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JavaFlow : a Java DataFlow Machine
textThe JavaFlow, a Java DataFlow Machine is a machine design concept implementing a Java Virtual Machine aimed at addressing technology roadmap issues along with the ability to effectively utilize and manage very large numbers of processing cores. Specific design challenges addressed include: design complexity through a common set of repeatable structures; low power by featuring unused circuits and ability to power off sections of the chip; clock propagation and wire limits by using locality to bring data to processing elements and a Globally Asynchronous Locally Synchronous (GALS) design; and reliability by allowing portions of the design to be bypassed in case of failures. A Data Flow Architecture is used with multiple heterogeneous networks to connect processing elements capable of executing a single Java ByteCode instruction. Whole methods are cached in this DataFlow fabric, and the networks plus distributed intelligence are used for their management and execution. A mesh network is used for the DataFlow transfers; two ordered networks are used for management and control flow mapping; and multiple high speed rings are used to access the storage subsystem and a controlling General Purpose Processor (GPP). Analysis of benchmarks demonstrates the potential for this design concept. The design process was initiated by analyzing SPEC JVM benchmarks which identified a small number methods contributing to a significant percentage of the overall ByteCode operations. Additional analysis established static instruction mixes to prioritize the types of processing elements used in the DataFlow Fabric. The overall objective of the machine is to provide multi-threading performance for Java Methods deployed to this DataFlow fabric. With advances in technology it is envisioned that from 1,000 to 10,000 cores/instructions could be deployed and managed using this structure. This size of DataFlow fabric would allow all the key methods from the SPEC benchmarks to be resident. A baseline configuration is defined with a compressed dataflow structure and then compared to multiple configurations of instruction assignments and clock relationships. Using a series of methods from the SPEC benchmark running independently, IPC (Instructions per Cycle) performance of the sparsely populated heterogeneous structure is 40% of the baseline. The average ratio of instructions to required nodes is 3.5. Innovative solutions to the loading and management of Java methods along with the translation from control flow to DataFlow structure are demonstrated.Electrical and Computer Engineerin
The Impact of Java Applications at Microarchitectural Level from Branch Prediction Perspective
The portability, the object-oriented and distributed programming models, multithreading support and automatic garbage collection are features that make Java very attractive for application developers. The main goal of this paper consists in pointing out the impact of Java applications at microarchitectural level from two perspectives: unbiased branches and indirect jumps/calls, such branches limiting the ceiling of dynamic branch prediction and causing significant performance degradation. Therefore, accurately predicting this kind of branches remains an open problem. The simulation part of the paper mainly refers to determining the context length influence on the percentage of unbiased branches from Java applications, the prediction accuracy and the usage degree obtained using a Fast Path-Based Perceptron predictor. We realize a comparison with C/C++ application behavior from unbiased branches perspective. We also analyze some Java testing programs, built using design patterns or including inheritance, polymorphism, backtracking and recursivity, in order to determine the features of indirect branches, the arity of each indirect jump and the prediction accuracy using the Target Cache predictor
HW-SW co-design techniques for modern programming languages
Modern programming languages raise the level of abstraction, hide the details of computer systems from programmers, and provide many convenient features. Such strong abstraction from the details of computer systems with runtime support of many convenient features increases the productivity of programmers.
Such benefits, however, come with performance overheads. First, many of modern programming languages use a dynamic type system which incurs overheads of profiling program execution and generating specialized codes in the middle of execution. Second, such specialized codes constantly add overheads of dynamic type checks. Third, most of modern programming languages use automatic memory management which incurs memory overheads due to metadata and delayed reclamation as well as execution time overheads due to garbage collection operations.
