A Framework supporting collaboration on the distributed design of integrated systems

The work described in this thesis aims to support the distributed design of integrated systems and considers specifically the need for collaborative interaction among designers. Particular emphasis was given to issues which were only marginally considered in previous approaches, such as the abstraction of the distribution of design automation resources over the network, the possibility of both synchronous and asynchronous interaction among designers and the support for extensible design data models. Such issues demand a rather complex software infrastructure, as possible solutions must encompass a wide range of software modules: from user interfaces to middleware to databases. To build such structure, several engineering techniques were employed and some original solutions were devised. The core of the proposed solution is based in the joint application of two homonymic technologies: CAD Frameworks and object-oriented frameworks. The former concept was coined in the late 80's within the electronic design automation community and comprehends a layered software environment which aims to support CAD tool developers, CAD administrators/integrators and designers. The latter, developed during the last decade by the software engineering community, is a software architecture model to build extensible and reusable object-oriented software subsystems. In this work, we proposed to create an object-oriented framework which includes extensible sets of design data primitives and design tool building blocks. Such object-oriented framework is included within a CAD Framework, where it plays important roles on typical CAD Framework services such as design data representation and management, versioning, user interfaces, design management and tool integration. The implemented CAD Framework - named Cave2 - followed the classical layered architecture presented by Barnes, Harrison, Newton and Spickelmier, but the possibilities granted by the use of the object-oriented framework foundations allowed a series of improvements which were not available in previous approaches: - object-oriented frameworks are extensible by design, thus this should be also true regarding the implemented sets of design data primitives and design tool building blocks. This means that both the design representation model and the software modules dealing with it can be upgraded or adapted to a particular design methodology, and that such extensions and adaptations will still inherit the architectural and functional aspects implemented in the object-oriented framework foundation; - the design semantics and the design visualization are both part of the object-oriented framework, but in clearly separated models. This allows for different visualization strategies for a given design data set, which gives collaborating parties the flexibility to choose individual visualization settings; - the control of the consistency between semantics and visualization - a particularly important issue in a design environment with multiple views of a single design - is also included in the foundations of the object-oriented framework. Such mechanism is generic enough to be also used by further extensions of the design data model, as it is based on the inversion of control between view and semantics. The view receives the user input and propagates such event to the semantic model, which evaluates if a state change is possible. If positive, it triggers the change of state of both semantics and view. Our approach took advantage of such inversion of control and included an layer between semantics and view to take into account the possibility of multi-view consistency; - to optimize the consistency control mechanism between views and semantics, we propose an event-based approach that captures each discrete interaction of a designer with his/her respective design views. The information about each interaction is encapsulated inside an event object, which may be propagated to the design semantics - and thus to other possible views - according to the consistency policy which is being used. Furthermore, the use of event pools allows for a late synchronization between view and semantics in case of unavailability of a network connection between them; - the use of proxy objects raised significantly the abstraction of the integration of design automation resources, as either remote or local tools and services are accessed through method calls in a local object. The connection to remote tools and services using a look-up protocol also abstracted completely the network location of such resources, allowing for resource addition and removal during runtime; - the implemented CAD Framework is completely based on Java technology, so it relies on the Java Virtual Machine as the layer which grants the independence between the CAD Framework and the operating system. All such improvements contributed to a higher abstraction on the distribution of design automation resources and also introduced a new paradigm for the remote interaction between designers. The resulting CAD Framework is able to support fine-grained collaboration based on events, so every single design update performed by a designer can be propagated to the rest of the design team regardless of their location in the distributed environment. This can increase the group awareness and allow a richer transfer of experiences among them, improving significantly the collaboration potential when compared to previously proposed file-based or record-based approaches. Three different case studies were conducted to validate the proposed approach, each one focusing one a subset of the contributions of this thesis. The first one uses the proxy-based resource distribution architecture to implement a prototyping platform using reconfigurable hardware modules. The second one extends the foundations of the implemented object-oriented framework to support interface-based design. Such extensions - design representation primitives and tool blocks - are used to implement a design entry tool named IBlaDe, which allows the collaborative creation of functional and structural models of integrated systems. The third case study regards the possibility of integration of multimedia metadata to the design data model. Such possibility is explored in the frame of an online educational and training platform.

