Supporting real-time parallel task models with work-stealing

Dynamic parallel scheduling using work-stealing has gained popularity in academia and industry for its good performance, ease of implementation and theoretical bounds on space and time. Cores treat their own double-ended queues (deques) as a stack, pushing and popping threads from the bottom, but treat the deque of another randomly selected busy core as a queue, stealing threads only from the top, whenever they are idle. However, this standard approach cannot be directly applied to real-time systems, where the importance of parallelising tasks is increasing due to the limitations of multiprocessor scheduling theory regarding parallelism. Using one deque per core is obviously a source of priority inversion since high priority tasks may eventually be enqueued after lower priority tasks, possibly leading to deadline misses as in this case the lower priority tasks are the candidates when a stealing operation occurs. Our proposal is to replace the single non-priority deque of work-stealing with ordered per-processor priority deques of ready threads. The scheduling algorithm starts with a single deque per-core, but unlike traditional work-stealing, the total number of deques in the system may now exceed the number of processors. Instead of stealing randomly, cores steal from the highest priority deque.

Implementing multicore real-time scheduling algorithms based on task splitting using ada 2012

Multiprocessors, particularly in the form of multicores, are becoming standard building blocks for executing reliable software. But their use for applications with hard real-time requirements is non-trivial. Well-known realtime scheduling algorithms in the uniprocessor context (Rate-Monotonic [1] or Earliest-Deadline-First [1]) do not perform well on multiprocessors. For this reason the scientific community in the area of real-time systems has produced new algorithms specifically for multiprocessors. In the meanwhile, a proposal [2] exists for extending the Ada language with new basic constructs which can be used for implementing new algorithms for real-time scheduling; the family of task splitting algorithms is one of them which was emphasized in the proposal [2]. Consequently, assessing whether existing task splitting multiprocessor scheduling algorithms can be implemented with these constructs is paramount. In this paper we present a list of state-of-art task-splitting multiprocessor scheduling algorithms and, for each of them, we present detailed Ada code that uses the new constructs.

LLF schedulability analysis on multiprocessor platforms

LLF (Least Laxity First) scheduling, which assigns a higher priority to a task with smaller laxity, has been known as an optimal preemptive scheduling algorithm on a single processor platform. However, its characteristics upon multiprocessor platforms have been little studied until now. Orthogonally, it has remained open how to efficiently schedule general task systems, including constrained deadline task systems, upon multiprocessors. Recent studies have introduced zero laxity (ZL) policy, which assigns a higher priority to a task with zero laxity, as a promising scheduling approach for such systems (e.g., EDZL). Towards understanding the importance of laxity in multiprocessor scheduling, this paper investigates the characteristics of ZL policy and presents the first ZL schedulability test for any work-conserving scheduling algorithm that employs this policy. It then investigates the characteristics of LLF scheduling, which also employs the ZL policy, and derives the first LLF-specific schedulability test on multiprocessors. It is shown that the proposed LLF test dominates the ZL test as well as the state-of-art EDZL test.

Scheduling arbitrary-deadline sporadic task systems on multiprocessors

A new algorithm is proposed for scheduling preemptible arbitrary-deadline sporadic task systems upon multiprocessor platforms, with interprocessor migration permitted. This algorithm is based on a task-splitting approach - while most tasks are entirely assigned to specific processors, a few tasks (fewer than the number of processors) may be split across two processors. This algorithm can be used for two distinct purposes: for actually scheduling specific sporadic task systems, and for feasibility analysis. Simulation- based evaluation indicates that this algorithm offers a significant improvement on the ability to schedule arbitrary- deadline sporadic task systems as compared to the contemporary state-of-art. With regard to feasibility analysis, the new algorithm is proved to offer superior performance guarantees in comparison to prior feasibility tests.

Energy Resource Management under the Influence of the Weekend Transition Considering an Intensive use of Electric Vehicles

Energy resource scheduling is becoming increasingly important, as the use of distributed resources is intensified and of massive electric vehicle is envisaged. The present paper proposes a methodology for day-ahead energy resource scheduling for smart grids considering the intensive use of distributed generation and Vehicle-to-Grid (V2G). This method considers that the energy resources are managed by a Virtual Power Player (VPP) which established contracts with their owners. It takes into account these contracts, the users' requirements subjected to the VPP, and several discharge price steps. The full AC power flow calculation included in the model takes into account network constraints. The influence of the successive day requirements on the day-ahead optimal solution is discussed and considered in the proposed model. A case study with a 33-bus distribution network and V2G is used to illustrate the good performance of the proposed method.

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

MASDScheGATS: a prototype system for dynamic scheduling

A manufacturing system has a natural dynamic nature observed through several kinds of random occurrences and perturbations on working conditions and requirements over time. For this kind of environment it is important the ability to efficient and effectively adapt, on a continuous basis, existing schedules according to the referred disturbances, keeping performance levels. The application of Meta-Heuristics and Multi-Agent Systems to the resolution of this class of real world scheduling problems seems really promising. This paper presents a prototype for MASDScheGATS (Multi-Agent System for Distributed Manufacturing Scheduling with Genetic Algorithms and Tabu Search).

