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.

Dynamic global scheduling of parallel real-time tasks

High-level parallel languages offer a simple way for application programmers to specify parallelism in a form that easily scales with problem size, leaving the scheduling of the tasks onto processors to be performed at runtime. Therefore, if the underlying system cannot efficiently execute those applications on the available cores, the benefits will be lost. In this paper, we consider how to schedule highly heterogenous parallel applications that require real-time performance guarantees on multicore processors. The paper proposes a novel scheduling approach that combines the global Earliest Deadline First (EDF) scheduler with a priority-aware work-stealing load balancing scheme, which enables parallel realtime tasks to be executed on more than one processor at a given time instant. Experimental results demonstrate the better scalability and lower scheduling overhead of the proposed approach comparatively to an existing real-time deadline-oriented scheduling class for the Linux kernel.

On the implementation of real-time slotbased task-splitting scheduling algorithms for multiprocessor systems

In this paper we discuss challenges and design principles of an implementation of slot-based tasksplitting algorithms into the Linux 2.6.34 version. We show that this kernel version is provided with the required features for implementing such scheduling algorithms. We show that the real behavior of the scheduling algorithm is very close to the theoretical. We run and discuss experiments on 4-core and 24-core machines.

Implementing slot-based task-splitting multiprocessor scheduling

Consider the problem of scheduling a set of sporadic tasks on a multiprocessor system to meet deadlines using a task-splitting scheduling algorithm. Task-splitting (also called semi-partitioning) scheduling algorithms assign most tasks to just one processor but a few tasks are assigned to two or more processors, and they are dispatched in a way that ensures that a task never executes on two or more processors simultaneously. A particular type of task-splitting algorithms, called slot-based task-splitting dispatching, is of particular interest because of its ability to schedule tasks with high processor utilizations. Unfortunately, no slot-based task-splitting algorithm has been implemented in a real operating system so far. In this paper we discuss and propose some modifications to the slot-based task-splitting algorithm driven by implementation concerns, and we report the first implementation of this family of algorithms in a real operating system running Linux kernel version 2.6.34. We have also conducted an extensive range of experiments on a 4-core multicore desktop PC running task-sets with utilizations of up to 88%. The results show that the behavior of our implementation is in line with the theoretical framework behind it.

Sporadic multiprocessor Linux scheduler

The advent of multicore systems has renewed the interest of research community on real-time scheduling on multiprocessor systems. Real-time scheduling theory for uniprocessors is considered a mature research field, but real-time scheduling theory for multiprocessors is an emerging research field. Being part of this research community I have decided to implement the Sporadic Multiprocessor Linux Scheduler that implements a new real-time scheduling algorithm, which was designed to schedule real-time sporadic tasks on multiprocessor systems. This technical reports describes the implementation of the SMLS.

Run-time monitoring approach for the shark kernel

Typically common embedded systems are designed with high resource constraints. Static designs are often chosen to address very specific use cases. On contrast, a dynamic design must be used if the system must supply a real-time service where the input may contain factors of indeterminism. Thus, adding new functionality on these systems is often accomplished by higher development time, tests and costs, since new functionality push the system complexity and dynamics to a higher level. Usually, these systems have to adapt themselves to evolving requirements and changing service requests. In this perspective, run-time monitoring of the system behaviour becomes an important requirement, allowing to dynamically capturing the actual scheduling progress and resource utilization. For this to succeed, operating systems need to expose their internal behaviour and state, making it available to the external applications, usually using a run-time monitoring mechanism. However, such mechanism can impose a burden in the system itself if not wisely used. In this paper we explore this problem and propose a framework, which is intended to provide this run-time mechanism whilst achieving code separation, run-time efficiency and flexibility for the final developer.

Realização de uma arquitectura diffServ com configuração transparente de QOS

Dissertação apresentada na Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Abstract Timers and their Implementation onto the ARM Cor tex-M family of MCUs

Presented at Embed with Linux Workshop (EWiLi 2015). 4 to 9, Oct, 2015. Amsterdam, Netherlands.

