Hardware/Software Design of Dynamic Real-Time Schedulers for Embedded Multiprocessor Systems

The new generation of multicore processors opens new perspectives for the design of embedded systems. Multiprocessing, however, poses new challenges to the scheduling of real-time applications, in which the ever-increasing computational demands are constantly flanked by the need of meeting critical time constraints. Many research works have contributed to this field introducing new advanced scheduling algorithms. However, despite many of these works have solidly demonstrated their effectiveness, the actual support for multiprocessor real-time scheduling offered by current operating systems is still very limited. This dissertation deals with implementative aspects of real-time schedulers in modern embedded multiprocessor systems. The first contribution is represented by an open-source scheduling framework, which is capable of realizing complex multiprocessor scheduling policies, such as G-EDF, on conventional operating systems exploiting only their native scheduler from user-space. A set of experimental evaluations compare the proposed solution to other research projects that pursue the same goals by means of kernel modifications, highlighting comparable scheduling performances. The principles that underpin the operation of the framework, originally designed for symmetric multiprocessors, have been further extended first to asymmetric ones, which are subjected to major restrictions such as the lack of support for task migrations, and later to re-programmable hardware architectures (FPGAs). In the latter case, this work introduces a scheduling accelerator, which offloads most of the scheduling operations to the hardware and exhibits extremely low scheduling jitter. The realization of a portable scheduling framework presented many interesting software challenges. One of these has been represented by timekeeping. In this regard, a further contribution is represented by a novel data structure, called addressable binary heap (ABH). Such ABH, which is conceptually a pointer-based implementation of a binary heap, shows very interesting average and worst-case performances when addressing the problem of tick-less timekeeping of high-resolution timers.

Dynamic distance analysis : new geometric data structures and algorithms for the real-time calculation of tolerance violating regions in the digital mockup process

In vielen Industriezweigen, zum Beispiel in der Automobilindustrie, werden Digitale Versuchsmodelle (Digital MockUps) eingesetzt, um die Konstruktion und die Funktion eines Produkts am virtuellen Prototypen zu überprüfen. Ein Anwendungsfall ist dabei die Überprüfung von Sicherheitsabständen einzelner Bauteile, die sogenannte Abstandsanalyse. Ingenieure ermitteln dabei für bestimmte Bauteile, ob diese in ihrer Ruhelage sowie während einer Bewegung einen vorgegeben Sicherheitsabstand zu den umgebenden Bauteilen einhalten. Unterschreiten Bauteile den Sicherheitsabstand, so muss deren Form oder Lage verändert werden. Dazu ist es wichtig, die Bereiche der Bauteile, welche den Sicherhabstand verletzen, genau zu kennen. rnrnIn dieser Arbeit präsentieren wir eine Lösung zur Echtzeitberechnung aller den Sicherheitsabstand unterschreitenden Bereiche zwischen zwei geometrischen Objekten. Die Objekte sind dabei jeweils als Menge von Primitiven (z.B. Dreiecken) gegeben. Für jeden Zeitpunkt, in dem eine Transformation auf eines der Objekte angewendet wird, berechnen wir die Menge aller den Sicherheitsabstand unterschreitenden Primitive und bezeichnen diese als die Menge aller toleranzverletzenden Primitive. Wir präsentieren in dieser Arbeit eine ganzheitliche Lösung, welche sich in die folgenden drei großen Themengebiete unterteilen lässt.rnrnIm ersten Teil dieser Arbeit untersuchen wir Algorithmen, die für zwei Dreiecke überprüfen, ob diese toleranzverletzend sind. Hierfür präsentieren wir verschiedene Ansätze für Dreiecks-Dreiecks Toleranztests und zeigen, dass spezielle Toleranztests deutlich performanter sind als bisher verwendete Abstandsberechnungen. Im Fokus unserer Arbeit steht dabei die Entwicklung eines neuartigen Toleranztests, welcher im Dualraum arbeitet. In all unseren Benchmarks zur Berechnung aller toleranzverletzenden Primitive beweist sich unser Ansatz im dualen Raum immer als der Performanteste.rnrnDer zweite Teil dieser Arbeit befasst sich mit Datenstrukturen und Algorithmen zur Echtzeitberechnung aller toleranzverletzenden Primitive zwischen zwei geometrischen Objekten. Wir entwickeln eine kombinierte Datenstruktur, die sich aus einer flachen hierarchischen Datenstruktur und mehreren Uniform Grids zusammensetzt. Um effiziente Laufzeiten zu gewährleisten ist es vor allem wichtig, den geforderten Sicherheitsabstand sinnvoll im Design der Datenstrukturen und der Anfragealgorithmen zu beachten. Wir präsentieren hierzu Lösungen, die die Menge der zu testenden Paare von Primitiven schnell bestimmen. Darüber hinaus entwickeln wir Strategien, wie Primitive als toleranzverletzend erkannt werden können, ohne einen aufwändigen Primitiv-Primitiv Toleranztest zu berechnen. In unseren Benchmarks zeigen wir, dass wir mit unseren Lösungen in der Lage sind, in Echtzeit alle toleranzverletzenden Primitive zwischen zwei komplexen geometrischen Objekten, bestehend aus jeweils vielen hunderttausend Primitiven, zu berechnen. rnrnIm dritten Teil präsentieren wir eine neuartige, speicheroptimierte Datenstruktur zur Verwaltung der Zellinhalte der zuvor verwendeten Uniform Grids. Wir bezeichnen diese Datenstruktur als Shrubs. Bisherige Ansätze zur Speicheroptimierung von Uniform Grids beziehen sich vor allem auf Hashing Methoden. Diese reduzieren aber nicht den Speicherverbrauch der Zellinhalte. In unserem Anwendungsfall haben benachbarte Zellen oft ähnliche Inhalte. Unser Ansatz ist in der Lage, den Speicherbedarf der Zellinhalte eines Uniform Grids, basierend auf den redundanten Zellinhalten, verlustlos auf ein fünftel der bisherigen Größe zu komprimieren und zur Laufzeit zu dekomprimieren.rnrnAbschießend zeigen wir, wie unsere Lösung zur Berechnung aller toleranzverletzenden Primitive Anwendung in der Praxis finden kann. Neben der reinen Abstandsanalyse zeigen wir Anwendungen für verschiedene Problemstellungen der Pfadplanung.

