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.

Justiça e transição: os juízes dos tribunais plenários no processo revolucionário português

As transições democráticas colocam as elites e a sociedade perante o desafio de enfrentar os legados dos regimes ditatoriais e a portuguesa foi particularmente importante sob este ponto de vista, quer pela longa duração do regime autoritário quer pela natureza de ruptura no tipo de mudança de regime. Acresce que o caso português, enquanto o primeiro da chamada “terceira vaga” teve escassos modelos de inspiração e nenhum de contágio foi, como alguém a definiu recentemente uma experiência, de “democracia depois da guerra”, onde os militares desempenharam um papel determinante no derrube da Ditadura (Bermeo: 2004). Assim, este artigo propõe-se analisar os saneamentos levados a cabo no Ministério da Justiça, dando particular atenção à liquidação dos tribunais políticos do salazarismo (Tribunais Criminais Plenários - TCP).

Deteção e acompanhamento de movimento através de uma câmara de vídeo

A deteção e seguimento de pessoas tem uma grande variedade de aplicações em visão computacional. Embora tenha sido alvo de anos de investigação, continua a ser um tópico em aberto, e ainda hoje, um grande desafio a obtenção de uma abordagem que inclua simultaneamente exibilidade e precisão. O trabalho apresentado nesta dissertação desenvolve um caso de estudo sobre deteção e seguimento automático de faces humanas, em ambiente de sala de reuniões, concretizado num sistema flexível de baixo custo. O sistema proposto é baseado no sistema operativo GNU's Not Unix (GNU) linux, e é dividido em quatro etapas, a aquisição de vídeo, a deteção da face, o tracking e reorientação da posição da câmara. A aquisição consiste na captura de frames de vídeo das três câmaras Internet Protocol (IP) Sony SNC-RZ25P, instaladas na sala, através de uma rede Local Area Network (LAN) também ele já existente. Esta etapa fornece os frames de vídeo para processamento à detecção e tracking. A deteção usa o algoritmo proposto por Viola e Jones, para a identificação de objetos, baseando-se nas suas principais características, que permite efetuar a deteção de qualquer tipo de objeto (neste caso faces humanas) de uma forma genérica e em tempo real. As saídas da deteção, quando é identificado com sucesso uma face, são as coordenadas do posicionamento da face, no frame de vídeo. As coordenadas da face detetada são usadas pelo algoritmo de tracking, para a partir desse ponto seguir a face pelos frames de vídeo subsequentes. A etapa de tracking implementa o algoritmo Continuously Adaptive Mean-SHIFT (Camshift) que baseia o seu funcionamento na pesquisa num mapa de densidade de probabilidade, do seu valor máximo, através de iterações sucessivas. O retorno do algoritmo são as coordenadas da posição e orientação da face. Estas coordenadas permitem orientar o posicionamento da câmara de forma que a face esteja sempre o mais próximo possível do centro do campo de visão da câmara. Os resultados obtidos mostraram que o sistema de tracking proposto é capaz de reconhecer e seguir faces em movimento em sequências de frames de vídeo, mostrando adequabilidade para aplicação de monotorização em tempo real.

Aplicação para gestão de activos de rede do Aeroporto do Porto

O presente trabalho enquadra-se na área das redes de computadores, fazendo referência aos protocolos e ao conjunto de equipamentos e softwares necessários para a administração, controlo e monitorização desse tipos de infra-estruturas. Para a gestão de uma rede de dados, é essencial dispor de conhecimentos e documentação de nível técnico para representar da forma mais fiel possível a configuração da rede, seguindo passo a passo a interligação entre os equipamentos existentes e oferecendo assim uma visão o mais fidedigna possível das instalações. O protocolo SNMP é utilizado em larga escala sendo praticamente um standard para a administração de redes baseadas na tecnologia TCP/IP. Este protocolo define a comunicação entre um administrador e um agente, estabelecendo o formato e o significado das mensagens trocadas entre ambos. Tem a capacidade de suportar produtos de diferentes fabricantes, permitindo ao administrador manter uma base de dados com informações relevantes da monitorização de vários equipamentos, que pode ser consultada e analisada por softwares NMS concebidos especialmente para a gestão de redes de computadores. O trabalho apresentado nesta dissertação teve como objectivo desenvolver uma ferramenta para apoiar à gestão da infra-estrutura de comunicações do Aeroporto Francisco Sá Carneiro que permitisse conhecer em tempo real o estado dos elementos de rede, ajudar no diagnóstico de possíveis problemas e ainda apoiar a tarefa de planeamento e expansão da rede instalada. A ferramenta desenvolvida utiliza as potencialidades do protocolo SNMP para adquirir dados de monitorização de equipamentos de rede presentes na rede do AFSC, disponibilizando-os numa interface gráfica para facilitar a visualização dos parâmetros e alertas de funcionamento mais importantes na administração da rede.

