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.

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.

Finding an upper bound on the increase in execution time due to contention on the memory bus in COTS-based multicore systems

Contention on the memory bus in COTS based multicore systems is becoming a major determining factor of the execution time of a task. Analyzing this extra execution time is non-trivial because (i) bus arbitration protocols in such systems are often undocumented and (ii) the times when the memory bus is requested to be used are not explicitly controlled by the operating system scheduler; they are instead a result of cache misses. We present a method for finding an upper bound on the extra execution time of a task due to contention on the memory bus in COTS based multicore systems. This method makes no assumptions on the bus arbitration protocol (other than assuming that it is work-conserving).

Managing contention of software transactional memory in real-time systems

The foreseen evolution of chip architectures to higher number of, heterogeneous, cores, with non-uniform memory and non-coherent caches, brings renewed attention to the use of Software Transactional Memory (STM) as an alternative to lock-based synchronisation. However, STM relies on the possibility of aborting conflicting transactions to maintain data consistency, which impacts on the responsiveness and timing guarantees required by real-time systems. In these systems, contention delays must be (efficiently) limited so that the response times of tasks executing transactions are upperbounded and task sets can be feasibly scheduled. In this paper we defend the role of the transaction contention manager to reduce the number of transaction retries and to help the real-time scheduler assuring schedulability. For such purpose, the contention management policy should be aware of on-line scheduling information.

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.

Memory as discourse in Harold Pinter's old times, betrayal and a kind of Alaska

This paper aims at developing the topic of identity and the narration of the self through the other in Harold Pinter’s plays Old Times, Betrayal and A Kind of Alaska. In these plays Pinter deploys strategies to convey multiple implications which are based on the power of memory in which the structure of the plays is concocted.

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.

Cooperative framework for open real-time systems

Actualmente, os sistemas embebidos estão presentes em toda a parte. Embora grande parte da população que os utiliza não tenha a noção da sua presença, na realidade, se repentinamente estes sistemas deixassem de existir, a sociedade iria sentir a sua falta. A sua utilização massiva deve-se ao facto de estarem practicamente incorporados em quase os todos dispositivos electrónicos de consumo, telecomunicações, automação industrial e automóvel. Influenciada por este crescimento, a comunidade científica foi confrontada com novos problemas distribuídos por vários domínios científicos, dos quais são destacados a gestão da qualidade de serviço e gestão de recursos - domínio encarregue de resolver problemas relacionados com a alocação óptima de recursos físicos, tais como rede, memória e CPU. Existe na literatura um vasto conjunto de modelos que propõem soluções para vários problemas apresentados no contexto destes domínios científicos. No entanto, não é possível encontrar modelos que lidem com a gestão de recursos em ambientes de execução cooperativos e abertos com restrições temporais utilizando coligações entre diferentes nós, de forma a satisfazer os requisitos não funcionais das aplicações. Devido ao facto de estes sistemas serem dinâmicos por natureza, apresentam a característica de não ser possível conhecer, a priori, a quantidade de recursos necessários que uma aplicação irá requerer do sistema no qual irá ser executada. Este conhecimento só é adquirido aquando da execução da aplicação. De modo a garantir uma gestão eficiente dos recursos disponíveis, em sistemas que apresentam um grande dinamismo na execução de tarefas com e sem restrições temporais, é necessário garantir dois aspectos fundamentais. O primeiro está relacionado com a obtenção de garantias na execução de tarefas de tempo-real. Estas devem sempre ser executadas dentro da janela temporal requirida. O segundo aspecto refere a necessidade de garantir que todos os recursos necessários à execução das tarefas são fornecidos, com o objectivo de manter os níveis de performance quer das aplicações, quer do próprio sistema. Tendo em conta os dois aspectos acima mencionados, o projecto CooperatES foi especificado com o objectivo de permitir a dispositivos com poucos recursos uma execução colectiva de serviços com os seus vizinhos, de modo a cumprir com as complexas restrições de qualidade de serviço impostas pelos utilizadores ou pelas aplicações. Decorrendo no contexto do projecto CooperatES, o trabalho resultante desta tese tem como principal objectivo avaliar a practicabilidade dos conceitos principais propostos no âmbito do projecto. O trabalho em causa implicou a escolha e análise de uma plataforma, a análise de requisitos, a implementação e avaliação de uma framework que permite a execução cooperativa de aplicações e serviços que apresentem requisitos de qualidade de serviço. Do trabalho desenvolvido resultaram as seguintes contribuições: Análise das plataformas de código aberto que possam ser utilizadas na implementação dos conceitos relacionados com o projecto CooperatES; Critérios que influenciaram a escolha da plataforma Android e um estudo focado na análise da plataforma sob uma perspectiva de sistemas de tempo-real; Experiências na implementação dos conceitos do projecto na plataforma Android; Avaliação da practicabilidade dos conceitos propostos no projecto CooperatES; Proposta de extensões que permitam incorporar características de sistemas de tempo real abertos na plataforma Android.

