Convex optimization framework for intermediate deadline assignment in soft and hard real-time distributed systems

It is generally challenging to determine end-to-end delays of applications for maximizing the aggregate system utility subject to timing constraints. Many practical approaches suggest the use of intermediate deadline of tasks in order to control and upper-bound their end-to-end delays. This paper proposes a unified framework for different time-sensitive, global optimization problems, and solves them in a distributed manner using Lagrangian duality. The framework uses global viewpoints to assign intermediate deadlines, taking resource contention among tasks into consideration. For soft real-time tasks, the proposed framework effectively addresses the deadline assignment problem while maximizing the aggregate quality of service. For hard real-time tasks, we show that existing heuristic solutions to the deadline assignment problem can be incorporated into the proposed framework, enriching their mathematical interpretation.

A preliminary idea for an 8-competitive, log2 DMAX + log2 log2 1/U asymptotic-space, interface generation algorithm for two-level hierarchical scheduling of constrained-deadline sporadic tasks on a uniprocessor

Consider a single processor and a software system. The software system comprises components and interfaces where each component has an associated interface and each component comprises a set of constrained-deadline sporadic tasks. A scheduling algorithm (called global scheduler) determines at each instant which component is active. The active component uses another scheduling algorithm (called local scheduler) to determine which task is selected for execution on the processor. The interface of a component makes certain information about a component visible to other components; the interfaces of all components are used for schedulability analysis. We address the problem of generating an interface for a component based on the tasks inside the component. We desire to (i) incur only a small loss in schedulability analysis due to the interface and (ii) ensure that the amount of space (counted in bits) of the interface is small; this is because such an interface hides as much details of the component as possible. We present an algorithm for generating such an interface.

Intra-type migrative scheduling of implicit-deadline sporadic tasks on two- type heterogeneous multiprocessor

Consider the problem of scheduling a set of implicit-deadline sporadic tasks to meet all deadlines on a two-type heterogeneous multiprocessor platform. Each processor is either of type-1 or type-2 with each task having different execution time on each processor type. Jobs can migrate between processors of same type (referred to as intra-type migration) but cannot migrate between processors of different types. We present a new scheduling algorithm namely, LP-Relax(THR) which offers a guarantee that if a task set can be scheduled to meet deadlines by an optimal task assignment scheme that allows intra-type migration then LP-Relax(THR) meets deadlines as well with intra-type migration if given processors 1/THR as fast (referred to as speed competitive ratio) where THR <= 2/3.

A 12*(1+|R|/(4m))-speed algorithm for scheduling constrained-deadline sporadic real-time tasks on a multiprocessor comprising m processors where a task may request one of |R| sequentially-reusable shared resources

We present a 12*(1+|R|/(4m))-speed algorithm for scheduling constrained-deadline sporadic real-time tasks on a multiprocessor comprising m processors where a task may request one of |R| sequentially-reusable shared resources.

A pseudo-medium-wide 8-competitive interface for two-level compositional real-time scheduling of constrained- deadline sporadic tasks on a uniprocessor

Compositional real-time scheduling clearly requires that ”normal” real-time scheduling challenges are addressed but challenges intrinsic to compositionality must be addressed as well, in particular: (i) how should interfaces be described? and (ii) how should numerical values be assigned to parameters constituting the interfaces? The real-time systems community has traditionally used narrow interfaces for describing a component (for example, a utilization/bandwidthlike metric and the distribution of this bandwidth in time). In this paper, we introduce the concept of competitive ratio of an interface and show that typical narrow interfaces cause poor performance for scheduling constrained-deadline sporadic tasks (competitive ratio is infinite). Therefore, we explore more expressive interfaces; in particular a class called medium-wide interfaces. For this class, we propose an interface type and show how the parameters of the interface should be selected. We also prove that this interface is 8-competitive.

Conjecture about global fixed-priority preemptive multiprocessor scheduling of implicit-deadline sporadic tasks: the utilization bound of SM-US(sqrt(2)-1) is sqrt(2)-1

Consider global fixed-priority preemptive multiprocessor scheduling of implicit-deadline sporadic tasks. I conjecture that the utilization bound of SM-US(√2−1) is √2-1.

Scheduling arbitrary-deadline sporadic task systems on multiprocessors

A new algorithm is proposed for scheduling preemptible arbitrary-deadline sporadic task systems upon multiprocessor platforms, with interprocessor migration permitted. This algorithm is based on a task-splitting approach - while most tasks are entirely assigned to specific processors, a few tasks (fewer than the number of processors) may be split across two processors. This algorithm can be used for two distinct purposes: for actually scheduling specific sporadic task systems, and for feasibility analysis. Simulation- based evaluation indicates that this algorithm offers a significant improvement on the ability to schedule arbitrary- deadline sporadic task systems as compared to the contemporary state-of-art. With regard to feasibility analysis, the new algorithm is proved to offer superior performance guarantees in comparison to prior feasibility tests.

