A flexible framework for real-time thermal-aware schedulers using timed continuous petri nets

This work presents TCPN-ThermalSim, a software tool for testing Real-Time Thermal-Aware Schedulers1. This framework consists of four main modules. The first one helps the user to define the problem: Task set with periods, deadlines and worst case execution times in CPU cycles, along with the CPU characteristics, temperature and energy consumption. The second module is the Kernel simulation, which builds up a global simulation model according to the configuration module. In the third module, the user selects the scheduler algorithm. Finally the last module allows the execution of the simulation and present the results. The framework encompasses two modes: Manual and automatic. In manual mode the simulator uses the task set data provided in the first section. In automatic mode the task set is generated by parameterizing the integrated UUniFast algorithm

Control techniques for thermal-aware energy-efficient real time multiprocessor scheduling

La utilización de microprocesadores multinúcleo no sólo es atractiva para la industria sino que en muchos ámbitos es la única opción. La planificación tiempo real sobre estas plataformas es mucho más compleja que sobre monoprocesadores y en general empeoran el problema de sobre-diseño, llevando a la utilización de muchos más procesadores /núcleos de los necesarios. Se han propuesto algoritmos basados en planificación fluida que optimizan la utilización de los procesadores, pero hasta el momento presentan en general inconvenientes que los alejan de su aplicación práctica, no siendo el menor el elevado número de cambios de contexto y migraciones.Esta tesis parte de la hipótesis de que es posible diseñar algoritmos basados en planificación fluida, que optimizan la utilización de los procesadores, cumpliendo restricciones temporales, térmicas y energéticas, con un bajo número de cambios de contexto y migraciones, y compatibles tanto con la generación fuera de línea de ejecutivos cíclicos atractivos para la industria, como de planificadores que integran técnicas de control en tiempo de ejecución que permiten la gestión eficiente tanto de tareas aperiódicas como de desviaciones paramétricas o pequeñas perturbaciones.A este respecto, esta tesis contribuye con varias soluciones. En primer lugar, mejora una metodología de modelo que representa todas las dimensiones del problema bajo un único formalismo (Redes de Petri Continuas Temporizadas). En segundo lugar, propone un método de generación de un ejecutivo cíclico, calculado en ciclos de procesador, para un conjunto de tareas tiempo real duro sobre multiprocesadores que optimiza la utilización de los núcleos de procesamiento respetando también restricciones térmicas y de energía, sobre la base de una planificación fluida. Considerar la sobrecarga derivada del número de cambios de contexto y migraciones en un ejecutivo cíclico plantea un dilema de causalidad: el número de cambios de contexto (y en consecuencia su sobrecarga) no se conoce hasta generar el ejecutivo cíclico, pero dicho número no se puede minimizar hasta que se ha calculado. La tesis propone una solución a este dilema mediante un método iterativo de convergencia demostrada que logra minimizar la sobrecarga mencionada.En definitiva, la tesis consigue explotar la idea de planificación fluida para maximizar la utilización (donde maximizar la utilización es un gran problema en la industria) generando un sencillo ejecutivo cíclico de mínima sobrecarga (ya que la sobrecarga implica un gran problema de los planificadores basados en planificación fluida).Finalmente, se propone un método para utilizar las referencias de la planificación fuera de línea establecida en el ejecutivo cíclico para su seguimiento por parte de un controlador de frecuencia en línea, de modo que se pueden afrontar pequeñas perturbaciones y variaciones paramétricas, integrando la gestión de tareas aperiódicas (tiempo real blando) mientras se asegura la integridad de la ejecución del conjunto de tiempo real duro.Estas aportaciones constituyen una novedad en el campo, refrendada por las publicaciones derivadas de este trabajo de tesis.<br /

