Sistema Aldeia : programação paralela e distribuída em Java sobre Infiniband e DECK

Esse trabalho de dissertação está incluído no contexto das pesquisas realizadas no Grupo de Processamento Paralelo e Distribuído da UFRGS. Ele aborda as áreas da computação de alto desempenho, interfaces simples de programação e de sistemas de interconexão de redes velozes. A máquina paralela formada por agregados (clusters) tem se destacado por apresentar os recursos computacionais necessários às aplicações intensivas que necessitam de alto desempenho. Referente a interfaces de programação, Java tem se mostrado uma boa opção para a escrita de aplicações paralelas por oferecer os sistemas de RMI e de soquetes que realizam comunicação entre dois computadores, além de todas as facilidades da orientação a objetos. Na área a respeito de interconexão de rede velozes está emergindo como uma tentativa de padronização a nova tecnologia Infiniband. Ela proporciona uma baixa latência de comunicação e uma alta vazão de dados, além de uma série de vantagens implementadas diretamente no hardware. É neste contexto que se desenvolve o presente trabalho de dissertação de mestrado. O seu tema principal é o sistema Aldeia que reimplementa a interface bastante conhecida de soquetes Java para realizar comunicação assíncrona em agregados formados por redes de sistema. Em especial, o seu foco é redes configuradas com equipamentos Infiniband. O Aldeia objetiva assim preencher a lacuna de desempenho do sistema padrão de soquetes Java, que além de usar TCP/IP possui um caráter síncrono. Além de Infiniband, o Aldeia também procura usufruir dos avanços já realizados na biblioteca DECK, desenvolvida no GPPD da UFRGS. Com a sua adoção, é possível realizar comunicação com uma interface Java sobre redes Myrinet, SCI, além de TCP/IP. Somada a essa vantagem, a utilização do DECK também proporciona a propriedade de geração de rastros para a depuração de programas paralelos escritos com o Aldeia. Uma das grandes vantagens do Aldeia está na sua capacidade de transmitir dados assincronamente. Usando essa técnica, cálculos da aplicação podem ser realizados concorrentemente com as operações pela rede. Por fim, os canais de dados do Aldeia substituem perfeitamente aqueles utilizados para a serialização de objetos. Nesse mesmo caminho, o Aldeia pode ser integrado à sistemas que utilizem a implementação de soquetes Java, agora para operar sobre redes de alta velocidade. Palavras-chave: Arquitetura Infiniband, agregado de computadores, linguagem de programação Java, alto desempenho, interface de programação.

Implementação de objetos replicados usando java

Este trabalho busca a implementação da replicação de objetos através da linguagem Java e de seu sistema de invocação remota de métodos (Remote Method Invocation - RMI). A partir deste sistema, define-se uma classe de replicação - a máquina de replicação – onde a implementação de grupos de objetos é estruturada de acordo com a arquitetura cliente/servidor, sendo o cliente o representante (a interface) de um grupo de objetos e os servidores representam os demais componentes do grupo. A classe de replicação atende a uma necessidade importante dos sistemas distribuídos - o desenvolvimento de aplicações tolerantes a falhas. Fundamentalmente, a tolerância a falhas é obtida por redundância e, no caso de mecanismos de tolerância a falhas por software, esta redundância significa basicamente replicação de dados, processos ou objetos. A tolerância a falhas para tal tipo de sistema é importante para garantir a transparência do mesmo, visto que, assim como um sistema distribuído pode auxiliar muito o usuário pelas facilidades oferecidas, o não cumprimento de suas atividades de acordo com o esperado pode, em algumas situações, causar-lhe transtornos e erros irrecuperáveis nas aplicações. Finalmente, como principal contribuição, este trabalho descreve e implementa a solução completa para a construção de uma biblioteca de classes que oferece a replicação de forma totalmente transparente para o usuário.

Linguagem orientada e estrutura de dados para projeto automatico de edificios

Uma linguagem orientada ao problema de projeto estrutural de edifícios e a correspondente estrutura de armazenamento de dados são apresentados, como núcleo principal do sistema PROADE. Objetiva-se assim permitir ao engenheiro estrutural descrever o problema em termos correntes de Engenharia, organizandose os dados recebidos para posterior análise e dimensionamento da estrutura. São discutidos o problema PROADE e os dados correspondentes, seguidos pela descrição das estruturas de armazenamento de dados do sistema. A seguir, define-se a linguagem PROADE e finalmente apresenta-se a organização do sistema PROADE.