This thesis makes three contributions to address the overheads of modern programming languages. First, it describes the enhancements to the compiler of dynamic scripting languages necessary to enable sharing of compilation results across executions. These compilers have been developed with little consideration for reusing optimization efforts across executions since it is considered difficult due to dynamic nature of the languages. As a first step toward enabling the reuse of compilation results of dynamic scripting languages, it focuses on inline caching (IC) which is one of the fundamental optimization techniques for dynamic type systems. Second, it describes a HW-SW co-design technique to further improve IC operations. While the first proposal focuses on expensive IC miss handling during JavaScript initialization, the second proposal accelerates IC hit operations to improve the overall performance. Lastly, it describes how to exploit common sharing patterns of programs to reduce overheads of reference counting for garbage collection. It minimizes atomic operations in reference counting by biasing each object to a specific thread
Low-Level Haskell Code: Measurements and Optimization Techniques
Haskell is a lazy functional language with a strong static type system and
excellent support for parallel programming. The language features of Haskell
make it easier to write correct and maintainable programs, but execution speed
often suffers from the high levels of abstraction. While much past research
focuses on high-level optimizations that take advantage of the functional
properties of Haskell, relatively little attention has been paid to the
optimization opportunities in the low-level imperative code generated during
translation to machine code. One problem with current low-level optimizations
is that their effectiveness is limited by the obscured control flow caused by
Haskell's high-level abstractions. My thesis is that trace-based optimization
techniques can be used to improve the effectiveness of low-level optimizations
for Haskell programs. I claim three unique contributions in this work.
The first contribution is to expose some properties of low-level Haskell codes
by looking at the mix of operations performed by the selected benchmark codes
and comparing them to the low-level codes coming from traditional programming
languages. The low-level measurements reveal that the control flow is obscured
by indirect jumps caused by the implementation of lazy evaluation,
higher-order functions, and the separately managed stacks used by Haskell
programs.
My second contribution is a study on the effectiveness of a dynamic binary
trace-based optimizer running on Haskell programs. My results show that while
viable program traces frequently occur in Haskell programs the overhead
associated with maintaing the traces in a dynamic optimization system outweigh
the benefits we get from running the traces. To reduce the runtime overheads,
I explore a way to find traces in a separate profiling step.
My final contribution is to build and evaluate a static trace-based optimizer
for Haskell programs. The static optimizer uses profiling data to find traces
in a Haskell program and then restructures the code around the traces to
increase the scope available to the low-level optimizer. My results show that
we can successfully build traces in Haskell programs, and the optimized code
yields a speedup over existing low-level optimizers of up to 86%
with an average speedup of 5% across 32 benchmarks
Design and evaluation of a VLIW processor for real-time systems
Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Automação e Sistemas, Florianópolis, 2016.Atualmente, aplicações de tempo estão tornando-se cada vez mais complexas e, conforme os requisitos destes sistemas aumentam, maior é a demanda por capacidade de processamento. Contudo, o correto funcionamento destas aplicações não está em função somente da correta resposta lógica, mas também no tempo que ela é produzida. O projeto de processadores de propósito geral gera dificuldades para análises de tempo real devido ao seu comportamento não determinista causado pelo uso de memórias cache, previsores de fluxo dinâmicos, execução especulativa e fora de ordem. Nesta tese, investiga-se uma arquitetura de processador Very-Long Instruction Word (VLIW) especificamente projetada para sistemas de tempo real considerando sua análise do pior tempo de computação (Worst-case Execution Time WCET). Técnicas para obtenção do WCET para máquinas VLIW são consideradas e quantifica-se a importância de técnicas de hardware como previsor de fluxo estático, predicação, bem como velocidade do processador para instruções complexas como acesso a memória e multiplicação. Arquitetura de memória não faz parte do escopo deste trabalho e para tal utilizamos uma estrutura determinista formada por uma