Enhancing the real-time capabilities of the Linux Kernel

The mainline Linux Kernel is not designed forhard real-time systems; it only fits the requirements of soft realtimesystems. In recent years, a kernel developer communityhas been working on the PREEMPT-RT patch. This patch(that aims to get a fully preemptible kernel) adds some realtimecapabilities to the Linux kernel. However, in terms ofscheduling policies, the real-time scheduling class of Linux islimited to the First-In-First-Out (SCHED_FIFO) and Round-Robin (SCHED_RR) scheduling policies. These scheduling policiesare however quite limited in terms of realtime performance.Therefore, in this paper, we report one importantcontribution for adding more advanced real-time capabilitiesto the Linux Kernel. Specifically, we describe modificationsto the (PREEMPT-RT patched) Linux kernel to supportreal-time slot-based task-splitting scheduling algorithms. Ourpreliminary evaluation shows that our implementation exhibitsa real-time performance that is superior to the schedulingpolicies provided by the current version of PREMPT-RT. Thisis a significant add-on to a widely adopted operating system.

Implementing slot-based task-splitting multiprocessor scheduling

Consider the problem of scheduling a set of sporadic tasks on a multiprocessor system to meet deadlines using a task-splitting scheduling algorithm. Task-splitting (also called semi-partitioning) scheduling algorithms assign most tasks to just one processor but a few tasks are assigned to two or more processors, and they are dispatched in a way that ensures that a task never executes on two or more processors simultaneously. A particular type of task-splitting algorithms, called slot-based task-splitting dispatching, is of particular interest because of its ability to schedule tasks with high processor utilizations. Unfortunately, no slot-based task-splitting algorithm has been implemented in a real operating system so far. In this paper we discuss and propose some modifications to the slot-based task-splitting algorithm driven by implementation concerns, and we report the first implementation of this family of algorithms in a real operating system running Linux kernel version 2.6.34. We have also conducted an extensive range of experiments on a 4-core multicore desktop PC running task-sets with utilizations of up to 88%. The results show that the behavior of our implementation is in line with the theoretical framework behind it.

Finding an upper bound on the increase in execution time due to contention on the memory bus in COTS-based multicore systems

Contention on the memory bus in COTS based multicore systems is becoming a major determining factor of the execution time of a task. Analyzing this extra execution time is non-trivial because (i) bus arbitration protocols in such systems are often undocumented and (ii) the times when the memory bus is requested to be used are not explicitly controlled by the operating system scheduler; they are instead a result of cache misses. We present a method for finding an upper bound on the extra execution time of a task due to contention on the memory bus in COTS based multicore systems. This method makes no assumptions on the bus arbitration protocol (other than assuming that it is work-conserving).

Evaluating Android OS for embedded real-time systems

Since its official public release, Android has captured the interest from companies, developers and the general audience. From that time up to now, this software platform has been constantly improved either in terms of features or supported hardware and, at the same time, extended to new types of devices different from the originally intended mobile ones. However, there is a feature that has not been explored yet - its real-time capabilities. This paper intends to explore this gap and provide a basis for discussion on the suitability of Android in order to be used in Open Real-Time environments. By analysing the software platform, with the main focus on the virtual machine and its underlying operating system environments, we are able to point out its current limitations and, therefore, provide a hint on different perspectives of directions in order to make Android suitable for these environments. It is our position that Android may provide a suitable architecture for real-time embedded systems, but the real-time community should address its limitations in a joint effort at all of the platform layers.

A framework for QoS-Aware service-based mobile systems

In this paper we propose a framework for the support of mobile application with Quality of Service (QoS) requirements, such as voice or video, capable of supporting distributed, migration-capable, QoS-enabled applications on top of the Android Operating system.

