A formal model of real-time program compilation

Program compilation can be formally defined as a sequence of equivalence-preserving transformations, or refinements, from high-level language programs to assembler code, Recent models also incorporate timing properties, but the resulting formalisms are intimidatingly complex. Here we take advantage of a new, simple model of real-time refinement, based on predicate transformer semantics, to present a straightforward compilation formalism that incorporates real-time constraints. (C) 2002 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Code offloading on real-time multimedia systems: a framework for handling code mobility and code offloading in a QoS aware environment

Actualmente, os smartphones e outros dispositivos móveis têm vindo a ser dotados com cada vez maior poder computacional, sendo capazes de executar um vasto conjunto de aplicações desde simples programas de para tirar notas até sofisticados programas de navegação. Porém, mesmo com a evolução do seu hardware, os actuais dispositivos móveis ainda não possuem as mesmas capacidades que os computadores de mesa ou portáteis. Uma possível solução para este problema é distribuir a aplicação, executando partes dela no dispositivo local e o resto em outros dispositivos ligados à rede. Adicionalmente, alguns tipos de aplicações como aplicações multimédia, jogos electrónicos ou aplicações de ambiente imersivos possuem requisitos em termos de Qualidade de Serviço, particularmente de tempo real. Ao longo desta tese é proposto um sistema de execução de código remota para sistemas distribuídos com restrições de tempo-real. A arquitectura proposta adapta-se a sistemas que necessitem de executar periodicamente e em paralelo mesmo conjunto de funções com garantias de tempo real, mesmo desconhecendo os tempos de execução das referidas funções. A plataforma proposta foi desenvolvida para sistemas móveis capazes de executar o Sistema Operativo Android.

A framework for offloading real-time applications in a distributed environment

This work focuses on highly dynamic distributed systems with Quality of Service (QoS) constraints (most importantly real-time constraints). To that purpose, real-time applications may benefit from code offloading techniques, so that parts of the application can be offloaded and executed, as services, by neighbour nodes, which are willing to cooperate in such computations. These applications explicitly state their QoS requirements, which are translated into resource requirements, in order to evaluate the feasibility of accepting other applications in the system.

A capacity sharing and stealing strategy for open real-time systems

This paper focuses on the scheduling of tasks with hard and soft real-time constraints in open and dynamic real-time systems. It starts by presenting a capacity sharing and stealing (CSS) strategy that supports the coexistence of guaranteed and non-guaranteed bandwidth servers to efficiently handle soft-tasks’ overloads by making additional capacity available from two sources: (i) reclaiming unused reserved capacity when jobs complete in less than their budgeted execution time and (ii) stealing reserved capacity from inactive non-isolated servers used to schedule best-effort jobs. CSS is then combined with the concept of bandwidth inheritance to efficiently exchange reserved bandwidth among sets of inter-dependent tasks which share resources and exhibit precedence constraints, assuming no previous information on critical sections and computation times is available. The proposed Capacity Exchange Protocol (CXP) has a better performance and a lower overhead when compared against other available solutions and introduces a novel approach to integrate precedence constraints among tasks of open real-time systems.

Real-time fault injection using enhanced on-chip debug infrastructures

The rapid increase in the use of microprocessor-based systems in critical areas, where failures imply risks to human lives, to the environment or to expensive equipment, significantly increased the need for dependable systems, able to detect, tolerate and eventually correct faults. The verification and validation of such systems is frequently performed via fault injection, using various forms and techniques. However, as electronic devices get smaller and more complex, controllability and observability issues, and sometimes real time constraints, make it harder to apply most conventional fault injection techniques. This paper proposes a fault injection environment and a scalable methodology to assist the execution of real-time fault injection campaigns, providing enhanced performance and capabilities. Our proposed solutions are based on the use of common and customized on-chip debug (OCD) mechanisms, present in many modern electronic devices, with the main objective of enabling the insertion of faults in microprocessor memory elements with minimum delay and intrusiveness. Different configurations were implemented starting from basic Components Off-The-Shelf (COTS) microprocessors, equipped with real-time OCD infrastructures, to improved solutions based on modified interfaces, and dedicated OCD circuitry that enhance fault injection capabilities and performance. All methodologies and configurations were evaluated and compared concerning performance gain and silicon overhead.

Allocation of Parallel Real-Time Tasks in Distributed Multi-core Architectures supported by an FTT-SE Network

Distributed real-time systems such as automotive applications are becoming larger and more complex, thus, requiring the use of more powerful hardware and software architectures. Furthermore, those distributed applications commonly have stringent real-time constraints. This implies that such applications would gain in flexibility if they were parallelized and distributed over the system. In this paper, we consider the problem of allocating fixed-priority fork-join Parallel/Distributed real-time tasks onto distributed multi-core nodes connected through a Flexible Time Triggered Switched Ethernet network. We analyze the system requirements and present a set of formulations based on a constraint programming approach. Constraint programming allows us to express the relations between variables in the form of constraints. Our approach is guaranteed to find a feasible solution, if one exists, in contrast to other approaches based on heuristics. Furthermore, approaches based on constraint programming have shown to obtain solutions for these type of formulations in reasonable time.

