VXA: A Virtual Architecture for Durable Compressed Archives

Data compression algorithms change frequently, and obsolete decoders do not always run on new hardware and operating systems, threatening the long-term usability of content archived using those algorithms. Re-encoding content into new formats is cumbersome, and highly undesirable when lossy compression is involved. Processor architectures, in contrast, have remained comparatively stable over recent decades. VXA, an archival storage system designed around this observation, archives executable decoders along with the encoded content it stores. VXA decoders run in a specialized virtual machine that implements an OS-independent execution environment based on the standard x86 architecture. The VXA virtual machine strictly limits access to host system services, making decoders safe to run even if an archive contains malicious code. VXA's adoption of a "native" processor architecture instead of type-safe language technology allows reuse of existing "hand-optimized" decoders in C and assembly language, and permits decoders access to performance-enhancing architecture features such as vector processing instructions. The performance cost of VXA's virtualization is typically less than 15% compared with the same decoders running natively. The storage cost of archived decoders, typically 30-130KB each, can be amortized across many archived files sharing the same compression method.Comment: 14 pages, 7 figures, 2 table

Polymorphic computing abstraction for heterogeneous architectures

Integration of multiple computing paradigms onto system on chip (SoC) has pushed the boundaries of design space exploration for hardware architectures and computing system software stack. The heterogeneity of computing styles in SoC has created a new class of architectures referred to as Heterogeneous Architectures. Novel applications developed to exploit the different computing styles are user centric for embedded SoC. Software and hardware designers are faced with several challenges to harness the full potential of heterogeneous architectures. Applications have to execute on more than one compute style to increase overall SoC resource utilization. The implication of such an abstraction is that application threads need to be polymorphic. Operating system layer is thus faced with the problem of scheduling polymorphic threads. Resource allocation is also an important problem to be dealt by the OS. Morphism evolution of application threads is constrained by the availability of heterogeneous computing resources. Traditional design optimization goals such as computational power and lower energy per computation are inadequate to satisfy user centric application resource needs. Resource allocation decisions at application layer need to permeate to the architectural layer to avoid conflicting demands which may affect energy-delay characteristics of application threads. We propose Polymorphic computing abstraction as a unified computing model for heterogeneous architectures to address the above issues. Simulation environment for polymorphic applications is developed and evaluated under various scheduling strategies to determine the effectiveness of polymorphism abstraction on resource allocation. User satisfaction model is also developed to complement polymorphism and used for optimization of resource utilization at application and network layer of embedded systems

Modeling, Analysis, and Hard Real-time Scheduling of Adaptive Streaming Applications

In real-time systems, the application's behavior has to be predictable at compile-time to guarantee timing constraints. However, modern streaming applications which exhibit adaptive behavior due to mode switching at run-time, may degrade system predictability due to unknown behavior of the application during mode transitions. Therefore, proper temporal analysis during mode transitions is imperative to preserve system predictability. To this end, in this paper, we initially introduce Mode Aware Data Flow (MADF) which is our new predictable Model of Computation (MoC) to efficiently capture the behavior of adaptive streaming applications. Then, as an important part of the operational semantics of MADF, we propose the Maximum-Overlap Offset (MOO) which is our novel protocol for mode transitions. The main advantage of this transition protocol is that, in contrast to self-timed transition protocols, it avoids timing interference between modes upon mode transitions. As a result, any mode transition can be analyzed independently from the mode transitions that occurred in the past. Based on this transition protocol, we propose a hard real-time analysis as well to guarantee timing constraints by avoiding processor overloading during mode transitions. Therefore, using this protocol, we can derive a lower bound and an upper bound on the earliest starting time of the tasks in the new mode during mode transitions in such a way that hard real-time constraints are respected.Comment: Accepted for presentation at EMSOFT 2018 and for publication in IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems (TCAD) as part of the ESWEEK-TCAD special issu

Audio Compression using a Modified Vector Quantization algorithm for Mastering Applications

Audio data compression is used to reduce the transmission bandwidth and storage requirements of audio data. It is the second stage in the audio mastering process with audio equalization being the first stage. Compression algorithms such as BSAC, MP3 and AAC are used as standards in this paper. The challenge faced in audio compression is compressing the signal at low bit rates. The previous algorithms which work well at low bit rates cannot be dominant at higher bit rates and vice-versa. This paper proposes an altered form of vector quantization algorithm which produces a scalable bit stream which has a number of fine layers of audio fidelity. This modified form of the vector quantization algorithm is used to generate a perceptually audio coder which is scalable and uses the quantization and encoding stages which are responsible for the psychoacoustic and arithmetical terminations that are actually detached as practically all the data detached during the prediction phases at the encoder side is supplemented towards the audio signal at decoder stage. Therefore, clearly the quantization phase which is modified to produce a bit stream which is scalable. This modified algorithm works well at both lower and higher bit rates. Subjective evaluations were done by audio professionals using the MUSHRA test and the mean normalized scores at various bit rates was noted and compared with the previous algorithms

