A system model and stack for the parallelization of time-critical applications on many-core architectures

3rd Workshop on High-performance and Real-time Embedded Systems (HIRES 2015). 21, Jan, 2015. Amsterdam, Netherlands.

A Modular Programming Approach for IoTBased Wireless Sensor Networks

Poster presented in 12th European Conference on Wireless Sensor Network (EWSN 2015). 9 to 11, Feb, 2015. Porto, Portugal.

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

Article in Press, Corrected Proof

Ensemble: an innovative approach to practice computer programming

Currently, the teaching-learning process in domains, such as computer programming, is characterized by an extensive curricula and a high enrolment of students. This poses a great workload for faculty and teaching assistants responsible for the creation, delivery, and assessment of student exercises. The main goal of this chapter is to foster practice-based learning in complex domains. This objective is attained with an e-learning framework—called Ensemble—as a conceptual tool to organize and facilitate technical interoperability among services. The Ensemble framework is used on a specific domain: computer programming. Content issues are tacked with a standard format to describe programming exercises as learning objects. Communication is achieved with the extension of existing specifications for the interoperation with several systems typically found in an e-learning environment. In order to evaluate the acceptability of the proposed solution, an Ensemble instance was validated on a classroom experiment with encouraging results.

Design a computer programming learning environment for Massive Open Online Courses

Teaching and learning computer programming is as challenging as difficult. Assessing the work of students and providing individualised feedback to all is time-consuming and error prone for teachers and frequently involves a time delay. The existent tools and specifications prove to be insufficient in complex evaluation domains where there is a greater need to practice. At the same time Massive Open Online Courses (MOOC) are appearing revealing a new way of learning, more dynamic and more accessible. However this new paradigm raises serious questions regarding the monitoring of student progress and its timely feedback. This paper provides a conceptual design model for a computer programming learning environment. This environment uses the portal interface design model gathering information from a network of services such as repositories and program evaluators. The design model includes also the integration with learning management systems, a central piece in the MOOC realm, endowing the model with characteristics such as scalability, collaboration and interoperability. This model is not limited to the domain of computer programming and can be adapted to any complex area that requires systematic evaluation with immediate feedback.

Formation Control Driven by Cooperative Object Tracking

In this paper we introduce a formation control loop that maximizes the performance of the cooperative perception of a tracked target by a team of mobile robots, while maintaining the team in formation, with a dynamically adjustable geometry which is a function of the quality of the target perception by the team. In the formation control loop, the controller module is a distributed non-linear model predictive controller and the estimator module fuses local estimates of the target state, obtained by a particle filter at each robot. The two modules and their integration are described in detail, including a real-time database associated to a wireless communication protocol that facilitates the exchange of state data while reducing collisions among team members. Simulation and real robot results for indoor and outdoor teams of different robots are presented. The results highlight how our method successfully enables a team of homogeneous robots to minimize the total uncertainty of the tracked target cooperative estimate while complying with performance criteria such as keeping a pre-set distance between the teammates and the target, avoiding collisions with teammates and/or surrounding obstacles.

Reconstrução de Superfícies usando um Scanner 3D de Luz Estruturada

Ao longo dos últimos anos, os scanners 3D têm tido uma utilização crescente nas mais variadas áreas. Desde a Medicina à Arqueologia, passando pelos vários tipos de indústria, ´e possível identificar aplicações destes sistemas. Essa crescente utilização deve-se, entre vários factores, ao aumento dos recursos computacionais, à simplicidade e `a diversidade das técnicas existentes, e `as vantagens dos scanners 3D comparativamente com outros sistemas. Estas vantagens são evidentes em áreas como a Medicina Forense, onde a fotografia, tradicionalmente utilizada para documentar objectos e provas, reduz a informação adquirida a duas dimensões. Apesar das vantagens associadas aos scanners 3D, um factor negativo é o preço elevado. No âmbito deste trabalho pretendeu-se desenvolver um scanner 3D de luz estruturada económico e eficaz, e um conjunto de algoritmos para o controlo do scanner, para a reconstrução de superfícies de estruturas analisadas, e para a validação dos resultados obtidos. O scanner 3D implementado ´e constituído por uma câmara e por um projector de vídeo ”off-the-shelf”, e por uma plataforma rotativa desenvolvida neste trabalho. A função da plataforma rotativa consiste em automatizar o scanner de modo a diminuir a interação dos utilizadores. Os algoritmos foram desenvolvidos recorrendo a pacotes de software open-source e a ferramentas gratuitas. O scanner 3D foi utilizado para adquirir informação 3D de um crânio, e o algoritmo para reconstrução de superfícies permitiu obter superfícies virtuais do crânio. Através do algoritmo de validação, as superfícies obtidas foram comparadas com uma superfície do mesmo crânio, obtida por tomografia computorizada (TC). O algoritmo de validação forneceu um mapa de distâncias entre regiões correspondentes nas duas superfícies, que permitiu quantificar a qualidade das superfícies obtidas. Com base no trabalho desenvolvido e nos resultados obtidos, é possível afirmar que foi criada uma base funcional para o varrimento de superfícies 3D de estruturas, apta para desenvolvimento futuro, mostrando que é possível obter alternativas aos métodos comerciais usando poucos recursos financeiros.

