Efficient schedulability tests for real-time embedded systems with urgent routines

Task scheduling is one of the key mechanisms to ensure timeliness in embedded real-time systems. Such systems have often the need to execute not only application tasks but also some urgent routines (e.g. error-detection actions, consistency checkers, interrupt handlers) with minimum latency. Although fixed-priority schedulers such as Rate-Monotonic (RM) are in line with this need, they usually make a low processor utilization available to the system. Moreover, this availability usually decreases with the number of considered tasks. If dynamic-priority schedulers such as Earliest Deadline First (EDF) are applied instead, high system utilization can be guaranteed but the minimum latency for executing urgent routines may not be ensured. In this paper we describe a scheduling model according to which urgent routines are executed at the highest priority level and all other system tasks are scheduled by EDF. We show that the guaranteed processor utilization for the assumed scheduling model is at least as high as the one provided by RM for two tasks, namely 2(2√−1). Seven polynomial time tests for checking the system timeliness are derived and proved correct. The proposed tests are compared against each other and to an exact but exponential running time test.

Energy resources management in three distinct time horizons considering a large variation in wind power

The intensive use of distributed generation based on renewable resources increases the complexity of power systems management, particularly the short-term scheduling. Demand response, storage units and electric and plug-in hybrid vehicles also pose new challenges to the short-term scheduling. However, these distributed energy resources can contribute significantly to turn the shortterm scheduling more efficient and effective improving the power system reliability. This paper proposes a short-term scheduling methodology based on two distinct time horizons: hour-ahead scheduling, and real-time scheduling considering the point of view of one aggregator agent. In each scheduling process, it is necessary to update the generation and consumption operation, and the storage and electric vehicles status. Besides the new operation condition, more accurate forecast values of wind generation and consumption are available, for the resulting of short-term and very short-term methods. In this paper, the aggregator has the main goal of maximizing his profits while, fulfilling the established contracts with the aggregated and external players.

Contextual Intelligent Load Management Considering Real-Time Pricing in a Smart Grid Environment

The use of demand response programs enables the adequate use of resources of small and medium players, bringing high benefits to the smart grid, and increasing its efficiency. One of the difficulties to proceed with this paradigm is the lack of intelligence in the management of small and medium size players. In order to make demand response programs a feasible solution, it is essential that small and medium players have an efficient energy management and a fair optimization mechanism to decrease the consumption without heavy loss of comfort, making it acceptable for the users. This paper addresses the application of real-time pricing in a house that uses an intelligent optimization module involving artificial neural networks.

Dynamical Analysis and Visualization of Tornadoes Time Series

In this paper we analyze the behavior of tornado time-series in the U.S. from the perspective of dynamical systems. A tornado is a violently rotating column of air extending from a cumulonimbus cloud down to the ground. Such phenomena reveal features that are well described by power law functions and unveil characteristics found in systems with long range memory effects. Tornado time series are viewed as the output of a complex system and are interpreted as a manifestation of its dynamics. Tornadoes are modeled as sequences of Dirac impulses with amplitude proportional to the events size. First, a collection of time series involving 64 years is analyzed in the frequency domain by means of the Fourier transform. The amplitude spectra are approximated by power law functions and their parameters are read as an underlying signature of the system dynamics. Second, it is adopted the concept of circular time and the collective behavior of tornadoes analyzed. Clustering techniques are then adopted to identify and visualize the emerging patterns.

Allocation of Parallel Real-Time Tasks in Distributed Multi-core Architectures supported by an FTT-SE Network

Distributed real-time systems such as automotive applications are becoming larger and more complex, thus, requiring the use of more powerful hardware and software architectures. Furthermore, those distributed applications commonly have stringent real-time constraints. This implies that such applications would gain in flexibility if they were parallelized and distributed over the system. In this paper, we consider the problem of allocating fixed-priority fork-join Parallel/Distributed real-time tasks onto distributed multi-core nodes connected through a Flexible Time Triggered Switched Ethernet network. We analyze the system requirements and present a set of formulations based on a constraint programming approach. Constraint programming allows us to express the relations between variables in the form of constraints. Our approach is guaranteed to find a feasible solution, if one exists, in contrast to other approaches based on heuristics. Furthermore, approaches based on constraint programming have shown to obtain solutions for these type of formulations in reasonable time.

