Task Assignment Algorithms for Heterogeneous Multiprocessors

Consider the problem of assigning implicit-deadline sporadic tasks on a heterogeneous multiprocessor platform comprising a constant number (denoted by t) of distinct types of processors—such a platform is referred to as a t-type platform. We present two algorithms, LPGIM and LPGNM, each providing the following guarantee. For a given t-type platform and a task set, if there exists a task assignment such that tasks can be scheduled to meet their deadlines by allowing them to migrate only between processors of the same type (intra-migrative), then: (i) LPGIM succeeds in finding such an assignment where the same restriction on task migration applies (intra-migrative) but given a platform in which only one processor of each type is 1 + α × t-1/t times faster and (ii) LPGNM succeeds in finding a task assignment where tasks are not allowed to migrate between processors (non-migrative) but given a platform in which every processor is 1 + α times faster. The parameter α is a property of the task set; it is the maximum of all the task utilizations that are no greater than one. To the best of our knowledge, for t-type heterogeneous multiprocessors: (i) for the problem of intra-migrative task assignment, no previous algorithm exists with a proven bound and hence our algorithm, LPGIM, is the first of its kind and (ii) for the problem of non-migrative task assignment, our algorithm, LPGNM, has superior performance compared to state-of-the-art.

Adapted Control Methods for Cerebral Palsy Users of an Intelligent Wheelchair

The development of an intelligent wheelchair (IW) platform that may be easily adapted to any commercial electric powered wheelchair and aid any person with special mobility needs is the main objective of this project. To be able to achieve this main objective, three distinct control methods were implemented in the IW: manual, shared and automatic. Several algorithms were developed for each of these control methods. This paper presents three of the most significant of those algorithms with emphasis on the shared control method. Experiments were performed by users suffering from cerebral palsy, using a realistic simulator, in order to validate the approach. The experiments revealed the importance of using shared (aided) controls for users with severe disabilities. The patients still felt having complete control over the wheelchair movement when using a shared control at a 50% level and thus this control type was very well accepted. Thus it may be used in intelligent wheelchairs since it is able to correct the direction in case of involuntary movements of the user but still gives him a sense of complete control over the IW movement.

Compositional multiprocessor scheduling: the GMPR interface

Composition is a practice of key importance in software engineering. When real-time applications are composed, it is necessary that their timing properties (such as meeting the deadlines) are guaranteed. The composition is performed by establishing an interface between the application and the physical platform. Such an interface typically contains information about the amount of computing capacity needed by the application. For multiprocessor platforms, the interface should also present information about the degree of parallelism. Several interface proposals have recently been put forward in various research works. However, those interfaces are either too complex to be handled or too pessimistic. In this paper we propose the generalized multiprocessor periodic resource model (GMPR) that is strictly superior to the MPR model without requiring a too detailed description. We then derive a method to compute the interface from the application specification. This method has been implemented in Matlab routines that are publicly available.

Análise dinâmica de composições musicais

A composição musical é um tema de muito interesse para a computação evolucionária dentro da área da inteligência artificial. É uma área que tem sofrido vários desenvolvimentos ao longo dos últimos anos pois o interesse em que hajam computadores que façam obras musicais é deveras aliciante. Este trabalho tem por objectivo realizar mais um passo nesse sentido. Assim, foi desenvolvida uma aplicação informática que realiza composições musicais de dois géneros distintos: Músicas Infantis e Músicas Blues. A aplicação foi implementada com recurso aos Algoritmos Genéticos, que são os algoritmos evolucionários mais populares da área da computação evolucionária. O trabalho foi estruturado em duas fases de desenvolvimento. Na primeira fase, realizou-se um levantamento estatístico sobre as características específicas de cada um dos géneros musicais. Analisaram-se quinze músicas de cada género musical, com o intuito de se chegar a uma proporção do uso que cada nota tem em cada um dos casos. Na segunda fase, desenvolveu-se o software que compõe as músicas com implementação de um algoritmo genético. Além disso, foi também desenvolvida uma interface gráfica que permite ao utilizador a escolha do género musical que pretende compor. O algoritmo genético começa por gerar uma população inicial de potenciais soluções de acordo com a escolha do utilizador, realizando, de seguida, o ciclo que caracteriza o algoritmo genético. A população inicial é constituída por soluções que seguem as regras que foram implementadas de acordo com os dados recolhidos ao longo da primeira fase. Foi também implementada uma interface de avaliação, através da qual, o utilizador pode ouvir cada uma das músicas para posterior avaliação em termos de fitness. O estado de evolução do algoritmo é apresentado, numa segunda interface, a qual facilita a clareza e justiça na avaliação ao longo de todo o processo. Esta última apresenta informação sobre a média das fitness da geração anterior e actual, sendo assim possível ter uma noção da evolução do algoritmo, no sentido de se obterem resultados satisfatórios no que diz respeito às composições musicais.

