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.

Sistema de modelização tridimensional de galerias subterrâneas

A presente dissertação apresenta uma solução para o problema de modelização tridimensional de galerias subterrâneas. O trabalho desenvolvido emprega técnicas provenientes da área da robótica móvel para obtenção um sistema autónomo móvel de modelização, capaz de operar em ambientes não estruturados sem acesso a sistemas de posicionamento global, designadamente GPS. Um sistema de modelização móvel e autónomo pode ser bastante vantajoso, pois constitui um método rápido e simples de monitorização das estruturas e criação de representações virtuais das galerias com um elevado nível de detalhe. O sistema de modelização desloca-se no interior dos túneis para recolher informações sensoriais sobre a geometria da estrutura. A tarefa de organização destes dados com vista _a construção de um modelo coerente, exige um conhecimento exacto do percurso praticado pelo sistema, logo o problema de localização da plataforma sensorial tem que ser resolvido. A formulação de um sistema de localização autónoma tem que superar obstáculos que se manifestam vincadamente nos ambientes underground, tais como a monotonia estrutural e a já referida ausência de sistemas de posicionamento global. Neste contexto, foi abordado o conceito de SLAM (Simultaneous Loacalization and Mapping) para determinação da localização da plataforma sensorial em seis graus de liberdade. Seguindo a abordagem tradicional, o núcleo do algoritmo de SLAM consiste no filtro de Kalman estendido (EKF { Extended Kalman Filter ). O sistema proposto incorpora métodos avançados do estado da arte, designadamente a parametrização em profundidade inversa (Inverse Depth Parametrization) e o método de rejeição de outliers 1-Point RANSAC. A contribuição mais importante do método por nós proposto para o avanço do estado da arte foi a fusão da informação visual com a informação inercial. O algoritmo de localização foi testado com base em dados reais, adquiridos no interior de um túnel rodoviário. Os resultados obtidos permitem concluir que, ao fundir medidas inerciais com informações visuais, conseguimos evitar o fenómeno de degeneração do factor de escala, comum nas aplicações de localização através de sistemas puramente monoculares. Provámos simultaneamente que a correcção de um sistema de localização inercial através da consideração de informações visuais é eficaz, pois permite suprimir os desvios de trajectória que caracterizam os sistemas de dead reckoning. O algoritmo de modelização, com base na localização estimada, organiza no espaço tridimensional os dados geométricos adquiridos, resultando deste processo um modelo em nuvem de pontos, que posteriormente _e convertido numa malha triangular, atingindo-se assim uma representação mais realista do cenário original.

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.

Distributed computer-controlled systems: the DEAR-COTS approach

This paper proposes a new architecture targeting real-time and reliable Distributed Computer-Controlled Systems (DCCS). This architecture provides a structured approach for the integration of soft and/or hard real-time applications with Commercial O -The-Shelf (COTS) components. The Timely Computing Base model is used as the reference model to deal with the heterogeneity of system components with respect to guaranteeing the timeliness of applications. The reliability and availability requirements of hard real-time applications are guaranteed by a software-based fault-tolerance approach.

Device power management for real-time embedded systems

A large part of power dissipation in a system is generated by I/O devices. Increasingly these devices provide power saving mechanisms to inter alia enhance battery life. While I/O device scheduling has been studied in the past for realtime systems, the use of energy resources by these scheduling algorithms may be improved. These approaches are crafted considering a huge overhead of device transition. The technology enhancement has allowed the hardware vendors to reduce the device transition overhead and energy consumption. We propose an intra-task device scheduling algorithm for real time systems that allows to shut-down devices while ensuring the system schedulability. Our results show an energy gain of up to 90% in the best case when compared to the state-of-the-art.

A framework for the development of parallel and distributed real-time embedded systems

Embedded real-time applications increasingly present high computation requirements, which need to be completed within specific deadlines, but that present highly variable patterns, depending on the set of data available in a determined instant. The current trend to provide parallel processing in the embedded domain allows providing higher processing power; however, it does not address the variability in the processing pattern. Dimensioning each device for its worst-case scenario implies lower average utilization, and increased available, but unusable, processing in the overall system. A solution for this problem is to extend the parallel execution of the applications, allowing networked nodes to distribute the workload, on peak situations, to neighbour nodes. In this context, this report proposes a framework to develop parallel and distributed real-time embedded applications, transparently using OpenMP and Message Passing Interface (MPI), within a programming model based on OpenMP. The technical report also devises an integrated timing model, which enables the structured reasoning on the timing behaviour of these hybrid architectures.

Online intra-task device scheduling for hard real-time systems

A large part of power dissipation in a system is generated by I/O devices. Increasingly these devices provide power saving mechanisms, inter alia to enhance battery life. While I/O device scheduling has been studied in the past for realtime systems, the use of energy resources by these scheduling algorithms may be improved. These approaches are crafted considering a very large overhead of device transitions. Technology enhancements have allowed the hardware vendors to reduce the device transition overhead and energy consumption. We propose an intra-task device scheduling algorithm for real time systems that allows to shut-down devices while ensuring system schedulability. Our results show an energy gain of up to 90% when compared to the techniques proposed in the state-of-the-art.