Geração de sombras em objetos modelados por geometria sólida construtiva

Atualmente os sistemas computacionais mais sofisticados são aqueles que apresentam imagens gráficas. Devido às características de alta velocidade de processamento e excelente resultado na geração de imagens o uso da Computação Gráfica se dá em diversas áreas como a indústria, pesquisa, publicidade, entretenimento, medicina, treinamento, dentre outras. Este trabalho aborda dois assuntos clássicos na Computação Gráfica, Geometria Sólida Construtiva (CSG) e Sombras Projetadas. Ambos são muito importantes para esta linha de pesquisa da Ciência da Computação. A Geometria Sólida Construtiva é utilizada na modelagem de objetos e as sombras projetadas são necessárias para aumentar o realismo das imagens. Geometria sólida construtiva (CSG) é uma técnica para a modelagem de sólidos, que define sólidos complexos pela composição de sólidos simples (primitivas). Isso inclui também a composição de objetos já combinados, até que se chegue a um objeto mais complexo. Um fator muito importante e necessário na obtenção de imagens realistas e que deve ser considerado é a utilização de sombras, pois estas são eficazes no realismo e impressão espacial de objetos tridimensionais. As sombras estabelecem diversos níveis de profundidade na imagem, fazem uma pontuação geométrica na cena de modo a evitar que os objetos não pareçam estar flutuando no ar. Este trabalho consiste em apresentar uma proposta para a geração de sombras em objetos modelados pela Geometria Sólida Construtiva. Para tanto foram estudados os assuntos referentes à modelagem de objetos por CSG, algoritmos para a geração de sombras “bem delimitadas” e formas de gerar sombras na Geometria Sólida Construtiva. O processo de geração de sombras em cenas modeladas por CSG, através da aplicação das mesmas operações booleanas envolvidas na modelagem dos objetos, sobre as sombras nem sempre apresenta resultados corretos. Diante disso, foram investigadas outras formas de solucionar o problema. Dentre estas, uma alternativa é a realização de transformações na árvore binária CSG, através de outras operações, envolvendo o uso de complemento com operações de união e interseção, para a modelagem do objeto e geração da sombra correspondente. Com base nos estudos realizados foram implementados dois protótipos que exibem a sombra projetada de objetos modelados por CSG. Na implementação do protótipo A utilizaram-se as técnicas tradicionais de modelagem de sólidos e sombra projetada. Os resultados obtidos com este protótipo serviram de referência. No protótipo B os resultados foram obtidos através da aplicação da zona ativa das primitivas na modelagem dos objetos e a sombra é projetada durante o processo de avaliação de contornos do sólido. Os resultados obtidos com este protótipo são comparados com os resultados do protótipo A e são apresentados como forma de exibir a aplicação do método proposto.

Estudo e implementação da programação genética para síntese de fala

Este trabalho descreve a aplicação da Programação Genética, uma técnica de Computação Evolucionária, ao problema da Síntese de Fala automática. A Programação Genética utiliza as técnicas da evolução humana para descobrir programas bem adaptados a um problema específico. Estes programas, compostos de instruções, variáveis, constantes e outros elementos que compõe uma linguagem de programação, são evoluídos ao longo de um conjunto de gerações. A Síntese de Fala, consiste na geração automática das formas de ondas sonoras a partir de um texto escrito. Uma das atividades mais importantes, é realizada através da conversão de palavras e letras para os sons da fala elementares (fonemas). Muitos sistemas de síntese são implementados através de regras fixas, escritas por programadores humanos. Um dos mais conhecidos sistemas de síntese é o FESTIVAL, desenvolvido pela Universidade de Edimburgh, usando a linguagem de programação funcional LISP e um número fixo de regras. Neste trabalho, nós exploramos a possibilidade da aplicação do paradigma da Programação Genética, para evoluir automaticamente regras que serão adotadas para implementação do idioma Português na ferramenta FESTIVAL, desenvolvido no projeto SPOLTECH (CNPq – NSF cooperação entre UFRGS e Universidade do Colorado). A modelagem do problema, consiste na definição das regras de pronúncia do Português Brasileiro, que a implementação do sistema FESTIVAL pronuncia erradamente, já que o mesmo foi implementado primariamente para o idioma Inglês. A partir destas regras, o sistema de Programação Genética, desenvolvido neste trabalho, evolui programas que constituem boas soluções para a conversão de letras para fonemas. A descrição dos resultados obtidos, cobre detalhes sobre a evolução das soluções, complexidade e regras implementadas, representadas pelas soluções mais bem adaptadas; mostrando que a Programação Genética, apesar de ser complexa, é bastante promissora.

