paper shows that a hierarchical architecture, distributing several control actions in growing levels of complexity and using resources of reconfigurable computing, enables one to take into account the ease of future modifications, updates and improvements in robotic applications. An experimental example of a Stewart—Gough platform control (a platform applied as the solution to countless practical problems) is presented using reconfigurable computing. The software and hardware developed are structured in independent blocks. This open architecture implementation allows easy expansion of the system and better adaptation of the platform to its related tasks.

Interoperability in pedagogical e-learning services

The ultimate goal of this research plan is to improve the learning experience of students through the combination of pedagogical eLearning services. Service oriented architectures are already being used in eLearning but in this work the focus is on services of pedagogical value, rather then on generic services adapted from other business systems. This approach to the architecture of eLearning platforms raises challenges addressed by this work, namely: conceptual modeling of the pedagogical eLearning services domain; interoperability and coordination of pedagogical eLearning service; conversion of existing eLearning systems to pedagogical services; adaptation of eLearning services to individual learners. An improved eLearning platform will incorporate learning tools adequate to the domains it covers and will focus on the individual learner that uses it. With this approach we expect to raise the pedagogical value of eLearning platforms.

How to feel “in love" with math: a MOOC experience

In the past few years we have witnessed astonishing developments on distance learning tools, in particular on Open Educational Resources (OER) such as Massive Open Online Courses (MOOC). In this paper we present the “Mathematics without STRESS”, a MOOC Project, which has been a collaborative volunteer effort that brought together professors, from four schools of the Polytechnic Institute of Oporto (IPP), in Portugal. Some concepts directly associated with MOOC and their quickly growing popularity are complemented with a discussion of some particular MOOC characterizations. The design process of this project is revealed by focusing on the MOOC structure we used, as well as on the several types of course materials that were produced. At last, we undertake a short discussion about some of the problems, achievements and challenges met throughout this project development, giving a special attention to the motivational aim of this work - hoping to contribute to a change in the way of teaching and learning Mathematics is seen and practiced nowadays.

Semi-Partitioned Scheduling of Fork-Join Tasks using Work-Stealing

13th IEEE/IFIP International Conference on Embedded and Ubiquitous Computing (EUC 2015). 21 to 23, Oct, 2015, Session W1-A: Multiprocessing and Multicore Architectures. Porto, Portugal.

Scalable Intelligence for Scheduling Systems

A personalização é um aspeto chave de uma interação homem-computador efetiva. Numa era em que existe uma abundância de informação e tantas pessoas a interagir com ela, de muitas maneiras, a capacidade de se ajustar aos seus utilizadores é crucial para qualquer sistema moderno. A criação de sistemas adaptáveis é um domínio bastante complexo que necessita de métodos muito específicos para ter sucesso. No entanto, nos dias de hoje ainda não existe um modelo ou arquitetura padrão para usar nos sistemas adaptativos modernos. A principal motivação desta tese é a proposta de uma arquitetura para modelação do utilizador que seja capaz de incorporar diferentes módulos necessários para criar um sistema com inteligência escalável com técnicas de modelação. Os módulos cooperam de forma a analisar os utilizadores e caracterizar o seu comportamento, usando essa informação para fornecer uma experiência de sistema customizada que irá aumentar não só a usabilidade do sistema mas também a produtividade e conhecimento do utilizador. A arquitetura proposta é constituída por três componentes: uma unidade de informação do utilizador, uma estrutura matemática capaz de classificar os utilizadores e a técnica a usar quando se adapta o conteúdo. A unidade de informação do utilizador é responsável por conhecer os vários tipos de indivíduos que podem usar o sistema, por capturar cada detalhe de interações relevantes entre si e os seus utilizadores e também contém a base de dados que guarda essa informação. A estrutura matemática é o classificador de utilizadores, e tem como tarefa a sua análise e classificação num de três perfis: iniciado, intermédio ou avançado. Tanto as redes de Bayes como as neuronais são utilizadas, e uma explicação de como as preparar e treinar para lidar com a informação do utilizador é apresentada. Com o perfil do utilizador definido torna-se necessária uma técnica para adaptar o conteúdo do sistema. Nesta proposta, uma abordagem de iniciativa mista é apresentada tendo como base a liberdade de tanto o utilizador como o sistema controlarem a comunicação entre si. A arquitetura proposta foi desenvolvida como parte integrante do projeto ADSyS - um sistema de escalonamento dinâmico - utilizado para resolver problemas de escalonamento sujeitos a eventos dinâmicos. Possui uma complexidade elevada mesmo para utilizadores frequentes, daí a necessidade de adaptar o seu conteúdo de forma a aumentar a sua usabilidade. Com o objetivo de avaliar as contribuições deste trabalho, um estudo computacional acerca do reconhecimento dos utilizadores foi desenvolvido, tendo por base duas sessões de avaliação de usabilidade com grupos de utilizadores distintos. Foi possível concluir acerca dos benefícios na utilização de técnicas de modelação do utilizador com a arquitetura proposta.

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.