Cooperative framework for open real-time systems

Actualmente, os sistemas embebidos estão presentes em toda a parte. Embora grande parte da população que os utiliza não tenha a noção da sua presença, na realidade, se repentinamente estes sistemas deixassem de existir, a sociedade iria sentir a sua falta. A sua utilização massiva deve-se ao facto de estarem practicamente incorporados em quase os todos dispositivos electrónicos de consumo, telecomunicações, automação industrial e automóvel. Influenciada por este crescimento, a comunidade científica foi confrontada com novos problemas distribuídos por vários domínios científicos, dos quais são destacados a gestão da qualidade de serviço e gestão de recursos - domínio encarregue de resolver problemas relacionados com a alocação óptima de recursos físicos, tais como rede, memória e CPU. Existe na literatura um vasto conjunto de modelos que propõem soluções para vários problemas apresentados no contexto destes domínios científicos. No entanto, não é possível encontrar modelos que lidem com a gestão de recursos em ambientes de execução cooperativos e abertos com restrições temporais utilizando coligações entre diferentes nós, de forma a satisfazer os requisitos não funcionais das aplicações. Devido ao facto de estes sistemas serem dinâmicos por natureza, apresentam a característica de não ser possível conhecer, a priori, a quantidade de recursos necessários que uma aplicação irá requerer do sistema no qual irá ser executada. Este conhecimento só é adquirido aquando da execução da aplicação. De modo a garantir uma gestão eficiente dos recursos disponíveis, em sistemas que apresentam um grande dinamismo na execução de tarefas com e sem restrições temporais, é necessário garantir dois aspectos fundamentais. O primeiro está relacionado com a obtenção de garantias na execução de tarefas de tempo-real. Estas devem sempre ser executadas dentro da janela temporal requirida. O segundo aspecto refere a necessidade de garantir que todos os recursos necessários à execução das tarefas são fornecidos, com o objectivo de manter os níveis de performance quer das aplicações, quer do próprio sistema. Tendo em conta os dois aspectos acima mencionados, o projecto CooperatES foi especificado com o objectivo de permitir a dispositivos com poucos recursos uma execução colectiva de serviços com os seus vizinhos, de modo a cumprir com as complexas restrições de qualidade de serviço impostas pelos utilizadores ou pelas aplicações. Decorrendo no contexto do projecto CooperatES, o trabalho resultante desta tese tem como principal objectivo avaliar a practicabilidade dos conceitos principais propostos no âmbito do projecto. O trabalho em causa implicou a escolha e análise de uma plataforma, a análise de requisitos, a implementação e avaliação de uma framework que permite a execução cooperativa de aplicações e serviços que apresentem requisitos de qualidade de serviço. Do trabalho desenvolvido resultaram as seguintes contribuições: Análise das plataformas de código aberto que possam ser utilizadas na implementação dos conceitos relacionados com o projecto CooperatES; Critérios que influenciaram a escolha da plataforma Android e um estudo focado na análise da plataforma sob uma perspectiva de sistemas de tempo-real; Experiências na implementação dos conceitos do projecto na plataforma Android; Avaliação da practicabilidade dos conceitos propostos no projecto CooperatES; Proposta de extensões que permitam incorporar características de sistemas de tempo real abertos na plataforma Android.

Code offloading on real-time multimedia systems: a framework for handling code mobility and code offloading in a QoS aware environment

Actualmente, os smartphones e outros dispositivos móveis têm vindo a ser dotados com cada vez maior poder computacional, sendo capazes de executar um vasto conjunto de aplicações desde simples programas de para tirar notas até sofisticados programas de navegação. Porém, mesmo com a evolução do seu hardware, os actuais dispositivos móveis ainda não possuem as mesmas capacidades que os computadores de mesa ou portáteis. Uma possível solução para este problema é distribuir a aplicação, executando partes dela no dispositivo local e o resto em outros dispositivos ligados à rede. Adicionalmente, alguns tipos de aplicações como aplicações multimédia, jogos electrónicos ou aplicações de ambiente imersivos possuem requisitos em termos de Qualidade de Serviço, particularmente de tempo real. Ao longo desta tese é proposto um sistema de execução de código remota para sistemas distribuídos com restrições de tempo-real. A arquitectura proposta adapta-se a sistemas que necessitem de executar periodicamente e em paralelo mesmo conjunto de funções com garantias de tempo real, mesmo desconhecendo os tempos de execução das referidas funções. A plataforma proposta foi desenvolvida para sistemas móveis capazes de executar o Sistema Operativo Android.

