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.

Replica management in real-time Ada 95 applications

In this paper, we present some of the fault tolerance management mechanisms being implemented in the Multi-μ architecture, namely its support for replica non-determinism. In this architecture, fault tolerance is achieved by node active replication, with software based replica management and fault tolerance transparent algorithms. A software layer implemented between the application and the real-time kernel, the Fault Tolerance Manager (FTManager), is the responsible for the transparent incorporation of the fault tolerance mechanisms The active replication model can be implemented either imposing replica determinism or keeping replica consistency at critical points, by means of interactive agreement mechanisms. One of the Multi-μ architecture goals is to identify such critical points, relieving the underlying system from performing the interactive agreement in every Ada dispatching point.

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.

Towards network-on-chip agreement protocols

Demands for functionality enhancements, cost reductions and power savings clearly suggest the introduction of multiand many-core platforms in real-time embedded systems. However, when compared to uni-core platforms, the manycores experience additional problems, namely the lack of scalable coherence mechanisms and the necessity to perform migrations. These problems have to be addressed before such systems can be considered for integration into the realtime embedded domain. We have devised several agreement protocols which solve some of the aforementioned issues. The protocols allow the applications to plan and organise their future executions both temporally and spatially (i.e. when and where the next job will be executed). Decisions can be driven by several factors, e.g. load balancing, energy savings and thermal issues. All presented protocols are analytically described, with the particular emphasis on their respective real-time behaviours and worst-case performance. The underlying assumptions are based on the multi-kernel model and the message-passing paradigm, which constitutes the communication between the interacting instances.

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.

POSIX trace based behavioural reflection

Traditional Real-Time Operating Systems (RTOS) are not designed to accommodate application specific requirements. They address a general case and the application must co-exist with any limitations imposed by such design. For modern real-time applications this limits the quality of services offered to the end-user. Research in this field has shown that it is possible to develop dynamic systems where adaptation is the key for success. However, adaptation requires full knowledge of the system state. To overcome this we propose a framework to gather data, and interact with the operating system, extending the traditional POSIX trace model with a partial reflective model. Such combination still preserves the trace mechanism semantics while creating a powerful platform to develop new dynamic systems, with little impact in the system and avoiding complex changes in the kernel source code.

A complex protocol layer as a linux user-space process

With the current complexity of communication protocols, implementing its layers totally in the kernel of the operating system is too cumbersome, and it does not allow use of the capabilities only available in user space processes. However, building protocols as user space processes must not impair the responsiveness of the communication. Therefore, in this paper we present a layer of a communication protocol, which, due to its complexity, was implemented in a user space process. Lower layers of the protocol are, for responsiveness issues, implemented in the kernel. This protocol was developed to support large-scale power-line communication (PLC) with timing requirements.

Renewable power forecast to scheduling of thermal units

In this work is discussed the importance of the renewable production forecast in an island environment. A probabilistic forecast based on kernel density estimators is proposed. The aggregation of these forecasts, allows the determination of thermal generation amount needed to schedule and operating a power grid of an island with high penetration of renewable generation. A case study based on electric system of S. Miguel Island is presented. The results show that the forecast techniques are an imperative tool help the grid management.

Segmentation of striatal brain structures from high resolution pet images

Dissertation presented at the Faculty of Science and Technology of the New University of Lisbon in fulfillment of the requirements for the Masters degree in Electrical Engineering and Computers

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

Spatial analysis of avoidable hospitalizations due to tuberculosis in Ribeirao Preto, SP, Brazil (2006-2012)

ABSTRACT OBJECTIVE To describe the spatial distribution of avoidable hospitalizations due to tuberculosis in the municipality of Ribeirao Preto, SP, Brazil, and to identify spatial and space-time clusters for the risk of occurrence of these events. METHODS This is a descriptive, ecological study that considered the hospitalizations records of the Hospital Information System of residents of Ribeirao Preto, SP, Southeastern Brazil, from 2006 to 2012. Only the cases with recorded addresses were considered for the spatial analyses, and they were also geocoded. We resorted to Kernel density estimation to identify the densest areas, local empirical Bayes rate as the method for smoothing the incidence rates of hospital admissions, and scan statistic for identifying clusters of risk. Softwares ArcGis 10.2, TerraView 4.2.2, and SaTScanTM were used in the analysis. RESULTS We identified 169 hospitalizations due to tuberculosis. Most were of men (n = 134; 79.2%), averagely aged 48 years (SD = 16.2). The predominant clinical form was the pulmonary one, which was confirmed through a microscopic examination of expectorated sputum (n = 66; 39.0%). We geocoded 159 cases (94.0%). We observed a non-random spatial distribution of avoidable hospitalizations due to tuberculosis concentrated in the northern and western regions of the municipality. Through the scan statistic, three spatial clusters for risk of hospitalizations due to tuberculosis were identified, one of them in the northern region of the municipality (relative risk [RR] = 3.4; 95%CI 2.7–4,4); the second in the central region, where there is a prison unit (RR = 28.6; 95%CI 22.4–36.6); and the last one in the southern region, and area of protection for hospitalizations (RR = 0.2; 95%CI 0.2–0.3). We did not identify any space-time clusters. CONCLUSIONS The investigation showed priority areas for the control and surveillance of tuberculosis, as well as the profile of the affected population, which shows important aspects to be considered in terms of management and organization of health care services targeting effectiveness in primary health care.

Cultural innovation and transmission of tool use in wild chimpanzees:evidence from field experiments

Animal Cognition, V.6, pp. 213-223

O desafio do desenvolvimento rural num contexto de mudança demográfica: Lezíria do Tejo 2001-2021

Dissertação apresentada como requisito parcial para obtenção do grau de Mestre em Estatística e Gestão de Informação

Speculative execution by using software transactional memory

Dissertação apresentada na Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para a obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Informática.