memória cache com mapeamento direto para instruções e uma memória de rascunho (scratchpad) para dados. Nós também consideramos a implementação em VHDL do protótipo para inferir suas características temporais mantendo compatibilidade com o conjunto de instruções (ISA) HP VLIW ST231. Em termos de avaliação, foi utilizado um conjunto representativo de código exemplos da Universidade de Mälardalen que é amplamente utilizado em avaliações de sistemas de tempo real.Abstract : Nowadays, many real-time applications are very complex and as the complexity and the requirements of those applications become more demanding, more hardware processing capacity is necessary. The correct functioning of real-time systems depends not only on the logically correct response, but also on the time when it is produced. General purpose processor design fails to deliver analyzability due to their non-deterministic behavior caused by the use of cache memories, dynamic branch prediction, speculative execution and out-of-order pipelines. In this thesis, we design and evaluate the performance of VLIW (Very Long Instruction Word) architectures for real-time systems with an in-order pipeline considering WCET (Worst-case Execution Time) performance. Techniques on obtaining the WCET of VLIW machines are also considered and we make a quantification on how important are hardware techniques such as static branch prediction, predication, pipeline speed of complex operations such as memory access and multiplication for high-performance real-time systems. The memory hierarchy is out of scope of this thesis and we used a classic deterministic structure formed by a direct mapped instruction cache and a data scratchpad memory. A VLIW prototype was implemented in VHDL from scratch considering the HP VLIW ST231 ISA. We also show some compiler insights and we use a representative subset of the Mälardalen s WCET benchmarks for validation and performance quantification. Supporting our objective to investigate and evaluate hardware features which reconcile determinism and performance, we made the following contributions: design space investigation and evaluation regarding VLIW processors, complete WCET analysis for the proposed design, complete VHDL design and timing characterization, detailed branch architecture, low-overhead full-predication system for VLIW processors
A Survey of Symbolic Execution Techniques
Many security and software testing applications require checking whether
certain properties of a program hold for any possible usage scenario. For
instance, a tool for identifying software vulnerabilities may need to rule out
the existence of any backdoor to bypass a program's authentication. One
approach would be to test the program using different, possibly random inputs.
As the backdoor may only be hit for very specific program workloads, automated
exploration of the space of possible inputs is of the essence. Symbolic
execution provides an elegant solution to the problem, by systematically
exploring many possible execution paths at the same time without necessarily
requiring concrete inputs. Rather than taking on fully specified input values,
the technique abstractly represents them as symbols, resorting to constraint
solvers to construct actual instances that would cause property violations.
Symbolic execution has been incubated in dozens of tools developed over the
last four decades, leading to major practical breakthroughs in a number of
prominent software reliability applications. The goal of this survey is to
provide an overview of the main ideas, challenges, and solutions developed in
the area, distilling them for a broad audience.
The present survey has been accepted for publication at ACM Computing
Surveys. If you are considering citing this survey, we would appreciate if you
could use the following BibTeX entry: http://goo.gl/Hf5FvcComment: This is the authors pre-print copy. If you are considering citing
this survey, we would appreciate if you could use the following BibTeX entry:
http://goo.gl/Hf5Fv
Contributions to worst-case execution time reduction using compilation techniques
Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Automação e Sistemas, Florianópolis, 2017Abstract: A wide range of systems are distinct from the general purpose computingsystems due to the need of satisfying rigorous timing requirements, oftenunder the constraint of available resources, they are generally called realtimesystems. The development of a predictable system is concerned withthe challenges of building systems whose time requirements can be guaranteeda priori. Although, these challenges become even greater when usingprocessors architectural features for performance increase, as cachesand pipelines, which introduce a high degree of uncertainty, making difficultto provide any kind of guarantee. Parallel to this, there are the toolsneeded