Response Time Analysis for Fixed-Priority Tasks with Multiple Probabilistic Parameters

Demo presented in 12th Workshop on Models and Algorithms for Planning and Scheduling Problems (MAPSP 2015). 8 to 12, Jun, 2015. La Roche-en-Ardenne, Belgium. Extended abstract.

P-SOCRATES: A parallel software framework for time-critical many-core systems

Article in Press, Corrected Proof

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.

Parallel Software framework for time-critical many-core systems

The recent technological advancements and market trends are causing an interesting phenomenon towards the convergence of High-Performance Computing (HPC) and Embedded Computing (EC) domains. On one side, new kinds of HPC applications are being required by markets needing huge amounts of information to be processed within a bounded amount of time. On the other side, EC systems are increasingly concerned with providing higher performance in real-time, challenging the performance capabilities of current architectures. The advent of next-generation many-core embedded platforms has the chance of intercepting this converging need for predictable high-performance, allowing HPC and EC applications to be executed on efficient and powerful heterogeneous architectures integrating general-purpose processors with many-core computing fabrics. To this end, it is of paramount importance to develop new techniques for exploiting the massively parallel computation capabilities of such platforms in a predictable way. P-SOCRATES will tackle this important challenge by merging leading research groups from the HPC and EC communities. The time-criticality and parallelisation challenges common to both areas will be addressed by proposing an integrated framework for executing workload-intensive applications with real-time requirements on top of next-generation commercial-off-the-shelf (COTS) platforms based on many-core accelerated architectures. The project will investigate new HPC techniques that fulfil real-time requirements. The main sources of indeterminism will be identified, proposing efficient mapping and scheduling algorithms, along with the associated timing and schedulability analysis, to guarantee the real-time and performance requirements of the applications.

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

Multicore Scheduling of Real-Time Irregular Parallel Algorithms in Linux

Face à estagnação da tecnologia uniprocessador registada na passada década, aos principais fabricantes de microprocessadores encontraram na tecnologia multi-core a resposta `as crescentes necessidades de processamento do mercado. Durante anos, os desenvolvedores de software viram as suas aplicações acompanhar os ganhos de performance conferidos por cada nova geração de processadores sequenciais, mas `a medida que a capacidade de processamento escala em função do número de processadores, a computação sequencial tem de ser decomposta em várias partes concorrentes que possam executar em paralelo, para que possam utilizar as unidades de processamento adicionais e completar mais rapidamente. A programação paralela implica um paradigma completamente distinto da programação sequencial. Ao contrário dos computadores sequenciais tipificados no modelo de Von Neumann, a heterogeneidade de arquiteturas paralelas requer modelos de programação paralela que abstraiam os programadores dos detalhes da arquitectura e simplifiquem o desenvolvimento de aplicações concorrentes. Os modelos de programação paralela mais populares incitam os programadores a identificar instruções concorrentes na sua lógica de programação, e a especificá-las sob a forma de tarefas que possam ser atribuídas a processadores distintos para executarem em simultâneo. Estas tarefas são tipicamente lançadas durante a execução, e atribuídas aos processadores pelo motor de execução subjacente. Como os requisitos de processamento costumam ser variáveis, e não são conhecidos a priori, o mapeamento de tarefas para processadores tem de ser determinado dinamicamente, em resposta a alterações imprevisíveis dos requisitos de execução. `A medida que o volume da computação cresce, torna-se cada vez menos viável garantir as suas restrições temporais em plataformas uniprocessador. Enquanto os sistemas de tempo real se começam a adaptar ao paradigma de computação paralela, há uma crescente aposta em integrar execuções de tempo real com aplicações interativas no mesmo hardware, num mundo em que a tecnologia se torna cada vez mais pequena, leve, ubíqua, e portável. Esta integração requer soluções de escalonamento que simultaneamente garantam os requisitos temporais das tarefas de tempo real e mantenham um nível aceitável de QoS para as restantes execuções. Para tal, torna-se imperativo que as aplicações de tempo real paralelizem, de forma a minimizar os seus tempos de resposta e maximizar a utilização dos recursos de processamento. Isto introduz uma nova dimensão ao problema do escalonamento, que tem de responder de forma correcta a novos requisitos de execução imprevisíveis e rapidamente conjeturar o mapeamento de tarefas que melhor beneficie os critérios de performance do sistema. A técnica de escalonamento baseado em servidores permite reservar uma fração da capacidade de processamento para a execução de tarefas de tempo real, e assegurar que os efeitos de latência na sua execução não afectam as reservas estipuladas para outras execuções. No caso de tarefas escalonadas pelo tempo de execução máximo, ou tarefas com tempos de execução variáveis, torna-se provável que a largura de banda estipulada não seja consumida por completo. Para melhorar a utilização do sistema, os algoritmos de partilha de largura de banda (capacity-sharing) doam a capacidade não utilizada para a execução de outras tarefas, mantendo as garantias de isolamento entre servidores. Com eficiência comprovada em termos de espaço, tempo, e comunicação, o mecanismo de work-stealing tem vindo a ganhar popularidade como metodologia para o escalonamento de tarefas com paralelismo dinâmico e irregular. O algoritmo p-CSWS combina escalonamento baseado em servidores com capacity-sharing e work-stealing para cobrir as necessidades de escalonamento dos sistemas abertos de tempo real. Enquanto o escalonamento em servidores permite partilhar os recursos de processamento sem interferências a nível dos atrasos, uma nova política de work-stealing que opera sobre o mecanismo de capacity-sharing aplica uma exploração de paralelismo que melhora os tempos de resposta das aplicações e melhora a utilização do sistema. Esta tese propõe uma implementação do algoritmo p-CSWS para o Linux. Em concordância com a estrutura modular do escalonador do Linux, ´e definida uma nova classe de escalonamento que visa avaliar a aplicabilidade da heurística p-CSWS em circunstâncias reais. Ultrapassados os obstáculos intrínsecos `a programação da kernel do Linux, os extensos testes experimentais provam que o p-CSWS ´e mais do que um conceito teórico atrativo, e que a exploração heurística de paralelismo proposta pelo algoritmo beneficia os tempos de resposta das aplicações de tempo real, bem como a performance e eficiência da plataforma multiprocessador.

