Análise dos padrões motores utilizados no desempenho de uma tarefa funcional, com recurso ao BioStage®, em crianças com 9 a 10 anos de idade, e seu contributo para a terapia ocupacional

O estudo do comportamento motor, nomeadamente as áreas do desenvolvimento e controlo motor, têm permitido fundamentar a prática da terapia ocupacional, proporcionando um entendimento mais abrangente de aspetos relacionados com a análise de movimento. Todavia, o processo de análise de atividades, por norma, é realizado de forma empírica, principalmente devido à carência de métodos que avaliem de forma objetiva e precisa o comportamento motor e, consequentemente, os movimentos realizados no desempenho de atividades. Neste sentido, este estudo pretendeu encontrar padrões motores em crianças entre os nove e os dez anos de idade, com desenvolvimento normal, que traduzam o desempenho de uma tarefa motora funcional, com recurso ao sistema de captura e parametrização do movimento em tempo real BioStage®. Por outro lado, tentou-se perceber se o sistema poderia revelar-se um contributo para a prática da terapia ocupacional, possibilitando a obtenção de dados que possam ser utilizados na clínica. As tarefas selecionadas para análise foram os cinco lançamentos propostos pelo Bruininks-Oseretsky Test of Motor Proficiency, que consistem no lançamento por baixo uni e bilateral, lançamento ao chão uni e bilateral e lançamento ao alvo (unilateral). Os resultados encontrados apontam que aos nove e dez anos existem padrões motores similares entre as crianças, no entanto ainda se nota uma ligeira variabilidade no comportamento. Aferiu-se, também, que a idade, sexo e prática de exercício físico podem influenciar os padrões utilizados, estando de acordo com a literatura. O sistema BioStage® mostrou-se uma ferramenta eficaz para a análise de movimento, providenciando informação detalhada sobre o comportamento motor das crianças, no decorrer das tarefas. Deste modo, pode ser uma mais-valia para a prática da terapia ocupacional, podendo contribuir para uma análise de atividades mais precisa, objetiva e fundamentada.

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.

Supporting real-time parallel task models with work-stealing

Dynamic parallel scheduling using work-stealing has gained popularity in academia and industry for its good performance, ease of implementation and theoretical bounds on space and time. Cores treat their own double-ended queues (deques) as a stack, pushing and popping threads from the bottom, but treat the deque of another randomly selected busy core as a queue, stealing threads only from the top, whenever they are idle. However, this standard approach cannot be directly applied to real-time systems, where the importance of parallelising tasks is increasing due to the limitations of multiprocessor scheduling theory regarding parallelism. Using one deque per core is obviously a source of priority inversion since high priority tasks may eventually be enqueued after lower priority tasks, possibly leading to deadline misses as in this case the lower priority tasks are the candidates when a stealing operation occurs. Our proposal is to replace the single non-priority deque of work-stealing with ordered per-processor priority deques of ready threads. The scheduling algorithm starts with a single deque per-core, but unlike traditional work-stealing, the total number of deques in the system may now exceed the number of processors. Instead of stealing randomly, cores steal from the highest priority deque.

A conjecture about provably good task assignment on heterogeneous multiprocessor platforms but with a stronger adversary

Consider the problem of scheduling a set of implicit-deadline sporadic tasks to meet all deadlines on a heterogeneous multiprocessor platform. We use an algorithm proposed in [1] (we refer to it as LP-EE) from state-of-the-art for assigning tasks to heterogeneous multiprocessor platform and (re-)prove its performance guarantee but for a stronger adversary.We conjecture that if a task set can be scheduled to meet deadlines on a heterogeneous multiprocessor platform by an optimal task assignment scheme that allows task migrations then LP-EE meets deadlines as well with no migrations if given processors twice as fast. We illustrate this with an example.

Provably good task assignment on heterogeneous multiprocessor platforms for a restricted case but with a stronger adversary

Consider the problem of scheduling a set of implicit-deadline sporadic tasks to meet all deadlines on a heterogeneous multiprocessor platform. We consider a restricted case where the maximum utilization of any task on any processor in the system is no greater than one. We use an algorithm proposed in [1] (we refer to it as LP-EE) from state-of-the-art for assigning tasks to heterogeneous multiprocessor platform and (re-)prove its performance guarantee for this restricted case but for a stronger adversary. We show that if a task set can be scheduled to meet deadlines on a heterogeneous multiprocessor platform by an optimal task assignment scheme that allows task migrations then LP-EE meets deadlines as well with no migrations if given processors twice as fast.

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.

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.

Kinematic parameters of throwing performance in patients with schizophrenia using a markerless motion capture system

Motor dysfunction is consistently reported but understudied in schizophrenia. It has been hypothesized that this abnormality may reflect a neuro-developmental disorder underlying this illness. The main goal of this study was to analyze movement patterns used by participants with schizophrenia and healthy controls during overarm throwing performance, using a markerless motion capture system. Thirteen schizophrenia patients and 16 healthy control patients performed the overarm throwing task in a markerless motion capture system. Participants were also examined for the presence of motor neurological soft signs (mNSS) using the Brief Motor Scale. Schizophrenia patients demonstrated a less developed movement pattern with low individualization of components compared to healthy controls. The schizophrenia group also displayed a higher incidence of mNSS. The presence of a less mature movement pattern can be an indicator of neuro-immaturity and a marker for atypical neurological development in schizophrenia. Our findings support the understanding of motor dysfunction as an intrinsic part of the disorder of schizophrenia.