Predictable scheduling for digital audio

ManuscriptThis paper presents results from applying the Rialto/ NT scheduler to some real Windows 2000 application scenarios. We report on two aspects of this work. First, we studied the reliability of an audio player application and the middleware and kernel components running beneath it in order to assess its reliability under various concurrent application loads. Then we added CPU Reservations to portions of the workload in order to determine if doing so would increase playback reliability under workloads in which problems were previously seen. We report on the benefits and problems observed when using reservations in these real-world scenarios. We also describe the methodologies we used to analyze the real-time behavior of the operating system and applications, including the use of instrumented kernels to produce execution traces. Finally, we describe several improvements in the Rialto/NT implementation that have been made since the system was originally described

Predictable mapping of streaming applications on multiprocessors

Het ontwerp van nieuwe consumentenelektronica wordt voortdurend complexer omdat er steeds meer functionaliteit in deze apparaten ge¨integreerd wordt. Een voorspelbaar ontwerptraject is nodig om deze complexiteit te beheersen. Het resultaat van dit ontwerptraject zou een systeem moeten zijn, waarin iedere applicatie zijn eigen taken binnen een strikte tijdslimiet kan uitvoeren, onafhankelijk van andere applicaties die hetzelfde systeem gebruiken. Dit vereist dat het tijdsgedrag van de hardware, de software, evenals hun interactie kan worden voorspeld. Er wordt vaak voorgesteld om een heterogeen multi-processor systeem (MPSoC) te gebruiken in moderne elektronische systemen. Een MP-SoC heeft voor veel applicaties een goede verhouding tussen rekenkracht en energiegebruik. Onchip netwerken (NoCs) worden voorgesteld als interconnect in deze systemen. Een NoC is schaalbaar en het biedt garanties wat betreft de hoeveelheid tijd die er nodig is om gegevens te communiceren tussen verschillende processoren en geheugens. Door het NoC te combineren met een voorspelbare strategie om de processoren en geheugens te delen, ontstaat een hardware platform met een voorspelbaar tijdsgedrag. Om een voorspelbaar systeem te verkrijgen moet ook het tijdsgedrag van een applicatie die wordt uitgevoerd op het platform voorspelbaar en analyseerbaar zijn. Het Synchronous Dataflow (SDF) model is erg geschikt voor het modelleren van applicaties die werken met gegevensstromen. Het model kan vele ontwerpbeslissingen modelleren en het is mogelijk om tijdens het ontwerptraject het tijdsgedrag van het systeem te analyseren. Dit proefschrift probeert om applicaties die gemodelleerd zijn met SDF grafen op een zodanige manier af te beelden op een NoC-gebaseerd MP-SoC, dat garanties op het tijdsgedrag van individuele applicaties gegeven kunnen worden. De doorstroomsnelheid van een applicatie is vaak een van de belangrijkste eisen bij het ontwerpen van systemen voor applicaties die werken met gegevensstromen. Deze doorstroomsnelheid wordt in hoge mate be¨invloed door de beschikbare ruimte om resultaten (gegevens) op te slaan. De opslagruimte in een SDF graaf wordt gemodelleerd door de pijlen in de graaf. Het probleem is dat er een vaste grootte voor de opslagruimte aan de pijlen van een SDF graaf moet worden toegewezen. Deze grootte moet zodanig worden gekozen dat de vereiste doorstroomsnelheid van het systeem gehaald wordt, terwijl de benodigde opslagruimte geminimaliseerd wordt. De eerste belangrijkste bijdrage van dit proefschrift is een techniek om de minimale opslagruimte voor iedere mogelijke doorstroomsnelheid van een applicatie te vinden. Ondanks de theoretische complexiteit van dit probleem presteert de techniek in praktijk goed. Doordat de techniek alle mogelijke minimale combinaties van opslagruimte en doorstroomsnelheid vindt, is het mogelijk om met situaties om te gaan waarin nog niet alle ontwerpbeslissingen zijn genomen. De ontwerpbeslissingen om twee taken van een applicatie op ´e´en processor uit te voeren, zou bijvoorbeeld de doorstroomsnelheid kunnen be¨invloeden. Hierdoor is er een onzekerheid in het begin van het ontwerptraject tussen de berekende doorstroomsnelheid en de doorstroomsnelheid die daadwerkelijk gerealiseerd kan worden als alle ontwerpbeslissingen zijn genomen. Tijdens het ontwerptraject moeten de taken waaruit een applicatie is opgebouwd toegewezen worden aan de verschillende processoren en geheugens in het systeem. Indien meerdere taken een processor delen, moet ook de volgorde bepaald worden waarin deze taken worden uitgevoerd. Een