Implementação de uma Interface Homem-máquina baseada em Eletroculografia

A constante evolução da tecnologia permitiu ao ser humano a utilização de dispositivos electrónicos nas suas rotinas diárias. Estas podem ser afetadas quando os utilizadores sofrem de deficiências ou doenças que afetam as suas capacidades motoras. Com o intuito de minimizar este obstáculo surgiram as Interfaces Homem-Computador (HCI). É neste panorama que os sistemas HCI baseados em Eletroculografia (EOG) assumem um papel preponderante na melhoria da qualidade de vida destes indivíduos. A Eletroculografia é o resultado da aquisição do movimento ocular, que pode ser adquirido através de diversos métodos. Os métodos mais convencionais utilizam elétrodos de superfície para aquisição dos sinais elétricos, ou então, utilizam sistemas de gravação de vídeo, que gravam o movimento ocular. O objetivo desta tese é desenvolver um sistema HCI baseado em Eletroculografia, que adquire o sinal elétrico do movimento ocular através de elétrodos de superfície. Para tal desenvolveu-se um circuito eletrónico para a aquisição do sinal de EOG, bem como um algoritmo em Python para análise do mesmo. O circuito foi desenvolvido recorrendo a seis módulos diferentes, cada um deles com uma função específica. Para cada módulo foi necessário desenhar e implementar placas de circuito impresso, que quando conectadas entre si permitem filtrar, amplificar e digitalizar os sinais elétricos, adquiridos através de elétrodos de superfície, originados pelo movimento ocular. O algoritmo criado em Python permite analisar os dados provenientes do circuito e converte-os para coordenadas. Através destas foi possível determinar o sentido e a amplitude do movimento ocular.

Novel optical PVC probes for on-site detection/determination of fluoroquinolones in a solid/liquid interface: Application to the determination of Norfloxacin in aquaculture water

A novel optical disposable probe for screening fluoroquinolones in fish farming waters is presented, having Norfloxacin (NFX) as target compound. The colorimetric reaction takes place in the solid/liquid interface consisting of a plasticized PVC layer carrying the colorimetric reagent and the sample solution. NFX solutions dropped on top of this solid-sensory surface provided a colour change from light yellow to dark orange. Several metals were tested as colorimetric reagents and Fe(III) was selected. The main parameters affecting the obtained colour were assessed and optimised in both liquid and solid phases. The corresponding studies were conducted by visible spectrophotometry and digital image acquisition. The three coordinates of the HSL model system of the collected image (Hue, Saturation and Lightness) were obtained by simple image management (enabled in any computer). The analytical response of the optimised solid-state optical probe against concentration was tested for several mathematical transformations of the colour coordinates. Linear behaviour was observed for logarithm NFX concentration against Hue+Lightness. Under this condition, the sensor exhibited a limit of detection below 50 μM (corresponding to about 16 mg/mL). Visual inspection also enabled semi-quantitative information. The selectivity was ensured against drugs from other chemical groups than fluoroquinolones. Finally, similar procedure was used to prepare an array of sensors for NFX, consisting on different metal species. Cu(II), Mn(II) and aluminon were selected for this purpose. The sensor array was used to detect NFX in aquaculture water, without any prior sample manipulation.

New Concepts Towards the Synthesis of Digital Circuits Through Genetic Algorithms

This paper analyses the performance of a Genetic Algorithm using two new concepts, namely a static fitness function including a discontinuity measure and a fractional-order dynamic fitness function, for the synthesis of combinational logic circuits. In both cases, experiments reveal superior results in terms of speed and convergence to achieve a solution.

System Modeling and Control Through Fractional-Order Algorithms

The theory of fractional calculus goes back to the beginning of thr throry of differential calculus but its inherent complexity postponed the applications of the associated concepts. In the last decade the progress in the areas of chaos and fractals revealed subtle relationships with the fractional calculus leading to an increasing interest in the development of the new paradigm. In the area of automaticcontrol preliminary work has already been carried out but the proposed algorithms are restricted to the frequency domain. The paper discusses the design of fractional-order discrete-time controllers. The algorithms studied adopt the time domein, which makes them suited for z-transform analusis and discrete-time implementation. The performance of discrete-time fractional-order controllers with linear and non-linear systems is also investigated.