MEPSOM : método de ensino de programação sônica para músicos

Esta tese de doutorado apresenta o MEPSOM - Método de Ensino de Programação Sônica de Computadores para Músicos. O MEPSOM consiste em um sistema de computação que disponibiliza um conjunto de atividades para programação de software musical composto de exemplos e exercícios. O método foi idealizado para ser uma ferramenta de auxílio ao professor em cursos de Computação Musical, disponibilizando recursos didáticos para o ensino de programação nas áreas de composição e educação musical. O MEPSOM foi implementado sob a forma de programas de computador e utilizado em cursos de Computação Musical na UFRGS. Nesta Tese de Doutorado apresentamos o projeto e a organização do MESPCM, a implementação do método, relatos de sua aplicação e os resultados obtidos. Também expomos a utilização do método em laboratório, através de estudo de caso, e os resultados da sua avaliação por estudantes que participaram de pesquisas de levantamento. Por fim, a partir da análise dos dados obtidos, sugerimos um conjunto de aspectos considerados relevantes para futuras aplicações do MEPSOM.

Ambiente visual para programação distribuída em java

Em vista da maior complexidade da programação paralela e distribuída em relação à programação de ambientes centralizados, novas ferramentas vêm sendo construídas com o objetivo de auxiliar o programador desses ambientes a desempenhar sua tarefa de formas mais eficazes e produtivas. Uma das ferramentas que há algum tempo tem sido usada na programação centralizada e aos poucos está sendo empregada também na programação concorrente é a programação visual. A programação visual se vale da presença de elementos visuais na especificação dos programas como peças chaves do processo de desenvolvimento de software. No caso específico da programação concorrente, a programação visual é especialmente útil pela capacidade que os gráficos têm de representar de forma mais adequada estruturas bidimensionais. Um programa concorrente, por relacionar no espaço diversos elementos com seus próprios fluxos de execução, faz surgir duas dimensões de análise que são mais difíceis de serem observadas através de programas textuais. Atualmente existem ferramentas de programação visual paralela e distribuída, mas a ênfase é dada na programação paralela, sem muita atenção a aplicações de sistemas abertos ou cliente-servidor. Além disso, tais ferramentas sofrem da falta de apoio à engenharia do software. Considerando essas deficiências, este trabalho apresenta uma ferramenta de programação visual para o desenvolvimento de aplicações compostas por objetos distribuídos que ofereça também a possibilidade de aplicar os principais conceitos da engenharia de software, como reutilização e orientação a objeto. Nesta ferramenta, o programador especifica de maneira visual a estrutura do seu programa, insere o código textual para a lógica da aplicação e o ambiente se encarrega do tratamento da distribuição e da comunicação de mais baixo nível. A aplicação é representada como um grafo dirigido, onde os nodos representam os objetos distribuídos e os arcos indicam os relacionamentos existentes entre esses objetos. A especificação dos programas é modular, baseando-se na reunião de componentes reutilizáveis, o que torna o sistema altamente configurável e extensível. Tanto a implementação da ferramenta quanto o código das aplicações geradas usam a linguagem de programação Java. A linguagem de programação visual projetada não especifica detalhes a respeito de como irá funcionar a comunicação e distribuição dos objetos. Portanto, foram implementados componentes para comunicação e outros recursos de programação distribuída, como locks e dados globais para serem usados nas aplicações. Para validar os principais objetivos da ferramenta, foram implementados alguns exemplos de aplicações distribuídas, como um pequeno sistema de bate-papo.

