Non pre-emptive scheduling of messages on SMTV token-passing networks

Fieldbus communication networks aim to interconnect sensors, actuators and controllers within distributed computer-controlled systems. Therefore, they constitute the foundation upon which real-time applications are to be implemented. A specific class of fieldbus communication networks is based on a simplified version of token-passing protocols, where each station may transfer, at most, a single message per token visit (SMTV). In this paper, we establish an analogy between non-preemptive task scheduling in single processors and the scheduling of messages on SMTV token-passing networks. Moreover, we clearly show that concepts such as blocking and interference in non-preemptive task scheduling have their counterparts in the scheduling of messages on SMTV token-passing networks. Based on this task/message scheduling analogy, we provide pre-run-time schedulability conditions for supporting real-time messages with SMTV token-passing networks. We provide both utilisation-based and response time tests to perform the pre-run-time schedulability analysis of real-time messages on SMTV token-passing networks, considering RM/DM (rate monotonic/deadline monotonic) and EDF (earliest deadline first) priority assignment schemes

Preliminary discussion on globally prioritized medium access for multi-channel wireless systems

We discuss the development of a simple globally prioritized multi-channel medium access control (MAC) protocol for wireless networks. This protocol provides “hard” pre-run-time real-time guarantees to sporadic message streams, exploits a very large fraction of the capacity of all channels for “hard” real-time traffic and also makes it possible to fully utilize the channels with non real-time traffic when hard real-time messages do not request to be transmitted. The potential of such protocols for real-time applications is discussed and a schedulability analysis is also presented.

Uniprocessor EDF scheduling with mode change

Consider the problem of scheduling sporadically-arriving tasks with implicit deadlines using Earliest-Deadline-First (EDF) on a single processor. The system may undergo changes in its operational modes and therefore the characteristics of the task set may change at run-time. We consider a well-established previously published mode-change protocol and we show that if every mode utilizes at most 50% of the processing capacity then all deadlines are met. We also show that there exists a task set that misses a deadline although the utilization exceeds 50% by just an arbitrarily small amount. Finally, we present, for a relevant special case, an exact schedulability test for EDF with mode change.

A new approach to assess defragmentation strategies in dynamically reconfigurable FPGAs

Fragmentation on dynamically reconfigurable FPGAs is a major obstacle to the efficient management of the logic space in reconfigurable systems. When resource allocation decisions have to be made at run-time a rearrangement may be necessary to release enough contiguous resources to implement incoming functions. The feasibility of run-time relocation depends on the processing time required to set up rearrangements. Moreover, the performance of the relocated functions should not be affected by this process or otherwise the whole system performance, and even its operation, may be at risk. Relocation should take into account not only specific functional issues, but also the FPGA architecture, since these two aspects are normally intertwined. A simple and fast method to assess performance degradation of a function during relocation and to speed up the defragmentation process, based on previous function labelling and on the application of the Euclidian distance concept, is proposed in this paper.

A Novel Runtime Monitoring Architecture

Poster presented in 28th GI/ITG International Conference on Architecture of Computing Systems (ARCS 2015). 25 to 28, Mar, 2015, Poster Session. Porto, Portugal.

Towards realistic core-failure-resilient scheduling and analysis

Presented at IEEE Real-Time Systems Symposium (RTSS 2015). 1 to 4, Dec, 2015. San Antonio, U.S.A..

Avaliação em educação - que desafios?

Neste artigo, começo por questionar-me sobre o que é a avaliação, qual o seu contributo para o mundo da educação, partindo da leitura de alguns teóricos e estudiosos que têm vindo a debruçar-se sobre esta temática / problemática. Num segundo momento, confronto-me com experiências vivenciadas ao longo da minha história de vida pessoal/profissional, para, uma vez retratadas/estudadas/avaliadas, desencadear uma interacção com as teorias convocadas. O questionamento é orientado no sentido de identificar e compreender a avaliação em termos da de estratégias a implementar a nível institucional e de vias a abrir para o sucesso escolar / académico. Estão, pois, em causa, as condições institucionais que viabilizam o processo de ensino, o processo que ao professor cabe organizar para criar condições para o aprimoramento das aprendizagens dos estudantes. A teoria é abordada; dois estudos de caso em tempos e contextos diferentes são focalizados – narrados/estudados/avaliados; a dialéctica é estabelecida – questionando a(s) praxis pela(s) teoria(s) convocadas; surge, então, em consequência, a oportunidade das reflexões e prospecções, para um novo tempo e num contexto outro, sempre orientadas para uma acção/avaliação que leve ao aprimoramento das aprendizagens.