Implementação em hardware reconfigurável de método de separação de dados hiperespetrais

Relatório do Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia de Electrónica e Telecomunicações

Industrial multimedia put into practice

Recent developments in the factory floor technologies together with the widespread use of TCP/IP and the Internet are increasing the eagerness to support a new wide class of devices and applications, such as industrial multimedia applications, in factory floor networks. This paper presents how this new field of applications can be put into practice, via a manufacturing cell field trial being implemented. This manufacturing automation field trial involves the use of traditional distributed computer control systems and 'factory-floor-oriented' multimedia (e.g. voice, video) application services.

Industrial multimedia over factory-floor networks

In this paper we describe a real-time industrial communication network able to support both controlrelated and multimedia traffic. The industrial communication network is based on the PROFIBUS standard, with multimedia capabilities being provided by an adequate integration of TCP/IP protocols into the PROFIBUS stack. From the operational point of view the integration of TCP/IP into PROFIBUS is by itself a challenge, since the master-slave nature of the PROFIBUS MAC makes complex the implementation of the symmetry inherent to IP communications. From the timeliness point of view the challenge is two folded. On one hand the multimedia traffic should not interfere with the timing requirements of the "native" control-related PROFIBUS traffic (typically hard real-time). On the other hand multimedia traffic requires certain levels of quality-of-service to be attained. In this paper we provide a methodology that enables fulfilling the timing requirements for both types of traffic in these real-time industrial LAN. Moreover, we describe suitable algorithms for the scheduling support of concurrent multimedia streams.

Supporting internet protocols in master-slave fieldbus networks

In this paper we describe how to integrate Internet Protocols (IP) into a typical hierarchical master-slave fieldbus network, supporting a logical ring token passing mechanism between master stations. The integration of the TCP/IP protocols in the fieldbus protocol rises a number of issues that must be addressed properly. In this paper we particularly address the issues related to the conveyance of IP fragments in fieldbus frames (fragmentation/de-fragmentation) and on how to support the symmetry inherent to the TCP/IP protocols in fieldbus slaves, which lack communication initiative.

Scheduling IP traffic in multimedia-enabled PROFIBUS networks

Technological developments are pulling fieldbus networks to support a new wide class of applications, such as industrial multimedia applications. To enable its use in this kind of applications the TCP/IP suite of protocols can be integrated within a fieldbus stack, leading to a dual-stack approach that is briefly outlined in the paper. One important requirement that must be fulfilled by this approach is that the hard real-time guarantees provided to the control-related traffic ("native" fieldbus traffic) are kept. At the same time it must also provide the desired quality of service (QoS) to IP applications. The focus of the paper is on how, in such a dual-stack approach, QoS can be efficiently provided to IP applications requiring quasi-constant bandwidth.

Programming atomic multicasts in CAN

In Distributed Computer-Controlled Systems (DCCS), a special emphasis must be given to the communication infrastructure, which must provide timely and reliable communication services. CAN networks are usually suitable to support small-scale DCCS. However, they are known to present some reliability problems, which can lead to an unreliable behaviour of the supported applications. In this paper, an atomic multicast protocol for CAN networks is proposed. This protocol explores the CAN synchronous properties, providing a timely and reliable service to the supported applications. The implementation of such protocol in Ada, on top of the Ada version of Real-Time Linux is presented, which is used to demonstrate the advantages and disadvantages of the platform to support reliable communications in DCCS.

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.

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

A shared-disk parallel cluster file system

Dissertação apresentada para obtenção do Grau de Doutor em Informática Pela Universidade Nova de Lisboa, Faculdade de Ciências e Tecnologia