A framework for the development of parallel and distributed real-time embedded systems

Embedded real-time applications increasingly present high computation requirements, which need to be completed within specific deadlines, but that present highly variable patterns, depending on the set of data available in a determined instant. The current trend to provide parallel processing in the embedded domain allows providing higher processing power; however, it does not address the variability in the processing pattern. Dimensioning each device for its worst-case scenario implies lower average utilization, and increased available, but unusable, processing in the overall system. A solution for this problem is to extend the parallel execution of the applications, allowing networked nodes to distribute the workload, on peak situations, to neighbour nodes. In this context, this report proposes a framework to develop parallel and distributed real-time embedded applications, transparently using OpenMP and Message Passing Interface (MPI), within a programming model based on OpenMP. The technical report also devises an integrated timing model, which enables the structured reasoning on the timing behaviour of these hybrid architectures.

Capacity sharing and stealing in dynamic server-based real-time systems

This paper proposes a dynamic scheduler that supports the coexistence of guaranteed and non-guaranteed bandwidth servers to efficiently handle soft-tasks’ overloads by making additional capacity available from two sources: (i) residual capacity allocated but unused when jobs complete in less than their budgeted execution time; (ii) stealing capacity from inactive non-isolated servers used to schedule best-effort jobs. The effectiveness of the proposed approach in reducing the mean tardiness of periodic jobs is demonstrated through extensive simulations. The achieved results become even more significant when tasks’ computation times have a large variance.

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.

Detectives with pimples: how teen noir is crossing the frontiers of the traditional noir films

In the last ten years, teen noir movies and series — such as Donnie Darko (2001), Brick (2005), or Veronica Mars (2004-2007) — have become increasingly popular among audiences, both in the USA and in Europe, and aroused the curiosity of critics. These teen noir adventures present darker themes and technical features that distinguish them from numerous productions aiming at young adults. Their narrative and aesthetic characteristics reinvent and subvert the tradition of classic noir movies of the forties and fifties, thus generating a sense of novelty. In this article, I focus my attention on Veronica Mars, a famous teen noir series, created by Rob Thomas, to examine: a) the teen noir themes; b) the new profile and role of the private investigator; c) the empowerment of girls/young women; d) razor-sharp dialogues; e) intertextual references to old- school noir movies. In order to do so, resort to the research of specialists in the field of neo noir, such as Mark Conrad, Foster Hirsch, or Roz Kaveney. My main goal is to prove that a new (sub)genre is slowly emerging and revivifying teen cinema.

Maximização da produção de paraxileno

Pretendeu-se, com o presente trabalho, efectuar um estudo sobre a possibilidade de aumentar a produção de paraxileno na unidade processual existente na refinaria da Galp no Porto. Foram estudados o conjunto de colunas T-0306 e T-0307 e a coluna T-0303, recorrendo ao uso do AspenPlus, na realização da simulação do processo nas condições actuais e para a realização da análise de sensibilidade, que permitiu verificar se o equipamento existente possui capacidade para satisfazer as necessidades exigidas pelo processo quando se pretende aumentar a produção. Com a simulação do processo, foi verificado que este já se encontra a laborar em condições óptimas. Na realização da análise de sensibilidade foram variados para o conjunto T-0306 e T- 0307, o caudal de alimentação entre 62780 e 95000 kg/h, o caudal de destilado da T-0306 entre 15833 e 23911 kg/h e o caudal de destilado da T-0307 entre 139 e os 235 kg/h. No caso da T-0303, foi variado o caudal de refinado entre 201240 e 304600 kg/h, o caudal de destilado e o caudal da corrente lateral, variam entre 77290 a 116930 kg/h. Pretendeu-se obter soluções que conseguissem cumprir as especificações relativas aos produtos obtidos, nomeadamente paraxileno com uma pureza de 99,6% e uma recuperação de 99%, tolueno com uma pureza de 97% e uma recuperação de 90% (T-0306 e T-0307). No caso da T- 0303, obter paraxileno com uma pureza de 2,23% e paradietilbenzeno com uma pureza de 99,0% e ambos com uma recuperação de 99%. Para as simulações que cumpriram as especificações anteriores, verificou-se se a energia transferida em aeroarrefecedores, fornalhas e permutadores excedem em 25% o seu valor de projecto. Em caso afirmativo isso significou o acréscimo de uma peça de equipamento idêntica à existente. A análise de sensibilidade permitiu concluir a separação é possível para os caudais actuais de extracto e refinado e para um aumento destes de 32, 40 e 50%. Foi ainda possível concluir que para os caudais actuais é necessária a colocação de novos aeroarrefecedores para as colunas T-0306 e T-0303 e de uma nova fornalha para a coluna T-0303. Para um aumento dos caudais de 32% para além das alterações referidas anteriormente é necessária a colocação de um novo aeroarrefecedor na coluna T-0307 e de uma nova fornalha da coluna T-0306. Se aumentarmos os caudais em 40% será também necessário o acréscimo de permutadores para a coluna T-0307. Para o aumento de 50%, os calores de permuta são excedidos em bastante mais do que 25%, em todos os aeroarrefecedores, permutadores e fornalhas. Uma vez que todas as colunas se encontram a funcionar acima da sua capacidade, concluiu-se que em ambos os casos seria necessária a montagem de uma segunda linha em paralelo e igual à existente. Implicando com esta alteração um investimento total de 10.439.574,36€.