Media(ted) discourse and society: rethinking the framework of critical discourse analysis

The analysis of journalistic discourse and its social embeddedness has known significant advances in the last two decades, especially due to the emergence and development of Critical Discourse Analysis. However, three important aspects remain under-researched: the time plane in discourse analysis, the discursive strategies of social actors, and the extra- and supra-textual effects of mediated discourse. Firstly, understanding the biography of public matters requires a longitudinal examination of mediated texts and their social contexts but most forms of analysis of journalistic discourse do not account for the time sequence of texts and its implications. Secondly, as the media representation of social issues is, to a large extent, a function of the discursive construction of events, problems and positions by social actors, the discursive strategies that they employ in a variety of arenas and channels ‘‘before’’ and ‘‘after’’ journalistic texts need to be examined. Thirdly, the fact that many of the modes of operation of discourse are extra- or supra-textual calls for a consideration of various social processes ‘‘outside’’ the text. This paper aims to produce a theoretical and methodological contribution to the integration of these issues in discourse analysis by proposing a framework that combines a textual dimension with a contextual one

Implementation of a unified userspace time handling library under the Linux OS

An appropriate assessment of end-to-end network performance presumes highly efficient time tracking and measurement with precise time control of the stopping and resuming of program operation. In this paper, a novel approach to solving the problems of highly efficient and precise time measurements on PC-platforms and on ARM-architectures is proposed. A new unified High Performance Timer and a corresponding software library offer a unified interface to the known time counters and automatically identify the fastest and most reliable time source, available in the user space of a computing system. The research is focused on developing an approach of unified time acquisition from the PC hardware and accordingly substituting the common way of getting the time value through Linux system calls. The presented approach provides a much faster means of obtaining the time values with a nanosecond precision than by using conventional means. Moreover, it is capable of handling the sequential time value, precise sleep functions and process resuming. This ability means the reduction of wasting computer resources during the execution of a sleeping process from 100% (busy-wait) to 1-1.5%, whereas the benefits of very accurate process resuming times on long waits are maintained.

Assessment of the VoIP Transmission Quality over Digital Power Line Carrier Channels

This article is devoted to the research of VoIP transmission quality over Digital Power Line Carrier channels. Assessment of quality transmission is performed using E-model. Paper considers the possibility of joint using of Digital Power Line carrier equipment with different architecture in one network. As a result of the research, the rule for constructing of multi-segment Digital Power Line Carrier channels was formulated. This rule allows minimizing the transmission delay and saving frequency resources of high voltage Power Line Carrier range.

Anales de la Academia de Ciencias Médicas, Físicas y Naturales de la Habana.

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ParallelKnoppix - Rapid deployment of a linux cluster for MPI parallel processing using non-dedicated computers

This note describes ParallelKnoppix, a bootable CD that allows creation of a Linux cluster in very little time. An experienced user can create a cluster ready to execute MPI programs in less than 10 minutes. The computers used may be heterogeneous machines, of the IA-32 architecture. When the cluster is shut down, all machines except one are in their original state, and the last can be returned to its original state by deleting a directory. The system thus provides a means of using non-dedicated computers to create a cluster. An example session is documented.

Automatización de la gestión del ciclo de vida de entornos Linux y Solaris

Los requisitos del Negocio que requieren un gran crecimiento generan mayor complejidad en los Centros de Cómputo.Son los administradores quienes necesitan gestionar el creciente volumen de datos, aplicaciones, y usuarios, así como la rápida proliferación de los servidores y los diferentes sistemas operativos. En este proyecto se pretende reducir la complejidad en la gestión de los Centros de Cómputo, combinando la automatización de la gestión del ciclo de vida y todas las medidas de contingencia necesarias para mantener la integridad de los mismos.

dEICbian: una distribució GNU/LINUX personalitzada per laboratoris de docència

En aquest projecte es desenvolupa una distribució GNU/Linux adaptada als laboratoris de docència del departament d’enginyeria de la informació i de les comunicacions. Partint de una anàlisi exhaustiu de les necessitats del departament i gràcies a la col·laboració dels seus membres s’ha realitzat la distribució dEICbian, un sistema que permetrà facilitar les tasques docents als laboratoris del departament. Amb l’objectiu de mantenir el sistema actualitzat també s’ha desenvolupat un generador de noves versions de la distribució dEICbian per tal de garantir tenir, sempre, un sistema modern i lliure d’errors als laboratoris del departament. L’opinió dels usuaris, expressada mitjançant enquestes, ha estat favorable i ara només resta el darrer pas: la seva implementació als laboratoris.