Enhanced Race-to-halt: a leakage-aware energy management approach for dynamic priority systems

With progressing CMOS technology miniaturization, the leakage power consumption starts to dominate the dynamic power consumption. The recent technology trends have equipped the modern embedded processors with the several sleep states and reduced their overhead (energy/time) of the sleep transition. The dynamic voltage frequency scaling (DVFS) potential to save energy is diminishing due to efficient (low overhead) sleep states and increased static (leakage) power consumption. The state-of-the-art research on static power reduction at system level is based on assumptions that cannot easily be integrated into practical systems. We propose a novel enhanced race-to-halt approach (ERTH) to reduce the overall system energy consumption. The exhaustive simulations demonstrate the effectiveness of our approach showing an improvement of up to 8 % over an existing work.

Two protocols without periodicity for the global and preemptive scheduling problem of multi-mode real-time systems upon multiprocessor Platforms

We consider the problem of scheduling a multi-mode real-time system upon identical multiprocessor platforms. Since it is a multi-mode system, the system can change from one mode to another such that the current task set is replaced with a new task set. Ensuring that deadlines are met requires not only that a schedulability test is performed on tasks in each mode but also that (i) a protocol for transitioning from one mode to another is specified and (ii) a schedulability test for each transition is performed. We propose two protocols which ensure that all the expected requirements are met during every transition between every pair of operating modes of the system. Moreover, we prove the correctness of our proposed algorithms by extending the theory about the makespan determination problem.

Simulation relations, interface complexity, and resource optimality for real-time hierachical systems

Compositional schedulability analysis of hierarchical realtime systems is a well-studied problem. Various techniques have been developed to abstract resource requirements of components in such systems, and schedulability has been addressed using these abstract representations (also called component interfaces). These approaches for compositional analysis incur resource overheads when they abstract components into interfaces. In this talk, we define notions of resource schedulability and optimality for component interfaces, and compare various approaches.

Highly scalable aggregate computations in cyber-physical systems: physical environment meets communication protocols

In this paper, we focus on large-scale and dense Cyber- Physical Systems, and discuss methods that tightly integrate communication and computing with the underlying physical environment. We present Physical Dynamic Priority Dominance ((PD)2) protocol that exemplifies a key mechanism to devise low time-complexity communication protocols for large-scale networked sensor systems. We show that using this mechanism, one can compute aggregate quantities such as the maximum or minimum of sensor readings in a time-complexity that is equivalent to essentially one message exchange. We also illustrate the use of this mechanism in a more complex task of computing the interpolation of smooth as well as non-smooth sensor data in very low timecomplexity.

Fractional control of dynamic systems

The concepts involved with fractional calculus (FC) theory are applied in almost all areas of science and engineering. Its ability to yield superior modeling and control in many dynamical systems is well recognized. In this article, we will introduce the fundamental aspects associated with the application of FC to the control of dynamic systems.

Real time manufacturing systems simulator

A área da simulação computacional teve um rápido crescimento desde o seu apareciment, sendo actualmente uma das ciências de gestão e de investigação operacional mais utilizadas. O seu princípio baseia-se na replicação da operação de processos ou sistemas ao longo de períodos de tempo, tornando-se assim uma metodologia indispensável para a resolução de variados problemas do mundo real, independentemente da sua complexidade. Das inúmeras áreas de aplicação, nos mais diversos campos, a que mais se destaca é a utilização em sistemas de produção, onde o leque de aplicações disponível é muito vasto. A sua aplicação tem vindo a ser utilizada para solucionar problemas em sistemas de produção, uma vez que permite às empresas ajustar e planear de uma maneira rápida, eficaz e ponderada as suas operações e os seus sistemas, permitindo assim uma rápida adaptação das mesmas às constantes mudanças das necessidades da economia global. As aplicações e packages de simulação têm seguindo as tendências tecnológicas pelo que é notório o recurso a tecnologias orientadas a objectos para o desenvolvimento das mesmas. Este estudo baseou-se, numa primeira fase, na recolha de informação de suporte aos conceitos de modelação e simulação, bem como a respectiva aplicação a sistemas de produção em tempo real. Posteriormente centralizou-se no desenvolvimento de um protótipo de uma aplicação de simulação de ambientes de fabrico em tempo real. O desenvolvimento desta ferramenta teve em vista eventuais fins pedagógicos e uma utilização a nível académico, sendo esta capaz de simular um modelo de um sistema de produção, estando também dotada de animação. Sem deixar de parte a possibilidade de integração de outros módulos ou, até mesmo, em outras plataformas, houve ainda a preocupação acrescida de que a sua implementação recorresse a metodologias de desenvolvimento orientadas a objectos.