A framework for real time MMO game content generation

Com o aumento de plataformas móveis disponíveis no mercado e com o constante incremento na sua capacidade computacional, a possibilidade de executar aplicações e em especial jogos com elevados requisitos de desempenho aumentou consideravelmente. O mercado dos videojogos tem assim um cada vez maior número de potenciais clientes. Em especial, o mercado de jogos massive multiplayer online (MMO) tem-se tornado muito atractivo para as empresas de desenvolvimento de jogos. Estes jogos suportam uma elevada quantidade de jogadores em simultâneo que podem estar a executar o jogo em diferentes plataformas e distribuídos por um "mundo" de jogo extenso. Para incentivar a exploração desse "mundo", distribuem-se de forma inteligente pontos de interesse que podem ser explorados pelo jogador. Esta abordagem leva a um esforço substancial no planeamento e construção desses mundos, gastando tempo e recursos durante a fase de desenvolvimento. Isto representa um problema para as empresas de desenvolvimento de jogos, e em alguns casos, e impraticável suportar tais custos para equipas indie. Nesta tese e apresentada uma abordagem para a criação de mundos para jogos MMO. Estudam-se vários jogos MMO que são casos de sucesso de modo a identificar propriedades comuns nos seus mundos. O objectivo e criar uma framework flexível capaz de gerar mundos com estruturas que respeitam conjuntos de regras definidas por game designers. Para que seja possível usar a abordagem aqui apresentada em v arias aplicações diferentes, foram desenvolvidos dois módulos principais. O primeiro, chamado rule-based-map-generator, contem a lógica e operações necessárias para a criação de mundos. O segundo, chamado blocker, e um wrapper à volta do módulo rule-based-map-generator que gere as comunicações entre servidor e clientes. De uma forma resumida, o objectivo geral e disponibilizar uma framework para facilitar a geração de mundos para jogos MMO, o que normalmente e um processo bastante demorado e aumenta significativamente o custo de produção, através de uma abordagem semi-automática combinando os benefícios de procedural content generation (PCG) com conteúdo gráfico gerado manualmente.