Manipulação simultânea de objetos em ambientes virtuais imersivos

Este trabalho trata do suporte à interação simultânea de mais de um usuário, sobre um mesmo objeto, em Ambientes Virtuais Colaborativos. Este suporte é obtido através do conceito de Metáfora Colaborativa e da arquitetura que materializa este conceito. Primeiramente, abordam-se os aspectos referentes às formas de interação usadas em ambientes virtuais imersivos monousuários. São apresentadas algumas técnicas interativas consideradas relevantes ao desenvolvimento do trabalho. No que diz respeito aos Ambientes Virtuais Colaborativos propriamente ditos apresentam-se suas principais características incluindo as semelhanças com os ambientes tradicionais de suporte computadorizado ao trabalho cooperativo. São abordados tanto aspectos referentes às facilidades providas por estes ambientes, quanto ao seu projeto e arquitetura. As principais abordagens existentes para suportar a interação entre usuários em ambientes virtuais colaborativos são apresentadas e é feita uma análise da execução de tarefas colaborativas em ambientes imersivos apontando-se as principais dificuldades existentes nos sistemas atuais. A partir deste embasamento, faz-se o desenvolvimento da chamada Metáfora Colaborativa, que se constitui em um conjunto de regras que permitem combinar técnicas interativas comumente usadas na interação individual em ambientes virtuais imersivos. Esta combinação é baseada na definição de quais graus de liberdade cada usuário irá controlar durante a manipulação simultânea de um objeto. Para possibilitar a combinação das técnicas individuais na implementação de ambientes virtuais colaborativos, foi definida uma arquitetura que prevê sistemas de controle local sobre cada ambiente e a combinação dos comandos aplicados sobre os objetos. Com o objetivo de avaliar a Metáfora Colaborativa, foram modeladas e implementadas diversas técnicas de interação colaborativa e sua eficiência foi aferida através de tarefas. Foi definido um protocolo de testes aplicado a trinta duplas de usuários, comparando seu desempenho individual e colaborativo na execução das tarefas.

Abstrações para uma linguagem de programação visando aplicações móveis em um ambiente de Pervasive Computing

Computação Móvel é um termo genérico, ainda em definição, ao redor do qual se delineia um espectro de cenários possíveis, desde a Computação Pessoal, com o uso de computadores de mão, até a visão futurista da Computação Ubíqua. O foco do projeto ISAM (Infra-estrutura de Suporte às Aplicações Móveis Distribuída), em desenvolvimento no II/UFRGS, é a Pervasive Computing. Esta desenha um cenário onde o usuário é livre para se deslocar mantendo o acesso aos recursos da rede e ao seu ambiente computacional, todo tempo em qualquer lugar. Esse novo cenário apresenta muitos desafios para o projeto e execução de aplicações. Nesse escopo, esta tese aprofunda a discussão sobre questões relativas à adaptação ao contexto em um ambiente pervasivo sob a ótica de uma Linguagem de Programação, e define uma linguagem chamada ISAMadapt. A definição da linguagem ISAMadapt baseia-se em quatro abstrações: contexto, adaptadores, políticas e comandos de adaptação. Essas abstrações foram concretizadas em duas visões: (1) em tempo de programação, através de comandos da linguagem e arquivos de configuração, descritos com o auxílio do Ambiente de Desenvolvimento de Aplicações; (2) em tempo de execução, através de serviços e APIs fornecidos pelos componentes que integram o ambiente de execução pervasiva (ISAMpe). Deste, os principais componentes que implementam a semântica de execução da aplicação ISAMadapt são: o serviço de reconhecimento de contexto, ISAMcontextService, e a máquina de execução da adaptação dinâmica, ISAMadaptEngine.As principais contribuições desta tese são: (a) primeira linguagem para a codificação de aplicações pervasivas; (b) sintaxe e semântica de comandos para expressar sensibilidade ao contexto pervasivo; (c) fonte para o desenvolvimento de uma metodologia de projeto de aplicações pervasivas; (d) projeto ISAM e o projeto contextS (www.inf.ufrgs.br/~isam) que fornecem suporte para o ciclo de vida das aplicações, desde o desenvolvimento até a execução de aplicações pervasivas.