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.

Unified overhead-aware schedulability analysis for slot-based task-splitting

Hard real- time multiprocessor scheduling has seen, in recent years, the flourishing of semi-partitioned scheduling algorithms. This category of scheduling schemes combines elements of partitioned and global scheduling for the purposes of achieving efficient utilization of the system’s processing resources with strong schedulability guarantees and with low dispatching overheads. The sub-class of slot-based “task-splitting” scheduling algorithms, in particular, offers very good trade-offs between schedulability guarantees (in the form of high utilization bounds) and the number of preemptions/migrations involved. However, so far there did not exist unified scheduling theory for such algorithms; each one was formulated in its own accompanying analysis. This article changes this fragmented landscape by formulating a more unified schedulability theory covering the two state-of-the-art slot-based semi-partitioned algorithms, S-EKG and NPS-F (both fixed job-priority based). This new theory is based on exact schedulability tests, thus also overcoming many sources of pessimism in existing analysis. In turn, since schedulability testing guides the task assignment under the schemes in consideration, we also formulate an improved task assignment procedure. As the other main contribution of this article, and as a response to the fact that many unrealistic assumptions, present in the original theory, tend to undermine the theoretical potential of such scheduling schemes, we identified and modelled into the new analysis all overheads incurred by the algorithms in consideration. The outcome is a new overhead-aware schedulability analysis that permits increased efficiency and reliability. The merits of this new theory are evaluated by an extensive set of experiments.

Scalable and Efficient Configuration of TimeDivision Multiplexed Resources

Consumer-electronics systems are becoming increasingly complex as the number of integrated applications is growing. Some of these applications have real-time requirements, while other non-real-time applications only require good average performance. For cost-efficient design, contemporary platforms feature an increasing number of cores that share resources, such as memories and interconnects. However, resource sharing causes contention that must be resolved by a resource arbiter, such as Time-Division Multiplexing. A key challenge is to configure this arbiter to satisfy the bandwidth and latency requirements of the real-time applications, while maximizing the slack capacity to improve performance of their non-real-time counterparts. As this configuration problem is NP-hard, a sophisticated automated configuration method is required to avoid negatively impacting design time. The main contributions of this article are: 1) An optimal approach that takes an existing integer linear programming (ILP) model addressing the problem and wraps it in a branch-and-price framework to improve scalability. 2) A faster heuristic algorithm that typically provides near-optimal solutions. 3) An experimental evaluation that quantitatively compares the branch-and-price approach to the previously formulated ILP model and the proposed heuristic. 4) A case study of an HD video and graphics processing system that demonstrates the practical applicability of the approach.

Non-preemptive and SRP-based fullypreemptive scheduling of real-time Software Transactional Memory

Recent embedded processor architectures containing multiple heterogeneous cores and non-coherent caches renewed attention to the use of Software Transactional Memory (STM) as a building block for developing parallel applications. STM promises to ease concurrent and parallel software development, but relies on the possibility of abort conflicting transactions to maintain data consistency, which in turns affects the execution time of tasks carrying transactions. Because of this fact the timing behaviour of the task set may not be predictable, thus it is crucial to limit the execution time overheads resulting from aborts. In this paper we formalise a FIFO-based algorithm to order the sequence of commits of concurrent transactions. Then, we propose and evaluate two non-preemptive and one SRP-based fully-preemptive scheduling strategies, in order to avoid transaction starvation.

Relatório de estágio de qualificação profissional

Relatório EPE - Relatório de estágio em Educação Pré-Escolar:O relatório de estágio para a qualificação profissional foi realizado no âmbito da unidade curricular de Prática Pedagógica Supervisionada na Educação Pré-Escolar, sendo esta parte integrante do Mestrado em Educação Pré-Escolar e Ensino do 1º ciclo do Ensino Básico. Todo o trabalho desenvolvido no presente relatório teve como objetivo dar a conhecer, de forma crítica, reflexiva e sustentada, as experiências vividas pela formanda com o grupo de crianças que acompanhou, num total de 210 horas de estágio, iniciado em fevereiro e terminado em junho do presente ano. A prática pedagógica de um educador de infância influencia diretamente o desenvolvimento das crianças, bem como o desenvolvimento do próprio docente, contituindo para o desenvolvimento de competências fundamentais para a sua prática futura. Com vista a uma planificação focada nas necessidades e interesses evidenciados pelo grupo de crianças, o educador deve observar, planear, agir, avaliar, comunicar e articular, levando a cabo, paralelamente, a investigaçãoação como forma de refletir sobre a sua prática e sobre os efeitos da mesma, em si e nas crianças. Tendo por base estes pressupostos, foram observadas necessidades de desenvolvimento, interesses e resultados de aprendizagem, que permitiram a planificação de atividades a realizar, por forma a atingir os objetivos traçados para o desenvolvimento de capacidades nas crianças. Para isso, recorreu-se a estratégias inovadoras e diversificadas, suportadas pelos modelos curriculares High/Scope e Reggio Emilia, e também pela Metodologia de Trabalho de Projeto. O trabalho desenvolvido em torno da unidade curricular visa competências como a mobilização de saberes, a adoção de estratégias diferenciadas, a tomada de decisões conscientes e adequadas, o desenvolvimento de projetos de investigação e o desenvolvimento e consolidação de competências socioprofissionais e pessoais. Neste sentido, contribuiu para o desenvolvimento pessoal e para o crescimento profissional da mestranda, através das intervenções realizadas com o grupo de crianças. As diferentes etapas do processo educativo acompanharam afincadamente esta etapa, na medida em que contribuiram para um maior conhecimento da formanda quanto à ação e à planificação. Importa salientar que as atividades desenvolvidas ao longo deste período visaram o desenvolvimento de todas as áreas e domínios de conteúdo, nas crianças, com mais ênfase na área da formação pessoal e social e na área do conhecimento do mundo.