belangrijke bijdrage van dit proefschrift is een techniek die deze toewijzing uitvoert en die de volgorde bepaalt waarin taken worden uitgevoerd. Bestaande technieken kunnen alleen omgaan met taken die een ´e´en-op-´e´en relatie met elkaar hebben, dat wil zeggen, taken die een gelijk aantal keren uitgevoerd worden. In een SDF graaf kunnen ook complexere relaties worden uitgedrukt. Deze relaties kunnen omgeschreven worden naar een ´e´en-op-´e´en relatie, maar dat kan leiden tot een exponenti¨ele groei van het aantal taken in de graaf. Hierdoor kan het onmogelijk worden om in een beperkte tijd alle taken aan de processoren toe te wijzen en om de volgorde te bepalen waarin deze taken worden uitgevoerd. De techniek die in dit proefschrift wordt gepresenteerd, kan omgaan met de complexe relaties tussen taken in een SDF graaf zonder de vertaling naar de ´e´en-op-´e´en relaties te maken. Dit is mogelijk dankzij een nieuwe, effici¨ente techniek om de doorstroomsnelheid van SDF grafen te bepalen. Nadat de taken van een applicatie toegewezen zijn aan de processoren in het hardware platform moet de communicatie tussen deze taken op het NoC gepland worden. In deze planning moet voor ieder bericht dat tussen de taken wordt verstuurd, worden bepaald welke route er gebruikt wordt en wanneer de communicatie gestart wordt. Dit proefschrift introduceert drie strategie¨en voor het versturen van berichten met een strikte tijdslimiet. Alle drie de strategie¨en maken maximaal gebruik van de beschikbare vrijheid die moderne NoCs bieden. Experimenten tonen aan dat deze strategie¨en hierdoor effici¨enter omgaan met de beschikbare hardware dan bestaande strategie¨en. Naast deze strategie¨en wordt er een techniek gepresenteerd om uit de ontwerpbeslissingen die gemaakt zijn tijdens het toewijzen van taken aan de processoren alle tijdslimieten af te leiden waarbinnen de berichten over het NoC gecommuniceerd moeten worden. Deze techniek koppelt de eerder genoemde techniek voor het toewijzen van taken aan processoren aan de drie strategie¨en om berichten te versturen over het NoC. Tenslotte worden de verschillende technieken die in dit proefschrift worden ge¨introduceerd gecombineerd tot een compleet ontwerptraject. Het startpunt is een SDF graaf die een applicatie modelleert en een NoC-gebaseerd MP-SoC platform met een voorspelbaar tijdsgedrag. Het doel van het ontwerptraject is het op een zodanige manier afbeelden van de applicatie op het platform dat de doorstroomsnelheid van de applicatie gegarandeerd kan worden. Daarnaast probeert het ontwerptraject de hoeveelheid hardware die gebruikt wordt te minimaliseren. Er wordt een experiment gepresenteerd waarin drie verschillende multimedia applicaties (H.263 encoder/decoder en een MP3 decoder) op een NoCgebaseerd MP-SoC worden afgebeeld. Dit experiment toont aan dat de technieken die in dit proefschrift worden voorgesteld, gebruikt kunnen worden voor het ontwerpen van systemen met een voorspelbaar tijdsgedrag. Hiermee is het voorgestelde ontwerptraject het eerste traject dat een met een SDF-gemodelleerde applicatie op een NoC-gebaseerd MP-SoC kan afbeelden, terwijl er garanties worden gegeven over de doorstroomsnelheid van de applicatie

Two case studies in predictable application scheduling using Rialto/NT

Journal ArticleThis paper analyzes the results of two case studies in applying the Rialto/NT scheduler to real Windows 2000 applications. The first study is of a soft modem-a modem whose signal processing work is performed on the host CPU, rather than on a dedicated signal processing chip. The second is of an audio player application. Both of these are frequently used real-time applications-ones running on systems that were not designed to support predictable real-time execution. To function correctly, both applications require that ongoing computations be performed in a timely manner. In both cases, we first measured an original version designed to run on Windows 2000, and then modified the application to take advantage of ongoing CPU Reservations provided by the Rialto/NT scheduler. We report on the benefits and problems observed when using reservations in these realworld scenarios. In both cases, we found that a real-time scheduler can provide the needed predictability for the application in the presence of competing applications, while also providing other benefits, such as minimizing the soft modem's impact on the scheduling predictability of other computations in the system. We also describe the methodologies we used to analyze the real-time behavior of the operating system and applications during these studies, including the use of instrumented kernels to produce execution traces