Increasing Realism and Supporting Content Planning for Dynamic Scenes in a Mixed Reality System incorporating a Time-of-Flight Camera

For broadcasting purposes MIXED REALITY, the combination of real and virtual scene content, has become ubiquitous nowadays. Mixed Reality recording still requires expensive studio setups and is often limited to simple color keying. We present a system for Mixed Reality applications which uses depth keying and provides threedimensional mixing of real and artificial content. It features enhanced realism through automatic shadow computation which we consider a core issue to obtain realism and a convincing visual perception, besides the correct alignment of the two modalities and correct occlusion handling. Furthermore we present a possibility to support placement of virtual content in the scene. Core feature of our system is the incorporation of a TIME-OF-FLIGHT (TOF)-camera device. This device delivers real-time depth images of the environment at a reasonable resolution and quality. This camera is used to build a static environment model and it also allows correct handling of mutual occlusions between real and virtual content, shadow computation and enhanced content planning. The presented system is inexpensive, compact, mobile, flexible and provides convenient calibration procedures. Chroma-keying is replaced by depth-keying which is efficiently performed on the GRAPHICS PROCESSING UNIT (GPU) by the usage of an environment model and the current ToF-camera image. Automatic extraction and tracking of dynamic scene content is herewith performed and this information is used for planning and alignment of virtual content. An additional sustainable feature is that depth maps of the mixed content are available in real-time, which makes the approach suitable for future 3DTV productions. The presented paper gives an overview of the whole system approach including camera calibration, environment model generation, real-time keying and mixing of virtual and real content, shadowing for virtual content and dynamic object tracking for content planning.

A Dynamic Stochastic Frontier Production Model with Time-Varying Efficiency

In this paper we introduce technical efficiency via the intercept that evolve over time as a AR(1) process in a stochastic frontier (SF) framework in a panel data framework. Following are the distinguishing features of the model. First, the model is dynamic in nature. Second, it can separate technical inefficiency from fixed firm-specific effects which are not part of inefficiency. Third, the model allows one to estimate technical change separate from change in technical efficiency. We propose the ML method to estimate the parameters of the model. Finally, we derive expressions to calculate/predict technical inefficiency (efficiency).