HIGH PERFORMANCE, LOW COST SUBSPACE DECOMPOSITION AND POLYNOMIAL ROOTING FOR REAL TIME DIRECTION OF ARRIVAL ESTIMATION: ANALYSIS AND IMPLEMENTATION

This thesis develops high performance real-time signal processing modules for direction of arrival (DOA) estimation for localization systems. It proposes highly parallel algorithms for performing subspace decomposition and polynomial rooting, which are otherwise traditionally implemented using sequential algorithms. The proposed algorithms address the emerging need for real-time localization for a wide range of applications. As the antenna array size increases, the complexity of signal processing algorithms increases, making it increasingly difficult to satisfy the real-time constraints. This thesis addresses real-time implementation by proposing parallel algorithms, that maintain considerable improvement over traditional algorithms, especially for systems with larger number of antenna array elements. Singular value decomposition (SVD) and polynomial rooting are two computationally complex steps and act as the bottleneck to achieving real-time performance. The proposed algorithms are suitable for implementation on field programmable gated arrays (FPGAs), single instruction multiple data (SIMD) hardware or application specific integrated chips (ASICs), which offer large number of processing elements that can be exploited for parallel processing. The designs proposed in this thesis are modular, easily expandable and easy to implement. Firstly, this thesis proposes a fast converging SVD algorithm. The proposed method reduces the number of iterations it takes to converge to correct singular values, thus achieving closer to real-time performance. A general algorithm and a modular system design are provided making it easy for designers to replicate and extend the design to larger matrix sizes. Moreover, the method is highly parallel, which can be exploited in various hardware platforms mentioned earlier. A fixed point implementation of proposed SVD algorithm is presented. The FPGA design is pipelined to the maximum extent to increase the maximum achievable frequency of operation. The system was developed with the objective of achieving high throughput. Various modern cores available in FPGAs were used to maximize the performance and details of these modules are presented in detail. Finally, a parallel polynomial rooting technique based on Newton’s method applicable exclusively to root-MUSIC polynomials is proposed. Unique characteristics of root-MUSIC polynomial’s complex dynamics were exploited to derive this polynomial rooting method. The technique exhibits parallelism and converges to the desired root within fixed number of iterations, making this suitable for polynomial rooting of large degree polynomials. We believe this is the first time that complex dynamics of root-MUSIC polynomial were analyzed to propose an algorithm. In all, the thesis addresses two major bottlenecks in a direction of arrival estimation system, by providing simple, high throughput, parallel algorithms.

Area-Efficient Linear Regression Architecture for Real-Time Signal Processing on FPGAs

Linear regression is a technique widely used in digital signal processing. It consists on finding the linear function that better fits a given set of samples. This paper proposes different hardware architectures for the implementation of the linear regression method on FPGAs, specially targeting area restrictive systems. It saves area at the cost of constraining the lengths of the input signal to some fixed values. We have implemented the proposed scheme in an Automatic Modulation Classifier, meeting the hard real-time constraints this kind of systems have.

Simulator of the JET real-time disruption predictor

A disruption predictor based on support vector machines (SVM) has been developed to be used in JET. The training process uses thousands of discharges and, therefore, high performance computing has been necessary to obtain the models. To this respect, several models have been generated with data from different JET campaigns. In addition, various kernels (mainly linear and RBF) and parameters have been tested. The main objective of this work has been the implementation of the predictor model under real-time constraints. A “C-code” software application has been developed to simulate the real-time behavior of the predictor. The application reads the signals from the JET database and simulates the real-time data processing, in particular, the specific data hold method to be developed when reading data from the JET ATM real time network. The simulator is fully configurable by means of text files to select models, signal thresholds, sampling rates, etc. Results with data between campaigns C23and C28 will be shown.

Incremental Verification of Timing Constraints for Real-Time Systems

Testing constraints for real-time systems are usually verified through the satisfiability of propositional formulae. In this paper, we propose an alternative where the verification of timing constraints can be done by counting the number of truth assignments instead of boolean satisfiability. This number can also tell us how “far away” is a given specification from satisfying its safety assertion. Furthermore, specifications and safety assertions are often modified in an incremental fashion, where problematic bugs are fixed one at a time. To support this development, we propose an incremental algorithm for counting satisfiability. Our proposed incremental algorithm is optimal as no unnecessary nodes are created during each counting. This works for the class of path RTL. To illustrate this application, we show how incremental satisfiability counting can be applied to a well-known rail-road crossing example, particularly when its specification is still being refined.