Sistemas hápticos no apoio à educação: estudo da aerodinâmica

É considerado um dos problemas na educação o facto de a aprendizagem poder ser muito baseada no uso da teoria. Sendo as experiências do ser humano uma grande parte da forma como vemos e vivemos o mundo, torna-se imprescindível o hábito da prática na formação do nosso conhecimento. Embora a teoria seja sempre necessária na construção de conceitos, deve ser complementada com a experiência de forma a consolidar a aprendizagem para melhor noção da realidade. Esta dissertação descreve uma didáctica para a integração de dispositivos hápticos aplicados à educação, concebendo assim um novo e inovador método de ensino aliado à prática. Dependendo da aceitação por parte dos alunos, este método de uso de tecnologia na educação para fins práticos pode revelar-se revolucionário. Experiências que seriam difíceis de realizar tornam-se possíveis de simular de uma forma real com a ajuda dos sistemas hápticos, em que a variedade de matérias que as aplicações podem simular é vasta. Especificamente, este trabalho fundamenta-se no estudo da aerodinâmica no voo com recurso a uma aplicação desenvolvida para o efeito e à potencialidade do aparelho háptico Novint Falcon, um interface sensorial táctil entre uma pessoa e um computador, de custo relativamente baixo em relação à generalidade dos preços deste tipo de dispositivos. Os testes que estudantes realizaram à aplicação revelaram grande interesse e curiosidade pela novidade da tecnologia háptica e apreciação no conceito do seu uso prático na educação. De forma geral, todos os alunos que participaram no ensaio do programa transmitiram feedback positivo, expressando maior ganho de motivação e desejo em ver este sistema aplicado a outras disciplinas.

Edição gráfica de layout fabril no apoio ao planeamento e controlo da produção

O contributo da área de investigação Interacção Humano-Computador (HCI) está patente não só na qualidade da interacção, mas também na diversificação das formas de interacção. A HCI define-se como sendo uma disciplina que se dedica ao desenho, desenvolvimento e implementação de sistemas de computação interactivos para uso humano e estudo dos fenómenos relevantes que os rodeiam. Pretende-se, no âmbito desta tese de mestrado, o desenvolvimento de um Editor Gráfico de Layout Fabril a integrar num SAD para suporte ao Planeamento e Controlo da Produção. O sistema deve ser capaz de gerar um layout fabril do qual constam, entre outros objectos, as representações gráficas e as respectivas características/atributos do conjunto de recursos (máquinas/processadores) existentes no sistema de produção a modelar. O módulo desenvolvido será integrado no projecto de I&D ADSyS (Adaptative Decision Support System for Interactive Scheduling with MetaCognition and User Modeling Experience), melhorando aspectos de interacção referentes ao sistema AutoDynAgents, um dedicado ao escalonamento, planeamento e controlo de produção. Foi realizada a análise de usabilidade a este módulo com a qual se pretendeu realizar a respectiva avaliação, através da realização de um teste de eficiência e do preenchimento de um inquérito, da qual se identificaram um conjunto de melhorias e sugestões a serem consideradas no refinamento deste módulo.

LNT: a logical neighbor tree secure group communication scheme for wireless sensor networks

Secure group communication is a paradigm that primarily designates one-to-many communication security. The proposed works relevant to secure group communication have predominantly considered the whole network as being a single group managed by a central powerful node capable of supporting heavy communication, computation and storage cost. However, a typical Wireless Sensor Network (WSN) may contain several groups, and each one is maintained by a sensor node (the group controller) with constrained resources. Moreover, the previously proposed schemes require a multicast routing support to deliver the rekeying messages. Nevertheless, multicast routing can incur heavy storage and communication overheads in the case of a wireless sensor network. Due to these two major limitations, we have reckoned it necessary to propose a new secure group communication with a lightweight rekeying process. Our proposal overcomes the two limitations mentioned above, and can be applied to a homogeneous WSN with resource-constrained nodes with no need for a multicast routing support. Actually, the analysis and simulation results have clearly demonstrated that our scheme outperforms the previous well-known solutions.