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.

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.

Analysis of temperature time-series: embedding dynamics into the MDS method

Global warming and the associated climate changes are being the subject of intensive research due to their major impact on social, economic and health aspects of the human life. Surface temperature time-series characterise Earth as a slow dynamics spatiotemporal system, evidencing long memory behaviour, typical of fractional order systems. Such phenomena are difficult to model and analyse, demanding for alternative approaches. This paper studies the complex correlations between global temperature time-series using the Multidimensional scaling (MDS) approach. MDS provides a graphical representation of the pattern of climatic similarities between regions around the globe. The similarities are quantified through two mathematical indices that correlate the monthly average temperatures observed in meteorological stations, over a given period of time. Furthermore, time dynamics is analysed by performing the MDS analysis over slices sampling the time series. MDS generates maps describing the stations’ locus in the perspective that, if they are perceived to be similar to each other, then they are placed on the map forming clusters. We show that MDS provides an intuitive and useful visual representation of the complex relationships that are present among temperature time-series, which are not perceived on traditional geographic maps. Moreover, MDS avoids sensitivity to the irregular distribution density of the meteorological stations.

Real-time tracking and reporting of dynamic events in hierarchical wireless sensor networks

Wireless Sensor Networks (WSNs) are highly distributed systems in which resource allocation (bandwidth, memory) must be performed efficiently to provide a minimum acceptable Quality of Service (QoS) to the regions where critical events occur. In fact, if resources are statically assigned independently from the location and instant of the events, these resources will definitely be misused. In other words, it is more efficient to dynamically grant more resources to sensor nodes affected by critical events, thus providing better network resource management and reducing endto- end delays of event notification and tracking. In this paper, we discuss the use of a WSN management architecture based on the active network management paradigm to provide the real-time tracking and reporting of dynamic events while ensuring efficient resource utilization. The active network management paradigm allows packets to transport not only data, but also program scripts that will be executed in the nodes to dynamically modify the operation of the network. This presumes the use of a runtime execution environment (middleware) in each node to interpret the script. We consider hierarchical (e.g. cluster-tree, two-tiered architecture) WSN topologies since they have been used to improve the timing performance of WSNs as they support deterministic medium access control protocols.

Time-delay and fractional derivatives

This paper proposes the calculation of fractional algorithms based on time-delay systems. The study starts by analyzing the memory properties of fractional operators and their relation with time delay. Based on the Fourier analysis an approximation of fractional derivatives through timedelayed samples is developed. Furthermore, the parameters of the proposed approximation are estimated by means of genetic algorithms. The results demonstrate the feasibility of the new perspective.

Real time fault injection using a modified debugging infrastructure

Dependability is a critical factor in computer systems, requiring high quality validation & verification procedures in the development stage. At the same time, digital devices are getting smaller and access to their internal signals and registers is increasingly complex, requiring innovative debugging methodologies. To address this issue, most recent microprocessors include an on-chip debug (OCD) infrastructure to facilitate common debugging operations. This paper proposes an enhanced OCD infrastructure with the objective of supporting the verification of fault-tolerant mechanisms through fault injection campaigns. This upgraded on-chip debug and fault injection (OCD-FI) infrastructure provides an efficient fault injection mechanism with improved capabilities and dynamic behavior. Preliminary results show that this solution provides flexibility in terms of fault triggering and allows high speed real-time fault injection in memory elements