Robust integration of real time optimization with linear model predictive control

Here, we study the stable integration of real time optimization (RTO) with model predictive control (MPC) in a three layer structure. The intermediate layer is a quadratic programming whose objective is to compute reachable targets to the MPC layer that lie at the minimum distance to the optimum set points that are produced by the RTO layer. The lower layer is an infinite horizon MPC with guaranteed stability with additional constraints that force the feasibility and convergence of the target calculation layer. It is also considered the case in which there is polytopic uncertainty in the steady state model considered in the target calculation. The dynamic part of the MPC model is also considered unknown but it is assumed to be represented by one of the models of a discrete set of models. The efficiency of the methods presented here is illustrated with the simulation of a low order system. (C) 2010 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Real-time energy resources scheduling considering intensive wind penetration

The use of distributed energy resources, based on natural intermittent power sources, like wind generation, in power systems imposes the development of new adequate operation management and control methodologies. A short-term Energy Resource Management (ERM) methodology performed in two phases is proposed in this paper. The first one addresses the day-ahead ERM scheduling and the second one deals with the five-minute ahead ERM scheduling. The ERM scheduling is a complex optimization problem due to the high quantity of variables and constraints. In this paper the main goal is to minimize the operation costs from the point of view of a virtual power player that manages the network and the existing resources. The optimization problem is solved by a deterministic mixedinteger non-linear programming approach. A case study considering a distribution network with 33 bus, 66 distributed generation, 32 loads with demand response contracts and 7 storage units and 1000 electric vehicles has been implemented in a simulator developed in the field of the presented work, in order to validate the proposed short-term ERM methodology considering the dynamic power system behavior.

Cooperative framework for open real-time systems

Actualmente, os sistemas embebidos estão presentes em toda a parte. Embora grande parte da população que os utiliza não tenha a noção da sua presença, na realidade, se repentinamente estes sistemas deixassem de existir, a sociedade iria sentir a sua falta. A sua utilização massiva deve-se ao facto de estarem practicamente incorporados em quase os todos dispositivos electrónicos de consumo, telecomunicações, automação industrial e automóvel. Influenciada por este crescimento, a comunidade científica foi confrontada com novos problemas distribuídos por vários domínios científicos, dos quais são destacados a gestão da qualidade de serviço e gestão de recursos - domínio encarregue de resolver problemas relacionados com a alocação óptima de recursos físicos, tais como rede, memória e CPU. Existe na literatura um vasto conjunto de modelos que propõem soluções para vários problemas apresentados no contexto destes domínios científicos. No entanto, não é possível encontrar modelos que lidem com a gestão de recursos em ambientes de execução cooperativos e abertos com restrições temporais utilizando coligações entre diferentes nós, de forma a satisfazer os requisitos não funcionais das aplicações. Devido ao facto de estes sistemas serem dinâmicos por natureza, apresentam a característica de não ser possível conhecer, a priori, a quantidade de recursos necessários que uma aplicação irá requerer do sistema no qual irá ser executada. Este conhecimento só é adquirido aquando da execução da aplicação. De modo a garantir uma gestão eficiente dos recursos disponíveis, em sistemas que apresentam um grande dinamismo na execução de tarefas com e sem restrições temporais, é necessário garantir dois aspectos fundamentais. O primeiro está relacionado com a obtenção de garantias na execução de tarefas de tempo-real. Estas devem sempre ser executadas dentro da janela temporal requirida. O segundo aspecto refere a necessidade de garantir que todos os recursos necessários à execução das tarefas são fornecidos, com o objectivo de manter os níveis de performance quer das aplicações, quer do próprio sistema. Tendo em conta os dois aspectos acima mencionados, o projecto CooperatES foi especificado com o objectivo de permitir a dispositivos com poucos recursos uma execução colectiva de serviços com os seus vizinhos, de modo a cumprir com as complexas restrições de qualidade de serviço impostas pelos utilizadores ou pelas aplicações. Decorrendo no contexto do projecto CooperatES, o trabalho resultante desta tese tem como principal objectivo avaliar a practicabilidade dos conceitos principais propostos no âmbito do projecto. O trabalho em causa implicou a escolha e análise de uma plataforma, a análise de requisitos, a implementação e avaliação de uma framework que permite a execução cooperativa de aplicações e serviços que apresentem requisitos de qualidade de serviço. Do trabalho desenvolvido resultaram as seguintes contribuições: Análise das plataformas de código aberto que possam ser utilizadas na implementação dos conceitos relacionados com o projecto CooperatES; Critérios que influenciaram a escolha da plataforma Android e um estudo focado na análise da plataforma sob uma perspectiva de sistemas de tempo-real; Experiências na implementação dos conceitos do projecto na plataforma Android; Avaliação da practicabilidade dos conceitos propostos no projecto CooperatES; Proposta de extensões que permitam incorporar características de sistemas de tempo real abertos na plataforma Android.

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.

A survey of techniques and technologies for web-based real-time interactive rendering

When exploring a virtual environment, realism depends mainly on two factors: realistic images and real-time feedback (motions, behaviour etc.). In this context, photo realism and physical validity of computer generated images required by emerging applications, such as advanced e-commerce, still impose major challenges in the area of rendering research whereas the complexity of lighting phenomena further requires powerful and predictable computing if time constraints must be attained. In this technical report we address the state-of-the-art on rendering, trying to put the focus on approaches, techniques and technologies that might enable real-time interactive web-based clientserver rendering systems. The focus is on the end-systems and not the networking technologies used to interconnect client(s) and server(s).