Production Scheduling

Generally speaking, scheduling is the procedure of mapping a set of tasks or jobs (studied objects) to a set of target resources efficiently. More specifically, as a part of a larger planning and scheduling process, production scheduling is essential for the proper functioning of a manufacturing enterprise. This book presents ten chapters divided into five sections. Section 1 discusses rescheduling strategies, policies, and methods for production scheduling. Section 2 presents two chapters about flow shop scheduling. Section 3 describes heuristic and metaheuristic methods for treating the scheduling problem in an efficient manner. In addition, two test cases are presented in Section 4. The first uses simulation, while the second shows a real implementation of a production scheduling system. Finally, Section 5 presents some modeling strategies for building production scheduling systems. This book will be of interest to those working in the decision-making branches of production, in various operational research areas, as well as computational methods design. People from a diverse background ranging from academia and research to those working in industry, can take advantage of this volume

Embedded System Design

A unique feature of this open access textbook is to provide a comprehensive introduction to the fundamental knowledge in embedded systems, with applications in cyber-physical systems and the Internet of things. It starts with an introduction to the field and a survey of specification models and languages for embedded and cyber-physical systems. It provides a brief overview of hardware devices used for such systems and presents the essentials of system software for embedded systems, including real-time operating systems. The author also discusses evaluation and validation techniques for embedded systems and provides an overview of techniques for mapping applications to execution platforms, including multi-core platforms. Embedded systems have to operate under tight constraints and, hence, the book also contains a selected set of optimization techniques, including software optimization techniques. The book closes with a brief survey on testing. This fourth edition has been updated and revised to reflect new trends and technologies, such as the importance of cyber-physical systems (CPS) and the Internet of things (IoT), the evolution of single-core processors to multi-core processors, and the increased importance of energy efficiency and thermal issues

Embedded System Design

A unique feature of this open access textbook is to provide a comprehensive introduction to the fundamental knowledge in embedded systems, with applications in cyber-physical systems and the Internet of things. It starts with an introduction to the field and a survey of specification models and languages for embedded and cyber-physical systems. It provides a brief overview of hardware devices used for such systems and presents the essentials of system software for embedded systems, including real-time operating systems. The author also discusses evaluation and validation techniques for embedded systems and provides an overview of techniques for mapping applications to execution platforms, including multi-core platforms. Embedded systems have to operate under tight constraints and, hence, the book also contains a selected set of optimization techniques, including software optimization techniques. The book closes with a brief survey on testing. This fourth edition has been updated and revised to reflect new trends and technologies, such as the importance of cyber-physical systems (CPS) and the Internet of things (IoT), the evolution of single-core processors to multi-core processors, and the increased importance of energy efficiency and thermal issues

Entorno de simulación de planificadores tiempo real para multiprocesadores con restricciones térmicas y de energía

El diseño de algoritmos de planificación tiempo real sobre multiprocesadores es un campo en el que la industria tiene interés, pero es más complejo que el diseño tradicional sobre monoprocesadores. Esa complejidad aumenta aún más si a las restricciones temporales hay que añadir que una mala planificación puede generar puntos calientes en el procesador. Las herramientas de simulación ayudan a evaluar la corrección de las planificaciones cuando las pruebas o condiciones teóricas de planificabilidad no aseguran la existencia o no de una planificación viable, por ser generalmente condiciones suficientes pero no necesarias. El cumplimiento de restricciones térmicas o de energía aún hace más necesarios estos simuladores.Este trabajo presenta un simulador de planificadores de tiempo real sensibles a temperatura y energía para multiprocesadores. Ha sido creado en Python haciendo uso de componentes sin restricciones de licencia, y usa Redes de Petri Continuas Temporizadas (TCPN) para simular el sistema. El entorno se basa en uno previo, al cual va a substituir, creado en Matlab, con problemas que limitan su desarrollo, y con un alto coste computacional y de ocupación de memoria.En el nuevo entorno se mitigan los problemas del anterior logrando un speed-up del x9.1 y una reducción de la ocupación de memoria de x5.4. Estas mejoras se logran modificando la TCPN que simula el sistema, optimizando la resolución de la ecuación de estado de la misma y cambiando las estructuras de datos en las que se almacena la misma.La arquitectura del nuevo entorno es completamente diferente de la anterior, y es ahora modular y escalable. Desacopla el simulador de TCPNs de la definición del modelo de sistema, posibilitando cambiar cualquiera de los dos de forma independiente. Además se realiza lo propio entre la definición de planificadores y el conjunto del simulador, lo que permite definirlos mediante una interfaz simple sin conocer el funcionamiento del resto del entorno.Por otro lado, se añaden características nuevas como la posibilidad de tratar tareas aperiódicas, la inclusión de planificadores con intervalos de planificación variables y la inclusión de frecuencias variables en el procesador. Se ha añadido también un nuevo modelo de interacción con el usuario mediante línea de comandos que permite la simulación por lotes, así como nuevos planificadores.Utilizando el nuevo entorno se realiza una comparación entre los cuatro planificadores implementados, donde se muestran y analiza su viabilidad y comportamiento en varios escenarios, incluyendo el cumplimiento de restricciones térmicas.<br /