Estudo da utilização de uma ferramenta para construção de programas em português em disciplinas básicas de ensino de programação

Este trabalho tem por objetivo apresentar e estudar a aplicação de uma ferramenta chamada PCP – Pseudo-Compilador Portugol, criada para auxiliar estudantes de programação a aprimorar o raciocínio lógico e a criar programas estruturados, sem que precisem se preocupar com comandos e instruções em Inglês ou tenham conhecimento de uma linguagem de programação específica. Por ser uma ferramenta que usa somente palavras do nosso idioma, os alunos podem direcionar todo o seu raciocínio no entendimento e resolução do problema em forma de algoritmo. O estudo experimental realizado neste trabalho pretende analisar e comparar o aprendizado entre grupos de alunos de disciplinas de programação utilizando e não utilizando esta ferramenta. Além de acompanhar o desempenho dos alunos, pretende também coletar informações durante as baterias de testes e obter as opiniões dos mesmos em relação ao PCP, no que se refere às facilidades, dificuldades, pontos positivos e falhas apresentadas. Este estudo é apresentado em duas etapas, com oito baterias de teste em cada uma. Na primeira etapa foram selecionados alunos do Curso de Ciência da Computação da UNIGRAN, em Dourados-MS; na segunda etapa foram selecionados alunos da Escola Anglo Decisivo. Estas duas etapas possibilitam a análise do aprendizado proporcionado pela ferramenta com alunos que já têm alguma noção de programação e com alunos que não tiveram nenhum contato com o desenvolvimento de programas.

Uma tradução de gramáticas de hipergrafos baseadas em objetos para cálculo-π

O aumento da escala e funcionalidade dos sistemas de computação e sua crescente complexidade envolvem um aumento significante de custos e exigem recursos humanos altamente qualificados para o desenvolvimento de software. Integrando-se o uso de métodos formais ao desenvolvimento de sistemas complexos, permite-se realizar análises e verificações destes sistemas, garantindo assim sua correção. Existem diversos formalismos que permitem descrever sistemas, cada qual com diferentes níveis de abstração. Quando consideramos sistemas complexos, surge a necessidade de um modelo que forneça construções abstratas que facilitem o entendimento e a especificação destes sistemas. Um modelo baseado em objetos fornece um nível de abstração que tem sido muito aplicado na prática, onde os dados e os processos que os manipulam são descritos juntos em um objeto. Gramática de Grafos Baseada em Objetos (GGBO) é um modelo baseado em objetos, que além de ser uma linguagem visual, apresenta a vantagem de as especificações adquirirem um estilo baseado em objetos, que é bastante familiar à maioria dos desenvolvedores. Porém, as GGBOs não possuem ainda ferramentas para verificação automática de propriedades desejadas nos sistemas modelados. Uma alternativa para resolver isso é definir uma tradução (que preserve a semântica) desta linguagem para outra, para a qual existam verificadores automáticos. Um formalismo bastante conhecido e estabelecido para descrição de sistemas concorrentes, para o qual existem verificadores automáticos, é o cálculo-π. Porém, sob o aspecto de especificação de sistemas complexos, GGBOs parecem ser mais adequadas como linguagem de especificação que o cálculo-π, pois são visuais, mais intuitivas e possuem um estilo baseado em objetos. Neste trabalho foi definido um formalismo (baseado nas GGBOs), denominado Gramática de Hipergrafos Baseada em Objetos e uma tradução deste formalismo para o cálculo-π, aliando assim as vantagens desses dois métodos. Além disso, para validar a tradução definida, foram feitas provas de que a semântica das gramáticas de hipergrafos baseadas em objetos é preservada na tradução.

Operações booleanas entre objetos delimitados por surfels usando constrained BSP-trees

As áreas de visualização e modelagem baseados em pontos têm sido pesquisadas ativamente na computação gráfica. Pontos com atributos (por exemplo, normais) são geralmente chamados de surfels e existem vários algoritmos para a manipulação e visualização eficiente deles. Um ponto chave para a eficiência de muitos métodos é o uso de estruturas de particionamento do espaço. Geralmente octrees e KD-trees, por utilizarem cortes alinhados com os eixos são preferidas em vez das BSP-trees, mais genéricas. Neste trabalho, apresenta-se uma estrutura chamada Constrained BSP-tree (CBSP-tree), que pode ser vista como uma estrutura intermediárias entre KD-trees e BSP-trees. A CBSP-tree se caracteriza por permitir cortes arbitrários desde que seja satisfeito um critério de validade dos cortes. Esse critério pode ser redefinido de acordo com a aplicação. Isso permite uma aproximação melhor de regões curvas. Apresentam-se algoritmos para construir CBSP-trees, valendo-se da flexibilidade que a estrutura oferece, e para realizar operações booleanas usando uma nova classificação de interior/exterior.