Open-ZB: an open-source implementation of the IEEE 802.15.4/ZigBee protocol stack on TinyOS

The IEEE 802.15.4/ZigBee protocols are gaining increasing interests in both research and industrial communities as candidate technologies for Wireless Sensor Network (WSN) applications. In this paper, we present an open-source implementation of the IEEE 802.15.4/Zigbee protocol stack under the TinyOS operating system for the MICAz motes. This work has been driven by the need for an open-source implementation of the IEEE 802.15.4/ZigBee protocols, filling a gap between some newly released complex C implementations and black-box implementations from different manufacturers. In addition, we share our experience on the challenging problem that we have faced during the implementation of the protocol stack on the MICAz motes. We strongly believe that this open-source implementation will potentiate research works on the IEEE 802.15.4/Zigbee protocols allowing their demonstration and validation through experimentation.

Zigbee over tinyos: Implementation and experimental challenges

The IEEE 802.15.4/Zigbee protocols are a promising technology for Wireless Sensor Networks (WSNs). This paper shares our experience on the implementation and use of these protocols and related technologies in WSNs. We present problems and challenges we have been facing in implementing an IEEE 802.15.4/ZigBee stack for TinyOS in a two-folded perspective: IEEE 802.15.4/ZigBee protocol standards limitations (ambiguities and open issues) and technological limitations (hardware and software). Concerning the former, we address challenges for building scalable and synchronized multi-cluster ZigBee networks, providing a trade-off between timeliness and energy-efficiency. On the latter issue, we highlight implementation problems in terms of hardware, timer handling and operating system limitations. We also report on our experience from experimental test-beds, namely on physical layer aspects such as coexistence problems between IEEE 802.15.4 and 802.11 radio channels.

POSIX trace based behavioural reflection

Traditional Real-Time Operating Systems (RTOS) are not designed to accommodate application specific requirements. They address a general case and the application must co-exist with any limitations imposed by such design. For modern real-time applications this limits the quality of services offered to the end-user. Research in this field has shown that it is possible to develop dynamic systems where adaptation is the key for success. However, adaptation requires full knowledge of the system state. To overcome this we propose a framework to gather data, and interact with the operating system, extending the traditional POSIX trace model with a partial reflective model. Such combination still preserves the trace mechanism semantics while creating a powerful platform to develop new dynamic systems, with little impact in the system and avoiding complex changes in the kernel source code.

A complex protocol layer as a linux user-space process

With the current complexity of communication protocols, implementing its layers totally in the kernel of the operating system is too cumbersome, and it does not allow use of the capabilities only available in user space processes. However, building protocols as user space processes must not impair the responsiveness of the communication. Therefore, in this paper we present a layer of a communication protocol, which, due to its complexity, was implemented in a user space process. Lower layers of the protocol are, for responsiveness issues, implemented in the kernel. This protocol was developed to support large-scale power-line communication (PLC) with timing requirements.

On the use of the ZigBee protocol for wireless sensor networks

This project was developed within the ART-WiSe framework of the IPP-HURRAY group (http://www.hurray.isep.ipp.pt), at the Polytechnic Institute of Porto (http://www.ipp.pt). The ART-WiSe – Architecture for Real-Time communications in Wireless Sensor networks – framework (http://www.hurray.isep.ipp.pt/art-wise) aims at providing new communication architectures and mechanisms to improve the timing performance of Wireless Sensor Networks (WSNs). The architecture is based on a two-tiered protocol structure, relying on existing standard communication protocols, namely IEEE 802.15.4 (Physical and Data Link Layers) and ZigBee (Network and Application Layers) for Tier 1 and IEEE 802.11 for Tier 2, which serves as a high-speed backbone for Tier 1 without energy consumption restrictions. Within this trend, an application test-bed is being developed with the objectives of implementing, assessing and validating the ART-WiSe architecture. Particularly for the ZigBee protocol case; even though there is a strong commercial lobby from the ZigBee Alliance (http://www.zigbee.org), there is neither an open source available to the community for this moment nor publications on its adequateness for larger-scale WSN applications. This project aims at fulfilling these gaps by providing: a deep analysis of the ZigBee Specification, mainly addressing the Network Layer and particularly its routing mechanisms; an identification of the ambiguities and open issues existent in the ZigBee protocol standard; the proposal of solutions to the previously referred problems; an implementation of a subset of the ZigBee Network Layer, namely the association procedure and the tree routing on our technological platform (MICAz motes, TinyOS operating system and nesC programming language) and an experimental evaluation of that routing mechanism for WSNs.