Performance evaluation of a cooperative reputation system for vehicular delay-tolerant networks

In the last decade, both scientific community and automotive industry enabled communications among vehicles in different kinds of scenarios proposing different vehicular architectures. Vehicular delay-tolerant networks (VDTNs) were proposed as a solution to overcome some of the issues found in other vehicular architectures, namely, in dispersed regions and emergency scenarios. Most of these issues arise from the unique characteristics of vehicular networks. Contrary to delay-tolerant networks (DTNs), VDTNs place the bundle layer under the network layer in order to simplify the layered architecture and enable communications in sparse regions characterized by long propagation delays, high error rates, and short contact durations. However, such characteristics turn contacts very important in order to exchange as much information as possible between nodes at every contact opportunity. One way to accomplish this goal is to enforce cooperation between network nodes. To promote cooperation among nodes, it is important that nodes share their own resources to deliver messages from others. This can be a very difficult task, if selfish nodes affect the performance of cooperative nodes. This paper studies the performance of a cooperative reputation system that detects, identify, and avoid communications with selfish nodes. Two scenarios were considered across all the experiments enforcing three different routing protocols (First Contact, Spray and Wait, and GeoSpray). For both scenarios, it was shown that reputation mechanisms that punish aggressively selfish nodes contribute to increase the overall network performance.

Task assignment algorithms for two-type heterogeneous multiprocessors

Consider the problem of assigning implicit-deadline sporadic tasks on a heterogeneous multiprocessor platform comprising two different types of processors—such a platform is referred to as two-type platform. We present two low degree polynomial time-complexity algorithms, SA and SA-P, each providing the following guarantee. For a given two-type platform and a task set, if there exists a task assignment such that tasks can be scheduled to meet deadlines by allowing them to migrate only between processors of the same type (intra-migrative), then (i) using SA, it is guaranteed to find such an assignment where the same restriction on task migration applies but given a platform in which processors are 1+α/2 times faster and (ii) SA-P succeeds in finding a task assignment where tasks are not allowed to migrate between processors (non-migrative) but given a platform in which processors are 1+α times faster. The parameter 0<α≤1 is a property of the task set; it is the maximum of all the task utilizations that are no greater than 1. We evaluate average-case performance of both the algorithms by generating task sets randomly and measuring how much faster processors the algorithms need (which is upper bounded by 1+α/2 for SA and 1+α for SA-P) in order to output a feasible task assignment (intra-migrative for SA and non-migrative for SA-P). In our evaluations, for the vast majority of task sets, these algorithms require significantly smaller processor speedup than indicated by their theoretical bounds. Finally, we consider a special case where no task utilization in the given task set can exceed one and for this case, we (re-)prove the performance guarantees of SA and SA-P. We show, for both of the algorithms, that changing the adversary from intra-migrative to a more powerful one, namely fully-migrative, in which tasks can migrate between processors of any type, does not deteriorate the performance guarantees. For this special case, we compare the average-case performance of SA-P and a state-of-the-art algorithm by generating task sets randomly. In our evaluations, SA-P outperforms the state-of-the-art by requiring much smaller processor speedup and by running orders of magnitude faster.

Task Assignment Algorithms for Heterogeneous Multiprocessors

Consider the problem of assigning implicit-deadline sporadic tasks on a heterogeneous multiprocessor platform comprising a constant number (denoted by t) of distinct types of processors—such a platform is referred to as a t-type platform. We present two algorithms, LPGIM and LPGNM, each providing the following guarantee. For a given t-type platform and a task set, if there exists a task assignment such that tasks can be scheduled to meet their deadlines by allowing them to migrate only between processors of the same type (intra-migrative), then: (i) LPGIM succeeds in finding such an assignment where the same restriction on task migration applies (intra-migrative) but given a platform in which only one processor of each type is 1 + α × t-1/t times faster and (ii) LPGNM succeeds in finding a task assignment where tasks are not allowed to migrate between processors (non-migrative) but given a platform in which every processor is 1 + α times faster. The parameter α is a property of the task set; it is the maximum of all the task utilizations that are no greater than one. To the best of our knowledge, for t-type heterogeneous multiprocessors: (i) for the problem of intra-migrative task assignment, no previous algorithm exists with a proven bound and hence our algorithm, LPGIM, is the first of its kind and (ii) for the problem of non-migrative task assignment, our algorithm, LPGNM, has superior performance compared to state-of-the-art.