Suporte à computação paralela e distribuída em Java: API e comunicação entre nós cooperantes

Este trabalho é uma parte do tema global “Suporte à Computação Paralela e Distribuída em Java”, também tema da tese de Daniel Barciela no mestrado de Engenharia Informática do Instituto Superior de Engenharia do Porto. O seu objetivo principal consiste na definição/criação da interface com o programador, assim como também abrange a forma como os nós comunicam e cooperam entre si para a execução de determinadas tarefas, de modo a atingirem um único objetivo global. No âmbito desta dissertação foi realizado um estudo prévio relativamente aos modelos teóricos referentes à computação paralela, assim como também foram analisadas linguagens e frameworks que fornecem suporte a este mesmo tipo de computação. Este estudo teve como principal objetivo a análise da forma como estes modelos e linguagens permitem ao programador expressar o processamento paralelo no desenvolvimento das aplicações. Como resultado desta dissertação surgiu a framework denominada Distributed Parallel Framework for Java (DPF4j), cujo objetivo principal é fornecer aos programadores o suporte para o desenvolvimento de aplicações paralelas e distribuídas. Esta framework foi desenvolvida na linguagem Java. Esta dissertação contempla a parte referente à interface de programação e a toda a comunicação entre nós cooperantes da framework DPF4j. Por fim, foi demonstrado através dos testes realizados que a DPF4j, apesar de ser ainda um protótipo, já demonstra ter uma performance superior a outras frameworks e linguagens que possuem os mesmos objetivos.

From task scheduling in single processor environments to message scheduling in a PROFIBUS fieldbus network

In this paper we survey the most relevant results for the prioritybased schedulability analysis of real-time tasks, both for the fixed and dynamic priority assignment schemes. We give emphasis to the worst-case response time analysis in non-preemptive contexts, which is fundamental for the communication schedulability analysis. We define an architecture to support priority-based scheduling of messages at the application process level of a specific fieldbus communication network, the PROFIBUS. The proposed architecture improves the worst-case messages’ response time, overcoming the limitation of the first-come-first-served (FCFS) PROFIBUS queue implementations.

Competitive analysis of partitioned scheduling on uniform multiprocessors

Consider the problem of scheduling a set of sporadically arriving tasks on a uniform multiprocessor with the goal of meeting deadlines. A processor p has the speed Sp. Tasks can be preempted but they cannot migrate between processors. We propose an algorithm which can schedule all task sets that any other possible algorithm can schedule assuming that our algorithm is given processors that are three times faster.

GTS allocation analysis in IEEE 802.15.4 for real-time wireless sensor networks

The IEEE 802.15.4 protocol proposes a flexible communication solution for Low-Rate Wireless Personal Area Networks including sensor networks. It presents the advantage to fit different requirements of potential applications by adequately setting its parameters. When enabling its beacon mode, the protocol makes possible real-time guarantees by using its Guaranteed Time Slot (GTS) mechanism. This paper analyzes the performance of the GTS allocation mechanism in IEEE 802.15.4. The analysis gives a full understanding of the behavior of the GTS mechanism with regards to delay and throughput metrics. First, we propose two accurate models of service curves for a GTS allocation as a function of the IEEE 802.15.4 parameters. We then evaluate the delay bounds guaranteed by an allocation of a GTS using Network Calculus formalism. Finally, based on the analytic results, we analyze the impact of the IEEE 802.15.4 parameters on the throughput and delay bound guaranteed by a GTS allocation. The results of this work pave the way for an efficient dimensioning of an IEEE 802.15.4 cluster.