Sensors on mobile devices for AAL

Com o envelhecimento da população, as preocupações com a garantia do seu bem-estar aumentam criando a necessidade de desenvolver ferramentas que permitam monitorizar em permanência este sector da população. A utilização de smartphones pelos mais velhos pode ser crucial no seu bem-estar e na sua autonomia contribuindo para a recolha de informação importante já que estes estão muitas vezes equipados com sensores que podem dar indicações preciosas ao cuidador sobre o estado atual do paciente. Os sensores podem fornecer dados sobre a atividade física do paciente, bem como detetar quedas ou calcular a sua posição, com a ajuda do acelerómetro, do giroscópio e do sensor de campo magnético. No entanto, funcionalidades como essas requerem, obrigatoriamente, uma frequência de amostragem mínima por parte dos sensores que permita a implementação de algoritmos, que determinarão esses parâmetros da forma mais exata possível. Dado que nem sempre os pacientes se fazem acompanhar do seu smartphone quando estão na sua residência, a criação de ambientes de AAL (Ambient Assisted Living) com recurso a dispositivos externos que podem ser “vestidos” pelos pacientes pode também ser uma solução adequada. Estes contêm normalmente os mesmos sensores que os smartphones e comunicam com estes através de tecnologias sem fios, como é o caso do Bluetooth Low Energy. Neste trabalho, avaliou-se a possibilidade de alteração da frequência dos sensores em diferentes sistemas operativos, tendo sido efectuadas modificações nas instalações por defeito de alguns sistemas operativos abertos. Com o objectivo de permitir a criação de uma solução de AAL com recurso a um dispositivo externo implementaram-se serviços e perfis num dispositivo externo, o SensorTag.

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

Solução Industrial para Controlo de OEE

É cada vez mais forte e natural o desenvolvimento de aplicações móveis. Hoje em dia qualquer pessoa seja de forma amadora ou profissional tenta tirar o máximo partido do seu dispositivo móvel, através de aplicações desenvolvidas para as mais diversas áreas. Um dos sistemas operativos que mais programadores apostam é no Android devido à sua versatilidade e ás suas capacidades enquanto sistema operativo dentro de um smartphone. Para além dessas mais-valias, desenvolver uma aplicação para Android não tem qualquer custo, apenas terá, caso seja uma aplicação para adicionar a Google Play Store, caso contrário pode desenvolver-se qualquer tipo de aplicação sem custos, o que não acontece com outros sistemas operativos. Tendo em conta os custos, é normal as pequenas e médias empresas tentarem investir neste tipo de desenvolvimento, pois evitam gastos em licenciamentos para produzir os seus produtos. Seguindo este contexto, esta dissertação insere-se nesse perfil, isto é, tentar encontrar uma solução com baixos custos e que produza os resultados pretendidos. Através das mais diversas API’s é possível adaptar o sistema operativo Android a qualquer área apenas basta enquadrar da melhor maneira ideias e dar asas à imaginação. Desta forma, esta dissertação irá centrar-se na área industrial, na qual o Android pode e deve ser bastante útil, se for usado com rigor. Irá ser abordado o desenvolvimento de aplicações móveis e serão analisadas as tecnologias envolventes no projeto assim como algumas das principais soluções já implementadas e desenvolvidas por empresas no setor e para o sector industrial. O projeto aborda também de que forma é possível aliar o sistema operativo Android á área industrial de forma a permitir um melhor desempenho por parte de todos em prol da empresa á qual está associado. A necessidade de criação desta aplicação, surgiu numa perspectiva de melhoria contínua, com o objectivo de abandonar o procedimento instituído, que era realizado manualmente, passando a fazê-lo de uma forma automática e mais interativa. O processo será realizado pelos colaboradores e terá sempre o seu contributo, mas de uma forma mais rigorosa, simples e eficiente, aumentando a qualidade do serviço.