Testing Nelder-Mead Based Repulsion Algorithms for Multiple Roots of Nonlinear Systems via a Two-Level Factorial Design of Experiments

This paper addresses the challenging task of computing multiple roots of a system of nonlinear equations. A repulsion algorithm that invokes the Nelder-Mead (N-M) local search method and uses a penalty-type merit function based on the error function, known as 'erf', is presented. In the N-M algorithm context, different strategies are proposed to enhance the quality of the solutions and improve the overall efficiency. The main goal of this paper is to use a two-level factorial design of experiments to analyze the statistical significance of the observed differences in selected performance criteria produced when testing different strategies in the N-M based repulsion algorithm. The main goal of this paper is to use a two-level factorial design of experiments to analyze the statistical significance of the observed differences in selected performance criteria produced when testing different strategies in the N-M based repulsion algorithm.

Speech as the basic interface for assistive technology

Speech interfaces for Assistive Technologies are not common and are usually replaced by others. The market they are targeting is not considered attractive and speech technologies are still not well spread. Industry still thinks they present some performance risks, especially Speech Recognition systems. As speech is the most elemental and natural way for communication, it has strong potential for enhancing inclusion and quality of life for broader groups of users with special needs, such as people with cerebral palsy and elderly staying at their homes. This work is a position paper in which the authors argue for the need to make speech become the basic interface in assistive technologies. Among the main arguments, we can state: speech is the easiest way to interact with machines; there is a growing market for embedded speech in assistive technologies, since the number of disabled and elderly people is expanding; speech technology is already mature to be used but needs adaptation to people with special needs; there is still a lot of R&D to be done in this area, especially when thinking about the Portuguese market. The main challenges are presented and future directions are proposed.

Interface Humana Músculo-Facial

Esta dissertação tem como principal objetivo a criação de uma interface humana, baseada na eletromiografia dos músculos orbicular do olho e frontalis. O algoritmo de programação do microcontrolador ATmega2560 deteta o piscar de olhos voluntário, conta o número de vezes que este acontece e verifica se preenche os requisitos necessários à execução de um comando. Para este efeito foram utilizados elétrodos para a captação do sinal eletromiográfico. O sinal analógico é condicionado pela Shield ECG/EMG da Olimex sendo enviado para o arduíno ATmega2560. Este microcontrolador administra todos os atuadores, dos quais o mais importante é um painel de comandos (quatro comandos diferentes), no qual existe um ponteiro motorizado que indica qual a ação a realizar. O código de execução é extremamente simples:  se o utilizador piscar os olhos três vezes, o ponteiro movimenta-se para a secção do painel imediatamente à direita; e  se o utilizador piscar os olhos quatro vezes, o ponteiro movimenta-se para a secção do painel imediatamente à esquerda. Os testes realizados com este dispositivo indicam que os utilizadores demoram menos de 10 minutos a aprender a utilizar e executar todos os comandos do painel. Apenas num dos testes realizados o dispositivo não funcionou. Dos utilizadores que realizaram o teste:  vários usam óculos;  um idoso com graves problemas auditivos, cegueira parcial e dificuldades locomotoras;  nenhum foi incapaz de piscar, pelo menos, um dos olhos voluntariamente; e  a maioria referiu que, com alguma concentração e principalmente se ouvirem o bip sonoro, a aprendizagem de utilização torna-se muito fácil. Apesar dos limites impostos à concretização de um projeto deste tipo (dos quais se evidenciam as dificuldades em conseguir voluntários com paralisia medular, bem como os limites orçamentais), pode-se afirmar que este dispositivo é eficaz e seria uma mais valia quando implementado num cenário de paralisia medular (total ou parcial). A melhoria de qualidade de vida de um utilizador com estes problemas físicos, ou outros que lhe comprometam a locomoção é garantida. O cenário em que vivem é tremendamente limitado sendo urgente criar soluções para tornar estas vidas mais cómodas. Com os devidos aplicativos, o utilizador poderia abrir portas ou janelas, acender ou apagar luzes, pedir ajuda, ajustar a posição da cama, controlar cadeiras de rodas, entre outros. É neste sentido que surge a minha motivação de criar algo que ajude estas pessoas.

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.