Time-bounded distributed QoS-aware service configuration in heterogeneous cooperative environments

The scarcity and diversity of resources among the devices of heterogeneous computing environments may affect their ability to perform services with specific Quality of Service constraints, particularly in dynamic distributed environments where the characteristics of the computational load cannot always be predicted in advance. Our work addresses this problem by allowing resource constrained devices to cooperate with more powerful neighbour nodes, opportunistically taking advantage of global distributed resources and processing power. Rather than assuming that the dynamic configuration of this cooperative service executes until it computes its optimal output, the paper proposes an anytime approach that has the ability to tradeoff deliberation time for the quality of the solution. Extensive simulations demonstrate that the proposed anytime algorithms are able to quickly find a good initial solution and effectively optimise the rate at which the quality of the current solution improves at each iteration, with an overhead that can be considered negligible.

Collision-free prioritized medium access control in wireless networks with hidden nodes

We propose a collision-free medium access control (MAC) protocol, which implements static-priority scheduling and works in the presence of hidden nodes. The MAC protocol allows multiple masters and is fully distributed; it is an adaptation to a wireless channel of the dominance protocol used in the CAN bus. But unlike that protocol, our protocol does not require a node having the ability to sense the channel while transmitting to the channel. Our protocol is collision-free even in the presence of hidden nodes and it achieves this without synchronized clocks or out-of-band busy tones. In addition, the protocol is designed to ensure that many non-interfering nodes can transmit in parallel and it functions for both broadcast and unicast transmissions.

Suporte à computação paralela e distribuída em Java: distribuição e execução de trabalho

Nos últimos anos começaram a ser vulgares os computadores dotados de multiprocessadores e multi-cores. De modo a aproveitar eficientemente as novas características desse hardware começaram a surgir ferramentas para facilitar o desenvolvimento de software paralelo, através de linguagens e frameworks, adaptadas a diferentes linguagens. Com a grande difusão de redes de alta velocidade, tal como Gigabit Ethernet e a última geração de redes Wi-Fi, abre-se a oportunidade de, além de paralelizar o processamento entre processadores e cores, poder em simultâneo paralelizá-lo entre máquinas diferentes. Ao modelo que permite paralelizar processamento localmente e em simultâneo distribuí-lo para máquinas que também têm capacidade de o paralelizar, chamou-se “modelo paralelo distribuído”. Nesta dissertação foram analisadas técnicas e ferramentas utilizadas para fazer programação paralela e o trabalho que está feito dentro da área de programação paralela e distribuída. Tendo estes dois factores em consideração foi proposta uma framework que tenta aplicar a simplicidade da programação paralela ao conceito paralelo distribuído. A proposta baseia-se na disponibilização de uma framework em Java com uma interface de programação simples, de fácil aprendizagem e legibilidade que, de forma transparente, é capaz de paralelizar e distribuir o processamento. Apesar de simples, existiu um esforço para a tornar configurável de forma a adaptar-se ao máximo de situações possível. Nesta dissertação serão exploradas especialmente as questões relativas à execução e distribuição de trabalho, e a forma como o código é enviado de forma automática pela rede, para outros nós cooperantes, evitando assim a instalação manual das aplicações em todos os nós da rede. Para confirmar a validade deste conceito e das ideias defendidas nesta dissertação foi implementada esta framework à qual se chamou DPF4j (Distributed Parallel Framework for JAVA) e foram feitos testes e retiradas métricas para verificar a existência de ganhos de performance em relação às soluções já existentes.

Using fractional derivatives for the joint ontrol of hexapod robots

This article studies several Fractional Order Control algorithms used for joint control of a hexapod robot. Both Padé and series approximations to the fractional derivative are considered for the control algorithm. The walking performance is evaluated through two indices: The mean absolute density of energy used per unit distance travelled, and the control effort. A set of simulation experiments reveals the influence of the different approximations upon the proposed indices. The results show that the fractional proportional and derivative algorithm, implemented using the Padé approximation with a small number of terms, gives the best results.