Supporting intra-task parallelism in real-time multiprocessor systems

Os sistemas de tempo real modernos geram, cada vez mais, cargas computacionais pesadas e dinâmicas, começando-se a tornar pouco expectável que sejam implementados em sistemas uniprocessador. Na verdade, a mudança de sistemas com um único processador para sistemas multi- processador pode ser vista, tanto no domínio geral, como no de sistemas embebidos, como uma forma eficiente, em termos energéticos, de melhorar a performance das aplicações. Simultaneamente, a proliferação das plataformas multi-processador transformaram a programação paralela num tópico de elevado interesse, levando o paralelismo dinâmico a ganhar rapidamente popularidade como um modelo de programação. A ideia, por detrás deste modelo, é encorajar os programadores a exporem todas as oportunidades de paralelismo através da simples indicação de potenciais regiões paralelas dentro das aplicações. Todas estas anotações são encaradas pelo sistema unicamente como sugestões, podendo estas serem ignoradas e substituídas, por construtores sequenciais equivalentes, pela própria linguagem. Assim, o modo como a computação é na realidade subdividida, e mapeada nos vários processadores, é da responsabilidade do compilador e do sistema computacional subjacente. Ao retirar este fardo do programador, a complexidade da programação é consideravelmente reduzida, o que normalmente se traduz num aumento de produtividade. Todavia, se o mecanismo de escalonamento subjacente não for simples e rápido, de modo a manter o overhead geral em níveis reduzidos, os benefícios da geração de um paralelismo com uma granularidade tão fina serão meramente hipotéticos. Nesta perspetiva de escalonamento, os algoritmos que empregam uma política de workstealing são cada vez mais populares, com uma eficiência comprovada em termos de tempo, espaço e necessidades de comunicação. Contudo, estes algoritmos não contemplam restrições temporais, nem outra qualquer forma de atribuição de prioridades às tarefas, o que impossibilita que sejam diretamente aplicados a sistemas de tempo real. Além disso, são tradicionalmente implementados no runtime da linguagem, criando assim um sistema de escalonamento com dois níveis, onde a previsibilidade, essencial a um sistema de tempo real, não pode ser assegurada. Nesta tese, é descrita a forma como a abordagem de work-stealing pode ser resenhada para cumprir os requisitos de tempo real, mantendo, ao mesmo tempo, os seus princípios fundamentais que tão bons resultados têm demonstrado. Muito resumidamente, a única fila de gestão de processos convencional (deque) é substituída por uma fila de deques, ordenada de forma crescente por prioridade das tarefas. De seguida, aplicamos por cima o conhecido algoritmo de escalonamento dinâmico G-EDF, misturamos as regras de ambos, e assim nasce a nossa proposta: o algoritmo de escalonamento RTWS. Tirando partido da modularidade oferecida pelo escalonador do Linux, o RTWS é adicionado como uma nova classe de escalonamento, de forma a avaliar na prática se o algoritmo proposto é viável, ou seja, se garante a eficiência e escalonabilidade desejadas. Modificar o núcleo do Linux é uma tarefa complicada, devido à complexidade das suas funções internas e às fortes interdependências entre os vários subsistemas. Não obstante, um dos objetivos desta tese era ter a certeza que o RTWS é mais do que um conceito interessante. Assim, uma parte significativa deste documento é dedicada à discussão sobre a implementação do RTWS e à exposição de situações problemáticas, muitas delas não consideradas em teoria, como é o caso do desfasamento entre vários mecanismo de sincronização. Os resultados experimentais mostram que o RTWS, em comparação com outro trabalho prático de escalonamento dinâmico de tarefas com restrições temporais, reduz significativamente o overhead de escalonamento através de um controlo de migrações, e mudanças de contexto, eficiente e escalável (pelo menos até 8 CPUs), ao mesmo tempo que alcança um bom balanceamento dinâmico da carga do sistema, até mesmo de uma forma não custosa. Contudo, durante a avaliação realizada foi detetada uma falha na implementação do RTWS, pela forma como facilmente desiste de roubar trabalho, o que origina períodos de inatividade, no CPU em questão, quando a utilização geral do sistema é baixa. Embora o trabalho realizado se tenha focado em manter o custo de escalonamento baixo e em alcançar boa localidade dos dados, a escalonabilidade do sistema nunca foi negligenciada. Na verdade, o algoritmo de escalonamento proposto provou ser bastante robusto, não falhando qualquer meta temporal nas experiências realizadas. Portanto, podemos afirmar que alguma inversão de prioridades, causada pela sub-política de roubo BAS, não compromete os objetivos de escalonabilidade, e até ajuda a reduzir a contenção nas estruturas de dados. Mesmo assim, o RTWS também suporta uma sub-política de roubo determinística: PAS. A avaliação experimental, porém, não ajudou a ter uma noção clara do impacto de uma e de outra. No entanto, de uma maneira geral, podemos concluir que o RTWS é uma solução promissora para um escalonamento eficiente de tarefas paralelas com restrições temporais.