Provably Good Task Assignment for Two-Type Heterogeneous Multiprocessors Using Cutting Planes

Consider scheduling of real-time tasks on a multiprocessor where migration is forbidden. Specifically, consider the problem of determining a task-to-processor assignment for a given collection of implicit-deadline sporadic tasks upon a multiprocessor platform in which there are two distinct types of processors. For this problem, we propose a new algorithm, LPC (task assignment based on solving a Linear Program with Cutting planes). The algorithm offers the following guarantee: for a given task set and a platform, if there exists a feasible task-to-processor assignment, then LPC succeeds in finding such a feasible task-to-processor assignment as well but on a platform in which each processor is 1.5 × faster and has three additional processors. For systems with a large number of processors, LPC has a better approximation ratio than state-of-the-art algorithms. To the best of our knowledge, this is the first work that develops a provably good real-time task assignment algorithm using cutting planes.

Study of behavioural and neural bases of visuo-spatial working memory with an fMRI paradigm based on an n-back task

The goal of this study was to propose a new functional magnetic resonance imaging (fMRI) paradigm using a language-free adaptation of a 2-back working memory task to avoid cultural and educational bias. We additionally provide an index of the validity of the proposed paradigm and test whether the experimental task discriminates the behavioural performances of healthy participants from those of individuals with working memory deficits. Ten healthy participants and nine patients presenting working memory (WM) deficits due to acquired brain injury (ABI) performed the developed task. To inspect whether the paradigm activates brain areas typically involved in visual working memory (VWM), brain activation of the healthy participants was assessed with fMRIs. To examine the task's capacity to discriminate behavioural data, performances of the healthy participants in the task were compared with those of ABI patients. Data were analysed with GLM-based random effects procedures and t-tests. We found an increase of the BOLD signal in the specialized areas of VWM. Concerning behavioural performances, healthy participants showed the predicted pattern of more hits, less omissions and a tendency for fewer false alarms, more self-corrected responses, and faster reaction times, when compared with subjects presenting WM impairments. The results suggest that this task activates brain areas involved in VWM and discriminates behavioural performances of clinical and non-clinical groups. It can thus be used as a research methodology for behavioural and neuroimaging studies of VWM in block-design paradigms.

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.

Real-time Task-Splitting scheduling algorithms framework

Nos dias de hoje, os sistemas de tempo real crescem em importância e complexidade. Mediante a passagem do ambiente uniprocessador para multiprocessador, o trabalho realizado no primeiro não é completamente aplicável no segundo, dado que o nível de complexidade difere, principalmente devido à existência de múltiplos processadores no sistema. Cedo percebeu-se, que a complexidade do problema não cresce linearmente com a adição destes. Na verdade, esta complexidade apresenta-se como uma barreira ao avanço científico nesta área que, para já, se mantém desconhecida, e isto testemunha-se, essencialmente no caso de escalonamento de tarefas. A passagem para este novo ambiente, quer se trate de sistemas de tempo real ou não, promete gerar a oportunidade de realizar trabalho que no primeiro caso nunca seria possível, criando assim, novas garantias de desempenho, menos gastos monetários e menores consumos de energia. Este último fator, apresentou-se desde cedo, como, talvez, a maior barreira de desenvolvimento de novos processadores na área uniprocessador, dado que, à medida que novos eram lançados para o mercado, ao mesmo tempo que ofereciam maior performance, foram levando ao conhecimento de um limite de geração de calor que obrigou ao surgimento da área multiprocessador. No futuro, espera-se que o número de processadores num determinado chip venha a aumentar, e como é óbvio, novas técnicas de exploração das suas inerentes vantagens têm de ser desenvolvidas, e a área relacionada com os algoritmos de escalonamento não é exceção. Ao longo dos anos, diferentes categorias de algoritmos multiprocessador para dar resposta a este problema têm vindo a ser desenvolvidos, destacando-se principalmente estes: globais, particionados e semi-particionados. A perspectiva global, supõe a existência de uma fila global que é acessível por todos os processadores disponíveis. Este fato torna disponível a migração de tarefas, isto é, é possível parar a execução de uma tarefa e resumir a sua execução num processador distinto. Num dado instante, num grupo de tarefas, m, as tarefas de maior prioridade são selecionadas para execução. Este tipo promete limites de utilização altos, a custo elevado de preempções/migrações de tarefas. Em contraste, os algoritmos particionados, colocam as tarefas em partições, e estas, são atribuídas a um dos processadores disponíveis, isto é, para cada processador, é atribuída uma partição. Por essa razão, a migração de tarefas não é possível, acabando por fazer com que o limite de utilização não seja tão alto quando comparado com o caso anterior, mas o número de preempções de tarefas decresce significativamente. O esquema semi-particionado, é uma resposta de caráter hibrido entre os casos anteriores, pois existem tarefas que são particionadas, para serem executadas exclusivamente por um grupo de processadores, e outras que são atribuídas a apenas um processador. Com isto, resulta uma solução que é capaz de distribuir o trabalho a ser realizado de uma forma mais eficiente e balanceada. Infelizmente, para todos estes casos, existe uma discrepância entre a teoria e a prática, pois acaba-se por se assumir conceitos que não são aplicáveis na vida real. Para dar resposta a este problema, é necessário implementar estes algoritmos de escalonamento em sistemas operativos reais e averiguar a sua aplicabilidade, para caso isso não aconteça, as alterações necessárias sejam feitas, quer a nível teórico quer a nível prá