Message-oriented middleware for smart grids

In order to increase the efficiency in the use of energy resources, the electrical grid is slowly evolving into a smart(er) grid that allows users' production and storage of energy, automatic and remote control of appliances, energy exchange between users, and in general optimizations over how the energy is managed and consumed. One of the main innovations of the smart grid is its organization over an energy plane that involves the actual exchange of energy, and a data plane that regards the Information and Communication Technology (ICT) infrastructure used for the management of the grid's data. In the particular case of the data plane, the exchange of large quantities of data can be facilitated by a middleware based on a messaging bus. Existing messaging buses follow different data management paradigms (e.g.: request/response, publish/subscribe, data-oriented messaging) and thus satisfy smart grids' communication requirements at different extents. This work contributes to the state of the art by identifying, in existing standards and architectures, common requirements that impact in the messaging system of a data plane for the smart grid. The paper analyzes existing messaging bus paradigms that can be used as a basis for the ICT infrastructure of a smart grid and discusses how these can satisfy smart grids' requirements.

A filter inexact-restoration method for nonlinear programming

A new iterative algorithm based on the inexact-restoration (IR) approach combined with the filter strategy to solve nonlinear constrained optimization problems is presented. The high level algorithm is suggested by Gonzaga et al. (SIAM J. Optim. 14:646–669, 2003) but not yet implement—the internal algorithms are not proposed. The filter, a new concept introduced by Fletcher and Leyffer (Math. Program. Ser. A 91:239–269, 2002), replaces the merit function avoiding the penalty parameter estimation and the difficulties related to the nondifferentiability. In the IR approach two independent phases are performed in each iteration, the feasibility and the optimality phases. The line search filter is combined with the first one phase to generate a “more feasible” point, and then it is used in the optimality phase to reach an “optimal” point. Numerical experiences with a collection of AMPL problems and a performance comparison with IPOPT are provided.

Criação e atualização de aplicações para área de retalho por MDA

Nos últimos anos tem-se verificado a constante evolução dos mercados em plataformas na Internet como forma de melhoria não só dos serviços prestados, mas também para o aumento de vendas de produtos e respetiva internacionalização dos mesmos. Este aumento da procura por este tipo de softwares, assim como a constante evolução e atualização dos mesmos tem contribuído para que estas aplicações evoluam em termos de funcionalidades e complexidade. Isto contribui cada vez para a dificuldade de formar equipas capazes de manter e desenvolver estes sistemas sem que comprometa em grandes custos para as organizações. Neste sentido surgiram diversas ferramentas que permitem criar soluções pré desenvolvidas de aplicações na Internet denominadas de "E-commerce applications". Estas plataformas, apesar do utilizador não ter obrigatoriamente que deter conhecimentos de programação para proceder à sua instalação, são bastante restritas tanto aos serviços que podem ser usados, e na sua escalabilidade, visto que normalmente correm em servidores específicos e por vezes as configurações necessárias para instalação tornam-se bastante complexas de ser efetuadas. Pretende-se no âmbito desta dissertação de mestrado propor um modelo de uma arquitetura de um sistema baseado em mecanismos MDA para a área de retalho, particularmente em ambientes de e-commerce. Serão inicialmente sistematizados os principais tipos de ecommerce numa perspetiva de evolução histórica. Será igualmente enquadrado o MDA no desenvolvimento de um sistema de e-commerce. Neste sentido, serão equacionadas as diferenças entre o modelo típico de desenvolvimento de software e o desenvolvimento de software orientado pelas metodologias do MDA. No processo de especificação e desenvolvimento do modelo proposto será realizada uma análise de requisitos, assim como, a proposta do modelo da arquitetura de um sistema baseado em mecanismos MDA, tendo como orientação os requisitos e arquitetura definida na fase de análise. Finalmente no sentido de analisar o resultado esperado para um sistema orientado por metodologias definidas por MDA, serão realizado alguns testes no sistema desenvolvido de forma a analisar o seu desempenho e validar a sua adequabilidade no âmbito do processo de desenvolvimento de sistemas e-commerce

Middleware for Large-scale Distributed Systems

Nos últimos anos o aumento exponencial da utilização de dispositivos móveis e serviços disponibilizados na “Cloud” levou a que a forma como os sistemas são desenhados e implementados mudasse, numa perspectiva de tentar alcançar requisitos que até então não eram essenciais. Analisando esta evolução, com o enorme aumento dos dispositivos móveis, como os “smartphones” e “tablets” fez com que o desenho e implementação de sistemas distribuidos fossem ainda mais importantes nesta área, na tentativa de promover sistemas e aplicações que fossem mais flexíveis, robutos, escaláveis e acima de tudo interoperáveis. A menor capacidade de processamento ou armazenamento destes dispositivos tornou essencial o aparecimento e crescimento de tecnologias que prometem solucionar muitos dos problemas identificados. O aparecimento do conceito de Middleware visa solucionar estas lacunas nos sistemas distribuidos mais evoluídos, promovendo uma solução a nível de organização e desenho da arquitetura dos sistemas, ao memo tempo que fornece comunicações extremamente rápidas, seguras e de confiança. Uma arquitetura baseada em Middleware visa dotar os sistemas de um canal de comunicação que fornece uma forte interoperabilidade, escalabilidade, e segurança na troca de mensagens, entre outras vantagens. Nesta tese vários tipos e exemplos de sistemas distribuídos e são descritos e analisados, assim como uma descrição em detalhe de três protocolos (XMPP, AMQP e DDS) de comunicação, sendo dois deles (XMPP e AMQP) utilzados em projecto reais que serão descritos ao longo desta tese. O principal objetivo da escrita desta tese é demonstrar o estudo e o levantamento do estado da arte relativamente ao conceito de Middleware aplicado a sistemas distribuídos de larga escala, provando que a utilização de um Middleware pode facilitar e agilizar o desenho e desenvolvimento de um sistema distribuído e traz enormes vantagens num futuro próximo.

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.