Implementação de mecanismo de sincronismo virtual: experiência com Java

Este trabalho relata as atividades de estudo, projeto e implementação de uma aplicação distribuída que explora mecanismos básicos empregados em comunicação de grupo. O estudo é focado no desenvolvimento e uso dos conceitos de sincronismo virtual e em resultados aplicáveis para tolerância a falhas. O objetivo deste trabalho é o de demonstrar as repercussões práticas das principais características do modelo de sincronismo virtual no suporte à tolerância a falhas. São preceitos básicos os conceitos e primitivas de sistemas distribuídos utilizando troca de mensagens, bem como as alternativas de programação embasadas no conceito de grupos. O resultado final corresponde a um sistema Cliente/Servidor, desenvolvido em Java RMI, para simular um sistema distribuído com visões de grupo atualizadas em função da ocorrência de eventos significativos na composição dos grupos (sincronismo virtual). O sistema apresenta tratamento a falhas para o colapso (crash) de processos, inclusive do servidor (coordenador do grupo), e permite a consulta a dados armazenados em diferentes servidores. Foi projetado e implementado em um ambiente Windows NT, com protocolo TCP/IP. O resultado final corresponde a um conjunto de classes que pode ser utilizado para o controle da composição de grupos (membership). O aplicativo desenvolvido neste trabalho disponibiliza seis serviços, que são: inclusão de novos membros no grupo, onde as visões de todos os membros são atualizadas já com a identificação do novo membro; envio de mensagens em multicast aos membros participantes do grupo; envio de mensagens em unicast para um membro específico do grupo; permite a saída voluntária de membros do grupo, fazendo a atualização da visão a todos os membros do grupo; monitoramento de defeitos; e visualização dos membros participantes do grupo. Um destaque deve ser dado ao tratamento da suspeita de defeito do coordenador do grupo: se o mesmo sofrer um colapso, o membro mais antigo ativo é designado como o novo coordenador, e todos os membros do grupo são atualizados sobre a situação atual quanto à coordenação do grupo.

DOMonitor: um ambiente de monitoração de aplicações distribuídas Java

A linguagem de programação Java vem sendo uma das escolhidas para a implementação de aplicações compostas por objetos distribuídos. Estas aplicações caracterizam-se por possuir comportamento complexo e, portanto, são mais difíceis de depurar e refinar para obter melhores desempenhos. Considerando a necessidade do desenvolvimento de uma ferramenta de monitoração para o modelo de objetos distribuídos, que colete informações mais detalhadas sobre a execução da aplicação, é apresentado neste trabalho um ambiente de monitoração de aplicações distribuídas escritas em Java, o DOMonitor. Um dos objetivos do DOMonitor é obter o comportamento que a aplicação apresenta durante a execução, possibilitando a detecção de comportamentos equivocados e seu respectivo refinamento. O DOMonitor é voltado para aplicações compostas por objetos distribuídos e caracteriza-se por identificar principalmente: (i) o comportamento dinâmico das threads; (ii) a utilização dos métodos de sincronização; e (iii) a comunicação entre os entes distribuídos da aplicação. O DOMonitor está fundamentado em quatro premissas: (i) ser transparente para o usuário, não exigindo anotações no código fonte; (ii) apresentar uma organização modular, e por isto ser flexível e expansível; (iii) ser portável, não exigindo nenhuma alteração na Maquina Virtual Java; e (iv) operar de forma a garantir a ordem dos eventos previstos pelo programa. Os dados produzidos pelo DOMonitor podem ser utilizados com diversas finalidades tais como visualização da execução, escalonamento e como suporte à execução de aplicações móveis. Para comprovar esta versatilidade, foi proposta a integração do sistema a dois outros projetos, o Pajé e o ISAM. O projeto ISAM utilizará os dados monitorados para tomadas de decisão durante o curso da execução e o projeto Pajé permite a visualização gráfica das características dinâmicas de uma aplicação Java.

Gerência dinâmica de memória em aplicações Java embarcadas

Esta dissertação apresenta duas implementações de algoritmos para gerência dinâmica de memória em software, as quais foram desenvolvidas utilizando como alvo uma plataforma embarcada Java. Uma vez que a plataforma utilizada pertence a uma metodologia para geração semi-automática de hardware e software para sistemas embarcados, os dois algoritmos implementados foram projetados para serem integrados ao contexto desta mesma metodologia. Como forma de estabelecer comparações detalhadas entre as duas implementações desenvolvidas, foram realizadas diversas estimativas em desempenho, uso de memória, potência e energia para cada implementação, utilizando para isto duas versões existentes da plataforma adotada. Através da análise dos resultados obtidos, observou-se que um dos algoritmos desenvolvidos obteve um desempenho melhor para realização da gerência dinâmica da memória. Em contrapartida, o outro algoritmo possui características de projeto que possibilitam sua utilização com aplicações de tempo-real. De um modo geral, os custos adicionais resultantes da utilização do algoritmo de tempo-real, em relação ao outro algoritmo também implementado, são de aproximadamente 2% para a potência média dissipada, 16% para o número de ciclos executados, 18% para a energia consumida e 10% sobre a quantidade de total memória utilizada. Isto mostra que o custo extra necessário para utilização do algoritmo de tempo real é razoavelmente baixo se comparado aos benefícios proporcionados pela sua utilização. Como impactos finais produzidos por este trabalho, obteve-se um acréscimo de 35% sobre o número total de instruções suportadas pela arquitetura utilizada. Adicionalmente, 12% das instruções que já existiam no conjunto desta arquitetura foram modificadas para se adaptarem aos novos mecanismos implementados. Com isto, o conjunto atual da arquitetura passa a corresponder a 44% do total de instruções existentes na arquitetura da máquina virtual Java. Por último, além das estimativas desenvolvidas, foram também realizadas algumas sugestões para melhoria global dos algoritmos implementados. Em síntese, alguns pontos cobertos por estas sugestões incluem: a migração de elementos do processamento do escopo dinâmico para o estático, o desenvolvimento de mecanismos escaláveis para compactação de memória em tempo-real, a integração de escalonadores ao processo de gerência de memória e a extensão do processo de geração semi-automática de software e hardware para sistemas embarcados.