Towards high-available and energy-efficient virtual computing environments in the cloud

Empowered by virtualisation technology, cloud infrastructures enable the construction of flexi- ble and elastic computing environments, providing an opportunity for energy and resource cost optimisation while enhancing system availability and achieving high performance. A crucial re- quirement for effective consolidation is the ability to efficiently utilise system resources for high- availability computing and energy-efficiency optimisation to reduce operational costs and carbon footprints in the environment. Additionally, failures in highly networked computing systems can negatively impact system performance substantially, prohibiting the system from achieving its initial objectives. In this paper, we propose algorithms to dynamically construct and readjust vir- tual clusters to enable the execution of users’ jobs. Allied with an energy optimising mechanism to detect and mitigate energy inefficiencies, our decision-making algorithms leverage virtuali- sation tools to provide proactive fault-tolerance and energy-efficiency to virtual clusters. We conducted simulations by injecting random synthetic jobs and jobs using the latest version of the Google cloud tracelogs. The results indicate that our strategy improves the work per Joule ratio by approximately 12.9% and the working efficiency by almost 15.9% compared with other state-of-the-art algorithms.

Exploração da Point Cloud Library aplicada à percepção em sistemas autónomos

A navegação e a interpretação do meio envolvente por veículos autónomos em ambientes não estruturados continua a ser um grande desafio na actualidade. Sebastian Thrun, descreve em [Thr02], que o problema do mapeamento em sistemas robóticos é o da aquisição de um modelo espacial do meio envolvente do robô. Neste contexto, a integração de sistemas sensoriais em plataformas robóticas, que permitam a construção de mapas do mundo que as rodeia é de extrema importância. A informação recolhida desses dados pode ser interpretada, tendo aplicabilidade em tarefas de localização, navegação e manipulação de objectos. Até à bem pouco tempo, a generalidade dos sistemas robóticos que realizavam tarefas de mapeamento ou Simultaneous Localization And Mapping (SLAM), utilizavam dispositivos do tipo laser rangefinders e câmaras stereo. Estes equipamentos, para além de serem dispendiosos, fornecem apenas informação bidimensional, recolhidas através de cortes transversais 2D, no caso dos rangefinders. O paradigma deste tipo de tecnologia mudou consideravelmente, com o lançamento no mercado de câmaras RGB-D, como a desenvolvida pela PrimeSense TM e o subsequente lançamento da Kinect, pela Microsoft R para a Xbox 360 no final de 2010. A qualidade do sensor de profundidade, dada a natureza de baixo custo e a sua capacidade de aquisição de dados em tempo real, é incontornável, fazendo com que o sensor se tornasse instantaneamente popular entre pesquisadores e entusiastas. Este avanço tecnológico deu origem a várias ferramentas de desenvolvimento e interacção humana com este tipo de sensor, como por exemplo a Point Cloud Library [RC11] (PCL). Esta ferramenta tem como objectivo fornecer suporte para todos os blocos de construção comuns que uma aplicação 3D necessita, dando especial ênfase ao processamento de nuvens de pontos de n dimensões adquiridas a partir de câmaras RGB-D, bem como scanners laser, câmaras Time-of-Flight ou câmaras stereo. Neste contexto, é realizada nesta dissertação, a avaliação e comparação de alguns dos módulos e métodos constituintes da biblioteca PCL, para a resolução de problemas inerentes à construção e interpretação de mapas, em ambientes indoor não estruturados, utilizando os dados provenientes da Kinect. A partir desta avaliação, é proposta uma arquitectura de sistema que sistematiza o registo de nuvens de pontos, correspondentes a vistas parciais do mundo, num modelo global consistente. Os resultados da avaliação realizada à biblioteca PCL atestam a sua viabilidade, para a resolução dos problemas propostos. Prova da sua viabilidade, são os resultados práticos obtidos, da implementação da arquitectura de sistema proposta, que apresenta resultados de desempenho interessantes, como também boas perspectivas de integração deste tipo de conceitos e tecnologia em plataformas robóticas desenvolvidas no âmbito de projectos do Laboratório de Sistemas Autónomos (LSA).