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.

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.

Dynamic QoS adaptation of inter- dependent task sets in cooperative embedded systems

Due to the growing complexity and dynamism of many embedded application domains (including consumer electronics, robotics, automotive and telecommunications), it is increasingly difficult to react to load variations and adapt the system's performance in a controlled fashion within an useful and bounded time. This is particularly noticeable when intending to benefit from the full potential of an open distributed cooperating environment, where service characteristics are not known beforehand and tasks may exhibit unrestricted QoS inter-dependencies. This paper proposes a novel anytime adaptive QoS control policy in which the online search for the best set of QoS levels is combined with each user's personal preferences on their services' adaptation behaviour. 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 as the algorithms are given more time to run, with a minimum overhead when compared against their traditional versions.

Influence of dual-task on sit-to-stand-to-sit postural control in Parkinson's disease

Postural control deficits are the most disabling aspects of Parkinson's disease (PD), resulting in decreased mobility and functional independence. The aim of this study was to assess the postural control stability, revealed by variables based on the centre of pressure (CoP), in individuals with PD while performing a sit-to-stand-to-sit sequence under single- and dual-task conditions. An observational, analytical and cross-sectional study was performed. The sample consisted of 9 individuals with PD and 9 healthy controls. A force platform was used to measure the CoP displacement and velocity during the sit-to-stand-to-sit sequence. The results were statistically analysed. Individuals with PD required greater durations for the sit-to-stand-to-sit sequence than the controls (p < 0.05). The anteroposterior and mediolateral CoP displacement were higher in the individuals with PD (p < 0.05). However, only the anteroposterior CoP velocity in the stand-to-sit phase (p = 0.006) was lower in the same individuals. Comparing the single- and dual-task conditions in both groups, the duration, the anteroposterior CoP displacement and velocity were higher in the dual-task condition (p < 0.05). The individuals with PD presented reduced postural control stability during the sit-to-stand-to-sit sequence, especially when under the dual-task condition. These individuals have deficits not only in motor performance, but also in cognitive performance when performing the sit-to-stand-to-sit sequence in their daily life tasks. Moreover, both deficits tend to be intensified when two tasks are performed simultaneously.