to develop and execute an application, such as languages, compilers,runtime support, communication systems and scheduling, which mayfurther make difficult the assertion of guarantees. In these systems, theresults of computations must be generated at the right time and faults oftemporal nature can result in catastrophic consequences both in the economicsense as in human lives. These systems are present in countlessapplications, such as in industrial plants, aviation, and the complexity ofthem imposes serious restrictions on the hardware that can be used. Toprovide timing guarantees, we must know the worst-case execution timefor each tasks of the system. In a general purpose architecture aimed atthe average case, the execution time of a program or task can be so greatin the worst case that invalidates the design constraints, or even be impossibleto be calculated or estimated with a reasonable effort. In thisthesis, we integrate compilation with WCET calculation. A compiler canprovide relevant data to facilitate the process of WCET estimation. Toimprove this process, we also use an architecture whose purpose is toconciliate performance with determinism. Considering compilation andWCET integration we present the following contributions: (1) a differentway to perform loop unrolling on data-dependent loops using codepredication targeting WCET reduction, because existing techniques onlyconsider loops with fixed execution counts. (2) considering static branchpredication techniques, we show that a very small gain or even none canbe obtained with new optimization techniques targeted to worst-case executiontime reduction. To achieve this objective, we compare several techniquesagainst the perfect branch predictor. (3) the difference between theWCET of a task and its actual execution time is called gain time. Wepropose a technique that finds specific points of a program (called gainpoints), where there will be an amount of statically estimated gain time inthe case that path is taken by the execution.Uma grande gama de sistemas se distinguem dos sistemas de computaçãode propósito geral pela necessidade de satisfação de requisitos detemporização rigorosos. O desenvolvimento de um sistema previsível preocupasecom os desafios de construção de sistemas cujos requisitos temporais possamser garantidos a priori. Estes desafios tornam-se ainda maiores quandose utiliza recursos arquiteturais para aumento de performance, como cachese pipelines, os quais introduzem um alto grau de incertezas, tornando difícilo provimento de qualquer tipo de garantia. Paralelamente a isto, existem asferramentas necessárias ao desenvolvimento e execução da aplicação, comolinguagens, compiladores, runtime de execução, sistemas de comunicação eescalonamento, os quais podem dificultar ainda mais a asserção de garantias.Nestes sistemas, os resultados das computações devem estar corretosnão somente do ponto de vista lógico, mas também devem ser gerados nomomento correto. As falhas de natureza temporal nestes sistemas são, emalguns casos, consideradas críticas no que diz respeito às suas consequências.Nos sistemas tempo real críticos (hard real-time) o não atendimento de umrequisito temporal pode resultar em consequências catastróficas tanto no sentidoeconômico quanto em vidas humanas. Quando os requisitos temporaisnão são críticos (soft real-time) eles apenas descrevem o comportamento desejado.O não atendimento de tais requisitos reduz a utilidade da aplicaçãomas não a elimina completamente nem resulta em consequências catastróficas.Estes sistemas estão presentes em diversas aplicações, como em plantasindustriais, aviação e eletrônica automotiva, telecomunicações e sistemasespaciais. Em várias destas aplicações, a complexidade dos sistemas de softwareimpõe sérias restrições quanto ao hardware que poderá ser utilizado.Este deverá ter capacidade suficiente para sustentar a aplicação em questão,além de poder estar submetido a restrições não funcionais do projeto, comocusto e eficiência energética.Arquiteturas modernas e de propósito geral possuem como premissabásica aquela que diz que os programas devem executar o mais rápido possívelna maioria das vezes. Este tempo médio é geralmente chamado deACET - Average-case Execution Time. Entretanto, em alguns casos, o tempode uma execução de uma aplicação poderá ser grande em relação ao caso médio,mas ainda estará amortizado entre as diversas execuções do programa.Esta priorização de caso médio impõe certas problemáticas quanto à utilizaçãodeste tipo de arquitetura em sistemas de tempo real. Tais sistemas podemexigir garantias de tempo de execução difíceis de serem obtidas ou muitasvezes inviáveis. Estas garantias exigem o conhecimento do pior tempo deexecução de um programa ou tarefa em um determinado processador, o qualgeralmente é chamado de WCET - Worst-case Execution Time. Em uma arquiteturade propósito