Capacity sharing and stealing in serverbased real-time systems

A dynamic scheduler that supports the coexistence of guaranteed and non-guaranteed bandwidth servers is proposed. Overloads are handled by an efficient reclaiming of residual capacities originated by early completions as well as by allowing reserved capacity stealing of non-guaranteed bandwidth servers. The proposed dynamic budget accounting mechanism ensures that at a particular time the currently executing server is using a residual capacity, its own capacity or is stealing some reserved capacity, eliminating the need of additional server states or unbounded queues. The server to which the budget accounting is going to be performed is dynamically determined at the time instant when a capacity is needed. This paper describes and evaluates the proposed scheduling algorithm, showing that it can efficiently reduce the mean tardiness of periodic jobs. The achieved results become even more significant when tasks’ computation times have a large variance.

A survey of techniques and technologies for web-based real-time interactive rendering

When exploring a virtual environment, realism depends mainly on two factors: realistic images and real-time feedback (motions, behaviour etc.). In this context, photo realism and physical validity of computer generated images required by emerging applications, such as advanced e-commerce, still impose major challenges in the area of rendering research whereas the complexity of lighting phenomena further requires powerful and predictable computing if time constraints must be attained. In this technical report we address the state-of-the-art on rendering, trying to put the focus on approaches, techniques and technologies that might enable real-time interactive web-based clientserver rendering systems. The focus is on the end-systems and not the networking technologies used to interconnect client(s) and server(s).

A framework for realistic real-time walkthroughs in a VR distributed environment

Virtual and augmented reality (VR/AR) are increasingly being used in various business scenarios and are important driving forces in technology development. However the usage of these technologies in the home environment is restricted due to several factors including lack of low-cost (from the client point of view) highperformance solutions. In this paper we present a general client/server rendering architecture based on Real-Time concepts, including support for a wide range of client platforms and applications. The idea of focusing on the real-time behaviour of all components involved in distributed IP-based VR scenarios is new and has not been addressed before, except for simple sub-solutions. This is considered as “the most significant problem with the IP environment” [1]. Thus, the most important contribution of this research will be the holistic approach, in which networking, end-systems and rendering aspects are integrated into a cost-effective infrastructure for building distributed real-time VR applications on IP-based networks.

The DEAR-COTS hard real-time subsystem

In this report, the Hard Real-Time Subsystem of DEAR-COTS is described, and the services it must provide are identified. This report is an input of ISEP/IPP and FEUP for the specification of the DEAR-COTS architecture (deliverable to the FCT).

CIDER - envisaging a COTS communication infrastructure for evolutionary dependable real-time systems

It is foreseen that future dependable real-time systems will also have to meet flexibility, adaptability and reconfigurability requirements. Considering the distributed nature of these computing systems, a communication infrastructure that permits to fulfil all those requirements is thus of major importance. Although Ethernet has been used primarily as an information network, there is a strong belief that some very recent technological advances will enable its use in dependable applications with real-time requirements. Indeed, several recently standardised mechanisms associated with Switched-Ethernet seem to be promising to enable communication infrastructures to support hard real-time, reliability and flexible distributed applications. This paper describes the motivation and the work being developed within the CIDER (Communication Infrastructure for Dependable Evolvable Real-Time Systems) project, which envisages the use of COTS Ethernet as an enabling technology for future dependable real-time systems. It is foreseen that the CIDER approach will constitute a relevant stream of research since it will bring together cutting edge research in the field of real-time and dependable distributed systems and the industrial eagerness to expand Ethernet responsabilities to support dependable real-time applications.

Ethernet goes real-time: a survey on research and technological developments

Ethernet is the most popular LAN technology. Its low price and robustness, resulting from its wide acceptance and deployment, has created an eagerness to expand its responsibilities to the factory-floor, where real-time requirements are to be fulfilled. However, it is difficult to build a real-time control network using Ethernet, because its MAC protocol, the 1-persistent CSMA/CD protocol with the BEB collision resolution algorithm, has unpredictable delay characteristics. Many anticipate that the recent technological advances in Ethernet such as the emerging Fast/Gigabit Ethernet, micro-segmentation and full-duplex operation using switches will also enable it to support time-critical applications. This technical report provides a comprehensive look at the unpredictability inherent to Ethernet and at recent technological advances towards real-time operation.