Recomendação de conteúdos multimédia

A quantidade e variedade de conteúdos multimédia actualmente disponíveis cons- tituem um desafio para os utilizadores dado que o espaço de procura e escolha de fontes e conteúdos excede o tempo e a capacidade de processamento dos utilizado- res. Este problema da selecção, em função do perfil do utilizador, de informação em grandes conjuntos heterogéneos de dados é complexo e requer ferramentas específicas. Os Sistemas de Recomendação surgem neste contexto e são capazes de sugerir ao utilizador itens que se coadunam com os seus gostos, interesses ou necessidades, i.e., o seu perfil, recorrendo a metodologias de inteligência artificial. O principal objectivo desta tese é demonstrar que é possível recomendar em tempo útil conteúdos multimédia a partir do perfil pessoal e social do utilizador, recorrendo exclusivamente a fontes públicas e heterogéneas de dados. Neste sen- tido, concebeu-se e desenvolveu-se um Sistema de Recomendação de conteúdos multimédia baseado no conteúdo, i.e., nas características dos itens, no historial e preferências pessoais e nas interacções sociais do utilizador. Os conteúdos mul- timédia recomendados, i.e., os itens sugeridos ao utilizador, são provenientes da estação televisiva britânica, British Broadcasting Corporation (BBC), e estão classificados de acordo com as categorias dos programas da BBC. O perfil do utilizador é construído levando em conta o historial, o contexto, as preferências pessoais e as actividades sociais. O YouTube é a fonte do histo- rial pessoal utilizada, permitindo simular a principal fonte deste tipo de dados - a Set-Top Box (STB). O historial do utilizador é constituído pelo conjunto de vídeos YouTube e programas da BBC vistos pelo utilizador. O conteúdo dos vídeos do YouTube está classificado segundo as categorias de vídeo do próprio YouTube, sendo efectuado o mapeamento para as categorias dos programas da BBC. A informação social, que é proveniente das redes sociais Facebook e Twit- ter, é recolhida através da plataforma Beancounter. As actividades sociais do utilizador obtidas são filtradas para extrair os filmes e séries que são, por sua vez, enriquecidos semanticamente através do recurso a repositórios abertos de dados interligados. Neste caso, os filmes e séries são classificados através dos géneros da IMDb e, posteriormente, mapeados para as categorias de programas da BBC. Por último, a informação do contexto e das preferências explícitas, através da classificação dos itens recomendados, do utilizador são também contempladas. O sistema desenvolvido efectua recomendações em tempo real baseado nas actividades das redes sociais Facebook e Twitter, no historial de vídeos Youtube e de programas da BBC vistos e preferências explícitas. Foram realizados testes com cinco utilizadores e o tempo médio de resposta do sistema para criar o conjunto inicial de recomendações foi 30 s. As recomendações personalizadas são geradas e actualizadas mediante pedido expresso do utilizador.

Electrochemical biosensor based on biomimetic material for myoglobin detection

A novel reusable molecularly imprinted polymer (MIP) assembled on a polymeric layer of carboxylated poly(vinyl chloride) (PVCsingle bondCOOH) for myoglobin (Myo) detection was developed. This polymer was casted on the gold working area of a screen printed electrode (Au-SPE), creating a novel disposable device relying on plastic antibodies. Electrochemical impedance spectroscopy (EIS), cyclic voltammetry (CV) and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) studies confirmed the surface modification. The MIP/Au-SPE devices displayed a linear behaviour in EIS from 0.852 to 4.26 μg mL−1, of positive slope 6.50 ± 1.48 (kΩ mL μg−1). The limit of detection was 2.25 μg mL−1. Square wave voltammetric (SWV) assays were made in parallel and showed linear responses between 1.1 and 2.98 μg mL−1. A current decrease was observed against Myo concentration, producing average slopes of −0.28 ± 0.038 μA mL μg−1. MIP/Au-SPE also showed good results in terms of selectivity. The error% found for each interfering species were 7% for troponin T (TnT), 11% for bovine serum albumin (BSA) and 2% for creatine kinase MB (CKMB), respectively. Overall, the technical modification over the Au-SPE was found a suitable approach for screening Myo in biological fluids.