Extending the learning object definition to represent programming problems

The present generation of eLearning platforms values the interchange of learning objects standards. Nevertheless, for specialized domains these standards are insufficient to fully describe all the assets, especially when they are used as input for other eLearning services. To address this issue we extended an existing learning objects standard to the particular requirements of a specialized domain, namely the automatic evaluation of programming problems. The focus of this paper is the definition of programming problems as learning objects. We introduce a new schema to represent metadata related to automatic evaluation that cannot be conveniently represented using existing standards, such as: the type of automatic evaluation; the requirements of the evaluation engine; or the roles of different assets - tests cases, program solutions, etc. This new schema is being used in an interoperable repository of learning objects, called crimsonHex.

Modelling an e-learning environment for learning programming languages

It is widely accepted that solving programming exercises is fundamental to learn how to program. Nevertheless, solving exercises is only effective if students receive an assessment on their work. An exercise solved wrong will consolidate a false belief, and without feedback many students will not be able to overcome their difficulties. However, creating, managing and accessing a large number of exercises, covering all the points in the curricula of a programming course, in classes with large number of students, can be a daunting task without the appropriated tools working in unison. This involves a diversity of tools, from the environments where programs are coded, to automatic program evaluators providing feedback on the attempts of students, passing through the authoring, management and sequencing of programming exercises as learning objects. We believe that the integration of these tools will have a great impact in acquiring programming skills. Our research objective is to manage and coordinate a network of eLearning systems where students can solve computer programming exercises. Networks of this kind include systems such as learning management systems (LMS), evaluation engines (EE), learning objects repositories (LOR) and exercise resolution environments (ERE). Our strategy to achieve the interoperability among these tools is based on a shared definition of programming exercise as a Learning Object (LO).

Orthogonal persistence in Java supported by aspect- oriented programming and reflection

The persistence concern implemented as an aspect has been studied since the appearance of the Aspect-Oriented paradigm. Frequently, persistence is given as an example that can be aspectized, but until today no real world solution has applied that paradigm. Such solution should be able to enhance the programmer productivity and make the application less prone to errors. To test the viability of that concept, in a previous study we developed a prototype that implements Orthogonal Persistence as an aspect. This first version of the prototype was already fully functional with all Java types including arrays. In this work the results of our new research to overcome some limitations that we have identified on the data type abstraction and transparency in the prototype are presented. One of our goals was to avoid the Java standard idiom for genericity, based on casts, type tests and subtyping. Moreover, we also find the need to introduce some dynamic data type abilities. We consider that the Reflection is the solution to those issues. To achieve that, we have extended our prototype with a new static weaver that preprocesses the application source code in order to introduce changes to the normal behavior of the Java compiler with a new generated reflective code.

Real-time energy resources scheduling considering intensive wind penetration

The use of distributed energy resources, based on natural intermittent power sources, like wind generation, in power systems imposes the development of new adequate operation management and control methodologies. A short-term Energy Resource Management (ERM) methodology performed in two phases is proposed in this paper. The first one addresses the day-ahead ERM scheduling and the second one deals with the five-minute ahead ERM scheduling. The ERM scheduling is a complex optimization problem due to the high quantity of variables and constraints. In this paper the main goal is to minimize the operation costs from the point of view of a virtual power player that manages the network and the existing resources. The optimization problem is solved by a deterministic mixedinteger non-linear programming approach. A case study considering a distribution network with 33 bus, 66 distributed generation, 32 loads with demand response contracts and 7 storage units and 1000 electric vehicles has been implemented in a simulator developed in the field of the presented work, in order to validate the proposed short-term ERM methodology considering the dynamic power system behavior.

Exploração do UML para a derivação automática de requisitos arquitecturais. Uma abordagem orientada a modelos

O desenvolvimento de software orientado a modelos defende a utilização dos modelos como um artefacto que participa activamente no processo de desenvolvimento. O modelo ocupa uma posição que se encontra ao mesmo nível do código. Esta é uma abordagem importante que tem sido alvo de atenção crescente nos últimos tempos. O Object Management Group (OMG) é o responsável por uma das principais especificações utilizadas na definição da arquitectura dos sistemas cujo desenvolvimento é orientado a modelos: o Model Driven Architecture (MDA). Os projectos que têm surgido no âmbito da modelação e das linguagens específicas de domínio para a plataforma Eclipse são um bom exemplo da atenção dada a estas áreas. São projectos totalmente abertos à comunidade, que procuram respeitar os standards e que constituem uma excelente oportunidade para testar e por em prática novas ideias e abordagens. Nesta dissertação foram usadas ferramentas criadas no âmbito do Amalgamation Project, desenvolvido para a plataforma Eclipse. Explorando o UML e usando a linguagem QVT, desenvolveu-se um processo automático para extrair elementos da arquitectura do sistema a partir da definição de requisitos. Os requisitos são representados por modelos UML que são transformados de forma a obter elementos para uma aproximação inicial à arquitectura do sistema. No final, obtêm-se um modelo UML que agrega os componentes, interfaces e tipos de dados extraídos a partir dos modelos dos requisitos. É uma abordagem orientada a modelos que mostrou ser exequível, capaz de oferecer resultados práticos e promissora no que concerne a trabalho futuro.

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.

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.