Response time analysis of COTS-Based multicores considering the contention on the shared memory bus

The current industry trend is towards using Commercially available Off-The-Shelf (COTS) based multicores for developing real time embedded systems, as opposed to the usage of custom-made hardware. In typical implementation of such COTS-based multicores, multiple cores access the main memory via a shared bus. This often leads to contention on this shared channel, which results in an increase of the response time of the tasks. Analyzing this increased response time, considering the contention on the shared bus, is challenging on COTS-based systems mainly because bus arbitration protocols are often undocumented and the exact instants at which the shared bus is accessed by tasks are not explicitly controlled by the operating system scheduler; they are instead a result of cache misses. This paper makes three contributions towards analyzing tasks scheduled on COTS-based multicores. Firstly, we describe a method to model the memory access patterns of a task. Secondly, we apply this model to analyze the worst case response time for a set of tasks. Although the required parameters to obtain the request profile can be obtained by static analysis, we provide an alternative method to experimentally obtain them by using performance monitoring counters (PMCs). We also compare our work against an existing approach and show that our approach outperforms it by providing tighter upper-bound on the number of bus requests generated by a task.

A framework for memory contention analysis in multi-core platforms

The last decade has witnessed a major shift towards the deployment of embedded applications on multi-core platforms. However, real-time applications have not been able to fully benefit from this transition, as the computational gains offered by multi-cores are often offset by performance degradation due to shared resources, such as main memory. To efficiently use multi-core platforms for real-time systems, it is hence essential to tightly bound the interference when accessing shared resources. Although there has been much recent work in this area, a remaining key problem is to address the diversity of memory arbiters in the analysis to make it applicable to a wide range of systems. This work handles diverse arbiters by proposing a general framework to compute the maximum interference caused by the shared memory bus and its impact on the execution time of the tasks running on the cores, considering different bus arbiters. Our novel approach clearly demarcates the arbiter-dependent and independent stages in the analysis of these upper bounds. The arbiter-dependent phase takes the arbiter and the task memory-traffic pattern as inputs and produces a model of the availability of the bus to a given task. Then, based on the availability of the bus, the arbiter-independent phase determines the worst-case request-release scenario that maximizes the interference experienced by the tasks due to the contention for the bus. We show that the framework addresses the diversity problem by applying it to a memory bus shared by a fixed-priority arbiter, a time-division multiplexing (TDM) arbiter, and an unspecified work-conserving arbiter using applications from the MediaBench test suite. We also experimentally evaluate the quality of the analysis by comparison with a state-of-the-art TDM analysis approach and consistently showing a considerable reduction in maximum interference.