Planificación Tiempo Real en multiprocesadores: reducción de cambios de contexto y migraciones en AlECS

El diseño de algoritmos de planificación tiempo real sobre multiprocesadores es un campo en el que la industria tiene interés porque permiten reducir el peso, las dimensiones y el consumo de los sistemas. Uno de los problemas que introducen estos algoritmos es que o bien desperdician tiempo de procesador, o bien introducen sobrecostes al intentar aprovecharlo al máximo, al incrementar las migraciones y cambios de contexto de las tareas.Este trabajo presenta el algoritmo de planificación CAlECS que trabaja con utilización máxima y genera un número de cambios de contextos y migraciones menor que RUN, algoritmo de referencia en este aspecto. La principal novedad en su implementación es el uso de una técnica de clustering (agrupamiento) capaz de obtener planificaciones con utilización máxima, a la vez que permite limitar los procesadores a los que puede migrar cada tarea.Además, genera de forma off-line un ejecutivo cíclico, situándose en la línea de los estándares de la industria de automoción y aeroespacial.También se ha actualizado el entorno de simulación Tertimuss, usado como base experimental durante el trabajo. Se ha renovado completamente su arquitectura y modo de simulación, pasando de simular ciclos de procesador a simular eventos del sistema. Esto reduce de horas a minutos el tiempo de cómputo cuando se simulan grandes volúmenes de experimentos. Tertimuss se ha ampliado con herramientas que permiten el análisis automático de planificaciones obteniendo diferentes métricas (ej. número de cambios de contexto). Se han añadido nuevos métodos de representación de planificaciones, y nuevos algoritmos de planificación y generación de tareas. En la práctica, Tertimuss es más eficiente al usarse como una biblioteca, por lo que se ha modificado sustancialmente la interfaz de programación que ofrece para facilitar su uso en esa forma.Por último, se ha planteado un flujo de trabajo que facilita la aplicación de algoritmos de planificado ejecutados off-line sobre sistemas reales. Este es un flujo de trabajo iterativo, que busca en cada iteración ajustar el máximo tiempo de ejecución de las tareas teniendo en cuenta la planificación de las mismas. Esto permite limitar los sobrecostes que se contabilizan en este. Además, se ha analizado los costes en los que incurre un cambio de contexto y una migración en una placa de desarrollo.<br /

Foundations of Multi-Paradigm Modelling for Cyber-Physical Systems

This open access book coherently gathers well-founded information on the fundamentals of and formalisms for modelling cyber-physical systems (CPS). Highlighting the cross-disciplinary nature of CPS modelling, it also serves as a bridge for anyone entering CPS from related areas of computer science or engineering. Truly complex, engineered systems—known as cyber-physical systems—that integrate physical, software, and network aspects are now on the rise. However, there is no unifying theory nor systematic design methods, techniques or tools for these systems. Individual (mechanical, electrical, network or software) engineering disciplines only offer partial solutions. A technique known as Multi-Paradigm Modelling has recently emerged suggesting to model every part and aspect of a system explicitly, at the most appropriate level(s) of abstraction, using the most appropriate modelling formalism(s), and then weaving the results together to form a representation of the system. If properly applied, it enables, among other global aspects, performance analysis, exhaustive simulation, and verification. This book is the first systematic attempt to bring together these formalisms for anyone starting in the field of CPS who seeks solid modelling foundations and a comprehensive introduction to the distinct existing techniques that are multi-paradigmatic. Though chiefly intended for master and post-graduate level students in computer science and engineering, it can also be used as a reference text for practitioners