Primitivas para suporte à distribuição de objetos direcionados à pervasive computing

Renovados são os desa os trazidos à computação distribuída pelos recentes desenvolvimentos nas tecnologias de computação móvel. Tais avanços inspiram uma perspectiva na qual a computação tornar-se-á uma entidade ubíqua em um futuro próximo, estando presente nas mais simples atividades do dia-a-dia. Esta perspectiva é motivadora das pesquisas conduzidas no escopo do projeto ISAM, as quais investigam as questões relativas ao uso da computação em ambientes móveis de larga escala. Neste trabalho é apresentado o sistema PRIMOS (PRIMitives for Object Scheduling), o qual busca, pela complementação da plataforma Java, satisfazer as emergentes necessidades do ISAM. Especi camente, o PRIMOS constitui um conjunto de primitivas para instanciação remota e migração de objetos, comunicação e monitoração, direcionadas a um ambiente de computação distribuída de larga escala de características pervasivas. A primitiva de instanciação remota disponibilizada pelo PRIMOS aumenta a plataforma Java padrão com a possibilidade de criar e ativar objetos em nodos remotos do sistema. Por sua vez, a primitiva de migração faculta a relocação de objetos. A consecu- ção de tais semânticas tem como sub-produto a de nição de semânticas para ativação e desativação de objetos, assim como para captura e restauração de contexto de execução. Sob a perspectiva da comunicação, o PRIMOS de ne um esquema de endereçamento independente de protocolo de transporte, assim como uma interface neutra para acesso às facilidades de comunicação. A integração destas funcionalidades ao mecanismo de invocações remotas da plataforma Java, o RMI, permite a desvinculação deste da pilha TCP/IP. Por conseguinte, habilita a adoção de transportes otimizados ao hardware de comunicação disponibilizado pelo sistema. No que se refere à monitoração, o PRIMOS de ne um esquema exível e extensível baseado em sensores. A exibilidade vem principalmente da possibilidade dos sensores terem seus parâmetros de operação recon gurados a qualquer momento em resposta a novas necessidades do sistema. Por outro lado, o sistema é extensível pois o conjunto de sensores básicos, ditos nativos, pode ser aumentado por sensores providos pela aplicação. Com intuito de validar as idéias postuladas, um protótipo foi construído para o sistema. Sobre este, baterias de testes foram realizadas para cada uma das primitivas constituintes do PRIMOS.

Framework orientado a objetos para projeto de hardware e software embarcados para sistemas tempo-real

A crescente complexidade dos sistemas tempo-real embarcados demanda novas metodologias e ferramentas para gerenciar os problemas de projeto, análise, integração e validação de sistemas complexos. Este trabalho aborda o tema co-projeto de sistemas tempo-real embarcados, propondo estratégias para a integração das fases iniciais de modelagem de um sistema tempo-real embarcado com as fases subseqüentes do projeto, como a implementação do software e do hardware. É proposto um framework orientado a objetos que permite a criação de modelos orientados a objetos de sistemas tempo-real embarcados, utilizando conceitos temporais similares aos propostos em UML-RT (ou mais especificamente no UML Profile for Schedulability, Performance and Time). É proposta uma estratégia de mapeamento dos requisitos temporais dos diagramas UMLRT para uma interface de programação (API) baseada na “Especificação Tempo-Real para Java” (Real-Time Specification for Java ou RTSJ), a qual pode ser executada tanto em software – em programas RTSJ executando em máquinas virtuais Java (JVM) tempo-real – ou em hardware – em processadores Java Tempo-Real. Para permitir o mapeamento para hardware são propostas extensões tempo-real ao processador Java FemtoJava, desenvolvido no âmbito de dissertações de mestrado e projetos de pesquisa no PPGC, criando-se um novo processador tempo-real denominado de RT-FemtoJava. Dentre as extensões propostas ao processador FemtoJava destaca-se a inclusão de um relógio de tempo-real e o suporte a instruções para alocação e manipulação de objetos. Os conceitos propostos foram validados no âmbito de estudos de caso, sendo os resultados obtidos descritos na presente dissertação.