Sistema de aquisição de dados em tempo real

Neste trabalho propus-me realizar um Sistema de Aquisição de Dados em Tempo Real via Porta Paralela. Para atingir com sucesso este objectivo, foi realizado um levantamento bibliográfico sobre sistemas operativos de tempo real, salientando e exemplificando quais foram marcos mais importantes ao longo da sua evolução. Este levantamento permitiu perceber o porquê da proliferação destes sistemas face aos custos que envolvem, em função da sua aplicação, bem como as dificuldades, científicas e tecnológicas, que os investigadores foram tendo, e que foram ultrapassando com sucesso. Para que Linux se comporte como um sistema de tempo real, é necessário configura-lo e adicionar um patch, como por exemplo o RTAI ou ADEOS. Como existem vários tipos de soluções que permitem aplicar as características inerentes aos sistemas de tempo real ao Linux, foi realizado um estudo, acompanhado de exemplos, sobre o tipo de arquitecturas de kernel mais utilizadas para o fazer. Nos sistemas operativos de tempo real existem determinados serviços, funcionalidades e restrições que os distinguem dos sistemas operativos de uso comum. Tendo em conta o objectivo do trabalho, e apoiado em exemplos, fizemos um pequeno estudo onde descrevemos, entre outros, o funcionamento escalonador, e os conceitos de latência e tempo de resposta. Mostramos que há apenas dois tipos de sistemas de tempo real o ‘hard’ que tem restrições temporais rígidas e o ‘soft’ que engloba as restrições temporais firmes e suaves. As tarefas foram classificadas em função dos tipos de eventos que as despoletam, e evidenciando as suas principais características. O sistema de tempo real eleito para criar o sistema de aquisição de dados via porta paralela foi o RTAI/Linux. Para melhor percebermos o seu comportamento, estudamos os serviços e funções do RTAI. Foi dada especial atenção, aos serviços de comunicação entre tarefas e processos (memória partilhada e FIFOs), aos serviços de escalonamento (tipos de escalonadores e tarefas) e atendimento de interrupções (serviço de rotina de interrupção - ISR). O estudo destes serviços levou às opções tomadas quanto ao método de comunicação entre tarefas e serviços, bem como ao tipo de tarefa a utilizar (esporádica ou periódica). Como neste trabalho, o meio físico de comunicação entre o meio ambiente externo e o hardware utilizado é a porta paralela, também tivemos necessidade de perceber como funciona este interface. Nomeadamente os registos de configuração da porta paralela. Assim, foi possível configura-lo ao nível de hardware (BIOS) e software (módulo do kernel) atendendo aos objectivos do presente trabalho, e optimizando a utilização da porta paralela, nomeadamente, aumentando o número de bits disponíveis para a leitura de dados. No desenvolvimento da tarefa de hard real-time, foram tidas em atenção as várias considerações atrás referenciadas. Foi desenvolvida uma tarefa do tipo esporádica, pois era pretendido, ler dados pela porta paralela apenas quando houvesse necessidade (interrupção), ou seja, quando houvesse dados disponíveis para ler. Desenvolvemos também uma aplicação para permitir visualizar os dados recolhidos via porta paralela. A comunicação entre a tarefa e a aplicação é assegurada através de memória partilhada, pois garantindo a consistência de dados, a comunicação entre processos do Linux e as tarefas de tempo real (RTAI) que correm ao nível do kernel torna-se muito simples. Para puder avaliar o desempenho do sistema desenvolvido, foi criada uma tarefa de soft real-time cujos tempos de resposta foram comparados com os da tarefa de hard real-time. As respostas temporais obtidas através do analisador lógico em conjunto com gráficos elaborados a partir destes dados, mostram e comprovam, os benefícios do sistema de aquisição de dados em tempo real via porta paralela, usando uma tarefa de hard real-time.

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.

Integração modular em visualizadores médicos e aposição da marcação CE do Dispositivo Médico

Neste documento ´e feita a descrição detalhada da integração modular de um script no software OsiriX. O objectivo deste script ´e determinar o diâmetro central da artéria aorta a partir de uma Tomografia Computorizada. Para tal são abordados conceitos relacionados com a temática do processamento de imagem digital, tecnologias associadas, e.g., a norma DICOM e desenvolvimento de software. Como estudo preliminar, são analisados diversos visualizadores de imagens médica, utilizados para investigação ou mesmo comercializados. Foram realizadas duas implementações distintas do plugin. A primeira versão do plugin faz a invocação do script de processamento usando o ficheiro de estudo armazenado em disco; a segunda versão faz a passagem de dados através de um bloco de memória partilhada e utiliza o framework Java Native Interface. Por fim, é demonstrado todo o processo de aposição da Marcação CE de um dispositivo médico de classe IIa e obtenção da declaração de conformidade por parte de um Organismo Notificado. Utilizaram-se os Sistemas Operativos Mac OS X e Linux e as linguagens de programação Java, Objective-C e Python.