Tecnologia e gestão das construções de obras portuárias - estudo de caso

Este relatório de estágio aborda as principais tecnologias de construção utilizadas e as metodologias de gestão implementadas na empreitada de “Ampliação do Cais do Terminal XXI - Terminal de Contentores de Sines”. Com o objectivo de fazer enquadramento desta empreitada é apresentado ainda um levantamento das soluções estruturais e processos construtivos mais utilizados, com base nas obras mais relevantes de construção de cais acostáveis de navios em Portugal e em Cabo Verde, recentemente construídas ou ainda em construção. Relativamente à obra em estudo foram analisados em detalhe os processos construtivos, associados a cada uma das actividades, e sistemas de gestão implementados no âmbito do prazo, custos, qualidade, ambiente, segurança e saúde e ainda da exploração dos navios. São ainda descritos os principais conhecimentos adquiridos com o acompanhamento desta obra, decorrentes de dificuldades ocorridas e boas práticas implementadas. As principais fontes de informação, que serviram de base à elaboração deste relatório, foram os projectos, caderno de encargos e documentos gerados em obra, sendo alguns destes documentos de obra elaborados pelo próprio autor. Por fim regista-se a enorme utilidade que este relatório trouxe para o autor, que desta forma registou e sistematizou os conhecimentos adquiridos durante a obra, e espera-se que seja uma boa referência para os engenheiros civis em geral no planeamento e gestão de futuras obras portuárias.

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.

Assigning real-time tasks on heterogeneous multiprocessors with two unrelated types of processors

A preliminary version of this paper appeared in Proceedings of the 31st IEEE Real-Time Systems Symposium, 2010, pp. 239–248.

Laxity dynamics and LLF schedulability analysis on multiprocessor platforms

LLF (Least Laxity First) scheduling, which assigns a higher priority to a task with a smaller laxity, has been known as an optimal preemptive scheduling algorithm on a single processor platform. However, little work has been made to illuminate its characteristics upon multiprocessor platforms. In this paper, we identify the dynamics of laxity from the system’s viewpoint and translate the dynamics into LLF multiprocessor schedulability analysis. More specifically, we first characterize laxity properties under LLF scheduling, focusing on laxity dynamics associated with a deadline miss. These laxity dynamics describe a lower bound, which leads to the deadline miss, on the number of tasks of certain laxity values at certain time instants. This lower bound is significant because it represents invariants for highly dynamic system parameters (laxity values). Since the laxity of a task is dependent of the amount of interference of higher-priority tasks, we can then derive a set of conditions to check whether a given task system can go into the laxity dynamics towards a deadline miss. This way, to the author’s best knowledge, we propose the first LLF multiprocessor schedulability test based on its own laxity properties. We also develop an improved schedulability test that exploits slack values. We mathematically prove that the proposed LLF tests dominate the state-of-the-art EDZL tests. We also present simulation results to evaluate schedulability performance of both the original and improved LLF tests in a quantitative manner.

Non pre-emptive scheduling of messages on SMTV token-passing networks

Fieldbus communication networks aim to interconnect sensors, actuators and controllers within distributed computer-controlled systems. Therefore, they constitute the foundation upon which real-time applications are to be implemented. A specific class of fieldbus communication networks is based on a simplified version of token-passing protocols, where each station may transfer, at most, a single message per token visit (SMTV). In this paper, we establish an analogy between non-preemptive task scheduling in single processors and the scheduling of messages on SMTV token-passing networks. Moreover, we clearly show that concepts such as blocking and interference in non-preemptive task scheduling have their counterparts in the scheduling of messages on SMTV token-passing networks. Based on this task/message scheduling analogy, we provide pre-run-time schedulability conditions for supporting real-time messages with SMTV token-passing networks. We provide both utilisation-based and response time tests to perform the pre-run-time schedulability analysis of real-time messages on SMTV token-passing networks, considering RM/DM (rate monotonic/deadline monotonic) and EDF (earliest deadline first) priority assignment schemes

Pre-run-time schedulability analysis of P-NET fieldbus networks

P-NET is a fieldbus industrial communication standard, which uses a Virtual Token Passing MAC mechanism. In this paper we establish pre-run-time schedulability conditions for supporting real-time traffic with P-NET. Essentially we provide formulae to evaluate the minimum message deadline, ensuring the transmission of real-time messages within a maximum time bound

A PTAS for assigning sporadic tasks on two-type heterogeneous multiprocessors

Consider the problem of determining a task-toprocessor assignment for a given collection of implicit-deadline sporadic tasks upon a multiprocessor platform in which there are two distinct kinds of processors. We propose a polynomialtime approximation scheme (PTAS) for this problem. It offers the following guarantee: for a given task set and a given platform, if there exists a feasible task-to-processor assignment, then given an input parameter, ϵ, our PTAS succeeds, in polynomial time, in finding such a feasible task-to-processor assignment on a platform in which each processor is 1+3ϵ times faster. In the simulations, our PTAS outperforms the state-of-the-art PTAS [1] and also for the vast majority of task sets, it requires significantly smaller processor speedup than (its upper bound of) 1+3ϵ for successfully determining a feasible task-to-processor assignment.

Real-time scheduling of parallel tasks in the Linux Kernel

This paper proposes a global multiprocessor scheduling algorithm for the Linux kernel that combines the global EDF scheduler with a priority-aware work-stealing load balancing scheme, enabling parallel real-time tasks to be executed on more than one processor at a given time instant. We state that some priority inversion may actually be acceptable, provided it helps reduce contention, communication, synchronisation and coordination between parallel threads, while still guaranteeing the expected system’s predictability. Experimental results demonstrate the low scheduling overhead of the proposed approach comparatively to an existing real-time deadline-oriented scheduling class for the Linux kernel.