geral que vise o caso médio, o tempo de execução nopior caso de um programa ou tarefa pode ser tão grande que inviabilize asrestrições de projeto, ou mesmo ser impossível de ser estimado.Atualmente, existem vertentes acadêmicas que sugerem a utilização deprocessadores e arquiteturas voltadas para aplicações de tempo real. Taisarquiteturas adotam características de hardware que tornam as análises referentesà obtenção de WCET mais simples e rápidas.Uma característica importante é que o desempenho em arquiteturas específicas,como as voltadas para tempo real, pode estar intimamente relacionadoao compilador e as técnicas de compilação empregadas, como exploraçãoestática de paralelismo. Dada a possibilidade de ser obter o WCET deprogramas para uma arquitetura específica, pode-se utilizar estas informaçõesno processo de otimização incremental dos mesmos. Estas otimizações visama redução do WCET, visto que abordagens tradicionais de transformação decódigo feitas por compilador podem até mesmo aumentar o WCET de umprograma.ObjetivosO objetivo deste trabalho é contribuir com aspectos relacionados à compilaçãopara sistemas de tempo real, cujo objetivo primário seja a reduçãode WCET ou melhoria de aspectos relacionados à escalonabilidade. A tesea ser demonstrada é que o íntimo acoplamento de um compilador com umanalisador WCET pode beneficiar tanto a análise quanto a síntese de um programaexecutável ou sistema completo para uma arquitetura determinista. Autilização de uma arquitetura determinista representa uma característica importantedeste trabalho, bem como o desenvolvimento do respectivo analisadorWCET.Dentre os elementos relacionados ao compilador essenciais para a reduçãodo WCET, pode-se citar: Mecanismos para o cálculo de WCET de programas em processo decompilação. Isto implica acoplamento do compilador com o analisadordesenvolvido. Identificação de potenciais pontos a serem beneficiados por otimizações.Este processo envolve interpretação dos resultados do analisador. Descarte de alterações de códigos que aumentem o WCET. Novamente,decisões deverão ser tomadas com base em análises sucessivas.Além dos elementos relacionados, podemos destacar a eficiência doprocesso. O uso de uma arquitetura projetada para aplicações em tempo realpermite o uso de um analisador muito mais rápido e preciso, que visa trazereficiência ao processo. Embora a arquitetura se baseie em um ISA comercial,não existe compilador livre disponível para esta, então, a implementação deum gerador de código inteiramente funcional fez-se necessária como requisitopara realização do trabalho de tese.Entre os elementos considerados como foco desta tese, têm-se: Técnicas de loop unrolling: Laços são frequentemente bons candidatosalvopara otimizações de compilação para extrair o desempenho emprocessadores modernos. Algumas técnicas foram propostas na literaturapara alcançar a redução do WCET usando o loop unrolling, comoem (ZHAO et al., 2006) e (LOKUCIEJEWSKI; MARWEDEL, 2010).Nestes trabalhos, apenas os laços com contagens de execução fixas sãoconsiderados. Previsão estática de desvios: Previsores de desvio são utilizados paraaumentar o desempenho de programas em arquiteturas modernas. Previsoresestáticos podem depender do compilador para definir o comportamentode cada desvio condicional. Esse comportamento é entãoadotado pelo processador para toda a execução do programa. O uso daprevisão estática de desvio como mecanismo para redução do tempo deexecução de pior caso é uma alternativa conhecida e foi primeiramenteproposta por (BODIN; PUAUT, 2005) e (BURGUIERE et al., 2005). Identificação de tempo ganho em programas: Tempo ganho (ou gaintime) (AUDSLEY et al., 1994) (AVILA et al., 2003) (HU et al., 2002)(HU et al., 2003) é a diferença entre o WCET de uma tarefa e o tempode execução real. Uma abordagem comum é identificar o gain timeem tempo de execução comparando o tempo de execução real (medido)com o WCET calculado estaticamente. A identificação do tempo deganho precoce é útil para aumentar a utilização do sistema em tempo deexecução e para economizar energia do sistema, por exemplo.Alcançar a redução do pior tempo de computação em tarefas que compõemum sistema de tempo real é importante pois permite que recursos computacionaisnão sejam desperdiçados, impactando diretamente no custo. Outraimportância para tal redução é a aceitação de tarefas do tipo soft real-time,pois quanto menor o WCET das tarefas do tipo hard, mais tempo de processadorpode ser alocado para este tipo de tarefa.ContribuiçõesAs contribuições desta tese para o estado da arte são:1. A proposição de uma maneira diferente de executar o loop unrollingsobre laços cujas execuções são dependentes de dados usando a predicaçãode código visando redução de WCET, porque as técnicas existentesconsideram apenas laços com contagens de execução fixas. A técnicaproposta também foi combinada com