The Past, Polish politics of memory, and stereotyping: an intercultural perspective

The main idea of the article is to consider the interdependence between Politics of Memory (as a type of narrating the Past) and Stereotyping. The author suggests that, in a time of information revolution, we are still constructing images of others on the basis of simplification, overestimation of association between features, and illusory correlations, instead of basing them on knowledge and personal contact. The Politics of Memory, national remembrance, and the historical consciousness play a significant role in these processes, because – as the author argues – they transform historically based 'symbolic analogies' into 'illusory correlations' between national identity and the behavior of its members. To support his theoretical investigation, the author presents results of his draft experiment and two case studies: (a) a social construction of images of neighbors based on Polish narrations about the Past; and (b) various processes of stereotyping based on the Remembrance of the Holocaust. All these considerations lead him to state that the Politics of Memory should be recognized as an influential source of commonly shared stereotypes on other cultures and nations.

Software transactional memory as a building block for parallel embedded realtime systems

The recent trends of chip architectures with higher number of heterogeneous cores, and non-uniform memory/non-coherent caches, brings renewed attention to the use of Software Transactional Memory (STM) as a fundamental building block for developing parallel applications. Nevertheless, although STM promises to ease concurrent and parallel software development, it relies on the possibility of aborting conflicting transactions to maintain data consistency, which impacts on the responsiveness and timing guarantees required by embedded real-time systems. In these systems, contention delays must be (efficiently) limited so that the response times of tasks executing transactions are upper-bounded and task sets can be feasibly scheduled. In this paper we assess the use of STM in the development of embedded real-time software, defending that the amount of contention can be reduced if read-only transactions access recent consistent data snapshots, progressing in a wait-free manner. We show how the required number of versions of a shared object can be calculated for a set of tasks. We also outline an algorithm to manage conflicts between update transactions that prevents starvation.

WCET analysis considering contention on memory bus in COTS-based multicores

The usage of COTS-based multicores is becoming widespread in the field of embedded systems. Providing realtime guarantees at design-time is a pre-requisite to deploy real-time systems on these multicores. This necessitates the consideration of the impact of the contention due to shared low-level hardware resources on the Worst-Case Execution Time (WCET) of the tasks. As a step towards this aim, this paper first identifies the different factors that make the WCET analysis a challenging problem in a typical COTS-based multicore system. Then, we propose and prove, a mathematically correct method to determine tight upper bounds on the WCET of the tasks, when they are co-scheduled on different cores.

Shared resources and precedence constraints with capacity sharing and stealing

This paper proposes a new strategy to integrate shared resources and precedence constraints among real-time tasks, assuming no precise information on critical sections and computation times is available. The concept of bandwidth inheritance is combined with a greedy capacity sharing and stealing policy to efficiently exchange bandwidth among tasks, minimising the degree of deviation from the ideal system's behaviour caused by inter-application blocking. The proposed capacity exchange protocol (CXP) focus on exchanging extra capacities as early, and not necessarily as fairly, as possible. This loss of optimality is worth the reduced complexity as the protocol's behaviour nevertheless tends to be fair in the long run and outperforms other solutions in highly dynamic scenarios, as demonstrated by extensive simulations.

Improving Assumption based Distributed Belief Revision

Belief revision is a critical issue in real world DAI applications. A Multi-Agent System not only has to cope with the intrinsic incompleteness and the constant change of the available knowledge (as in the case of its stand alone counterparts), but also has to deal with possible conflicts between the agents’ perspectives. Each semi-autonomous agent, designed as a combination of a problem solver – assumption based truth maintenance system (ATMS), was enriched with improved capabilities: a distributed context management facility allowing the user to dynamically focus on the more pertinent contexts, and a distributed belief revision algorithm with two levels of consistency. This work contributions include: (i) a concise representation of the shared external facts; (ii) a simple and innovative methodology to achieve distributed context management; and (iii) a reduced inter-agent data exchange format. The different levels of consistency adopted were based on the relevance of the data under consideration: higher relevance data (detected inconsistencies) was granted global consistency while less relevant data (system facts) was assigned local consistency. These abilities are fully supported by the ATMS standard functionalities.