Designing real-time systems based on mono-master Profibus-DP networks

Profibus networks are widely used as the communication infrastructure for supporting distributed computer-controlled applications. Most of the times, these applications impose strict real-time requirements. Profibus-DP has gradually become the preferred Profibus application profile. It is usually implemented as a mono-master Profibus network, and is optimised for speed and efficiency. The aim of this paper is to analyse the real-time behaviour of this class of Profibus networks. Importantly, we develop a new methodology for evaluating the worst-case message response time in systems where high-priority and cyclic low-priority Profibus traffic coexist. The proposed analysis constitutes a powerful tool to guarantee prior to runtime the real-time behaviour of a distributed computer-controlled system based on a Profibus network, where the realtime traffic is supported either by high-priority or by cyclic poll Profibus messages.

To Ada or not To Ada: Adaing vs. Javaing in real-time systems

Ada is really an unfortunate Lady. After years fighting against C/C++ villains, her major lift-up (Ada 95) had brought up a promise of fortune. However, a new strong villain (Java) has appeared trying to end her struggle for survival. Ada has now to fight with her own weapons. She will only prosper by her own merits. But two questions emerge. Do they exist? Are they better than Java’s? Our opinion is that they do exist, and are not matched by any other programming language

Setting target rotation time in PROFIBUS based real-time distributed applications

In this paper, we analyse the ability of Profibus fieldbus to cope with the real-time requirements of a Distributed Computer Control System (DCCS), where messages associated to discrete events must be made available within a maximum bound time. Our methodology is based on the knowledge of real-time traffic characteristics, setting the network parameters in order to cope with timing requirements. Since non-real-time traffic characteristics are usually unknown at the design stage, we consider an operational profile where, constraining non-real-time traffic at the application level, we assure that realtime requirements are met.

Engineering real-time applications with WorldFIP: tools and analysis

WorldFIP is standardised as European Norm EN 50170 - General Purpose Field Communication System. Field communication systems (fieldbuses) started to be widely used as the communication support for distributed computer-controlled systems (DCCS), and are being used in all sorts of process control and manufacturing applications within different types of industries. There are several advantages in using fieldbuses as a replacement of for the traditional point-to-point links between sensors/actuators and computer-based control systems. Indeed they concern economical ones (cable savings) but, importantly, fieldbuses allow an increased decentralisation and distribution of the processing power over the field. Typically DCCS have real-time requirements that must be fulfilled. By this, we mean that process data must be transferred between network computing nodes within a maximum admissible time span. WorldFIP has very interesting mechanisms to schedule data transfers. It explicit distinguishes to types of traffic: periodic and aperiodic. In this paper we describe how WorldFIP handles these two types of traffic, and more importantly, we provide a comprehensive analysis for guaranteeing the real-time requirements of both types of traffic. A major contribution is made in the analysis of worst-case response time of aperiodic transfer requests.

Replication management in reliable real-time systems

Building reliable real-time applications on top of commercial off-the-shelf (COTS) components is not a straightforward task. Thus, it is essential to provide a simple and transparent programming model, in order to abstract programmers from the low-level implementation details of distribution and replication. However, the recent trend for incorporating pre-emptive multitasking applications in reliable real-time systems inherently increases its complexity. It is therefore important to provide a transparent programming model, enabling pre-emptive multitasking applications to be implemented without resorting to simultaneously dealing with both system requirements and distribution and replication issues. The distributed embedded architecture using COTS components (DEAR-COTS) architecture has been previously proposed as an architecture to support real-time and reliable distributed computer-controlled systems (DCCS) using COTS components. Within the DEAR-COTS architecture, the hard real-time subsystem provides a framework for the development of reliable real-time applications, which are the core of DCCS applications. This paper presents the proposed framework, and demonstrates how it can be used to support the transparent replication of software components.

Supporting real-time distributed computer-controlled systems with multi-hop P-NET networks

Fieldbus communication networks aim to interconnect sensors, actuators and controllers within process control applications. Therefore, they constitute the foundation upon which real-time distributed computer-controlled systems can be implemented. P-NET is a fieldbus communication standard, which uses a virtual token-passing medium-access-control mechanism. In this paper pre-run-time schedulability conditions for supporting real-time traffic with P-NET networks are established. Essentially, formulae to evaluate the upper bound of the end-to-end communication delay in P-NET messages are provided. Using this upper bound, a feasibility test is then provided to check the timing requirements for accessing remote process variables. This paper also shows how P-NET network segmentation can significantly reduce the end-to-end communication delays for messages with stringent timing requirements.