Multi-agent system for distributed manufacturing scheduling with genetic algorithms and tabu search

Computerized scheduling methods and computerized scheduling systems according to exemplary embodiments. A computerized scheduling method may be stored in a memory and executed on one or more processors. The method may include defining a main multi-machine scheduling problem as a plurality of single machine scheduling problems; independently solving the plurality of single machine scheduling problems thereby calculating a plurality of near optimal single machine scheduling problem solutions; integrating the plurality of near optimal single machine scheduling problem solutions into a main multi-machine scheduling problem solution; and outputting the main multi-machine scheduling problem solution.

Mode-Controlled Data-Flow Modeling of Real-Time Memory Controllers

Accepted in 13th IEEE Symposium on Embedded Systems for Real-Time Multimedia (ESTIMedia 2015), Amsterdam, Netherlands.

A framework for using real data with distributed low cost sensors

Currently, due to the widespread use of computers and the internet, students are trading libraries for the World Wide Web and laboratories with simulation programs. In most courses, simulators are made available to students and can be used to proof theoretical results or to test a developing hardware/product. Although this is an interesting solution: low cost, easy and fast way to perform some courses work, it has indeed major disadvantages. As everything is currently being done with/in a computer, the students are loosing the “feel” of the real values of the magnitudes. For instance in engineering studies, and mainly in the first years, students need to learn electronics, algorithmic, mathematics and physics. All of these areas can use numerical analysis software, simulation software or spreadsheets and in the majority of the cases data used is either simulated or random numbers, but real data could be used instead. For example, if a course uses numerical analysis software and needs a dataset, the students can learn to manipulate arrays. Also, when using the spreadsheets to build graphics, instead of using a random table, students could use a real dataset based, for instance, in the room temperature and its variation across the day. In this work we present a framework which uses a simple interface allowing it to be used by different courses where the computers are the teaching/learning process in order to give a more realistic feeling to students by using real data. A framework is proposed based on a set of low cost sensors for different physical magnitudes, e.g. temperature, light, wind speed, which are connected to a central server, that the students have access with an Ethernet protocol or are connected directly to the student computer/laptop. These sensors use the communication ports available such as: serial ports, parallel ports, Ethernet or Universal Serial Bus (USB). Since a central server is used, the students are encouraged to use sensor values results in their different courses and consequently in different types of software such as: numerical analysis tools, spreadsheets or simply inside any programming language when a dataset is needed. In order to do this, small pieces of hardware were developed containing at least one sensor using different types of computer communication. As long as the sensors are attached in a server connected to the internet, these tools can also be shared between different schools. This allows sensors that aren't available in a determined school to be used by getting the values from other places that are sharing them. Another remark is that students in the more advanced years and (theoretically) more know how, can use the courses that have some affinities with electronic development to build new sensor pieces and expand the framework further. The final solution provided is very interesting, low cost, simple to develop, allowing flexibility of resources by using the same materials in several courses bringing real world data into the students computer works.

A hybrid intelligent system for distributed dynamic scheduling

This chapter addresses the resolution of dynamic scheduling by means of meta-heuristic and multi-agent systems. Scheduling is an important aspect of automation in manufacturing systems. Several contributions have been proposed, but the problem is far from being solved satisfactorily, especially if scheduling concerns real world applications. The proposed multi-agent scheduling system assumes the existence of several resource agents (which are decision-making entities based on meta-heuristics) distributed inside the manufacturing system that interact with other agents in order to obtain optimal or near-optimal global performances.

Energy and reserve provision dispatch considering distributed generation and demand response

In competitive electricity markets with deep concerns at the efficiency level, demand response programs gain considerable significance. In the same way, distributed generation has gained increasing importance in the operation and planning of power systems. Grid operators and utilities are taking new initiatives, recognizing the value of demand response and of distributed generation for grid reliability and for the enhancement of organized spot market´s efficiency. Grid operators and utilities become able to act in both energy and reserve components of electricity markets. This paper proposes a methodology for a joint dispatch of demand response and distributed generation to provide energy and reserve by a virtual power player that operates a distribution network. The proposed method has been computationally implemented and its application is illustrated in this paper using a 32 bus distribution network with 32 medium voltage consumers.