abordagens de loop unrollingexistentes. Os resultados mostraram que esta combinação pode produziragressivas reduções de WCET quando comparadas com o códigooriginal.2. Em relação às técnicas de predição estática de desvios, são mostradosque somente ganhos pequenos ou mesmo nenhum ganho pode ser obtidocom novas técnicas de otimização direcionadas para a redução do tempode execução do pior caso. Para alcançar esse objetivo, foram comparadasvárias técnicas contra o previsor de desvio perfeito. Este previsorpermite estimar a redução máxima de WCET que pode ser obtida comabordagens estáticas. Além da técnica clássica da literatura, foi incluídana comparação uma nova técnica centrada em WCET que atua comouma abordagem de força bruta para aproximar os resultados do preditorperfeito. A comparação também inclui técnicas de compilação nãodiretamente orientadas para redução de WCET. Como resultado, sãomostradas que as técnicas consideradas nesta tese estão próximas do resultadoótimo obtido pelo previsor perfeito. Também é mostrado quea técnica proposta produz resultados ligeiramente melhores do que asdemais técnicas. Como contribuição secundária, é mostrado que as técnicasinconscientes de WCET também podem ser usadas em ambientesem tempo real porque apresentam bons resultados e baixa complexidade.As técnicas de previsão foram avaliadas usando um conjunto deexemplos dos benchmarks para WCET de Mälardalen.3. Um problema do WCET é que ele é relativo a um único caminho de execução,especificamente o caminho de execução do pior caso (WCEP).Quando uma aplicação em tempo real executa sobre um caminho diferentedo WCEP, seu tempo de execução será provavelmente menor doque o WCET. A diferença entre o WCET de uma tarefa e seu tempo deexecução real é chamado de tempo ganho. Neste trabalho, é propostauma técnica que encontra pontos específicos de um programa (chamadospontos de ganho), onde haverá uma quantidade de tempo ganhoestimado estaticamente no caso de esse caminho ser tomado pela execução.Como estudo de caso, é apresentado o tempo ganho obtido pelaaplicação estratégia proposta a um benchmark da série de benchmarkspara WCET de Mälardalen. Para o benchmark selecionado, foram identificadosvários pontos de ganho e alguns deles com uma quantidadesignificativa de tempo ganho detectado estaticamente.ConclusãoSistemas de tempo real estão presentes em diversos segmentos da indústria,desde sistemas aviônicos a eletrônica automotiva, passando por sistemasindustriais. No passado, tais sistemas eram bastante simples, considerandoa demanda por recursos computacionais e interdependência entretarefas. Porém hoje o cenário é outro: têm-se aplicações com altíssimo nívelde complexidade, por vezes geradas sem intervenção humana a partir de modelosformais. Cada tarefa componente destas aplicações possui seu próprioprazo e por vezes depende de resultados provenientes de outras tarefas (possivelmenteatravés de uma rede), levando a necessidade de estimativa tambémde prazos fim-a-fim.Levantado o cenário anterior, percebe-se que processadores simples,como microcontroladores, não são capazes de atender aplicações de temporeal como atendiam no passado. Neste caso, torna-se necessária a utilizaçãode processadores com maior capacidade computacional, com mecanismos deaumento desempenho, como pipelines, caches e execução especulativa. Oproblema com estes mecanismos é a dificuldade de cálculo do pior caso notempo de computação, devido a fatores como anomalias temporais. Entretanto,algumas vertentes da literatura sugerem o uso de arquiteturas voltadaspara tempo-real, ou seja, deterministas.Neste trabalho, foi objetivada a geração e otimização de código parauma arquitetura determinista mas com mecanismos de aumento de performance.O objetivo primário foi a redução de WCET de programas, bemcomo o levantamento de alguns parâmetros úteis no projeto de um sistemade tempo real. A redução de WCET importante para não sobre-dimensionarsistemas, não desperdiçando assim, recursos computacionais. A utilizaçãode uma arquitetura determinista aliada a redução de WCET induz a sistemasbem dimensionados em termos de recursos.Usando técnicas como loop unrolling usando predicação de código eprevisão estática de desvios, foi possível reduzir o pior caso no tempo decomputação de tarefas. A caracterização de tempo ganho, do ponto de vistapuramente estático, também pôde ser alcançada neste trabalho
Comunicações veiculares híbridas
Vehicle Communications is a promising research field, with a great potential for
the development of new applications capable of improving road safety, traffic efficiency,
as well as passenger comfort and infotainment. Vehicle communication
technologies can be short-range, such as ETSI ITS-G5 or the 5G PC5 sidelink
channel, or long-range, using the cellular network (LTE or 5G). However, none of
the technologies alone can support the expected variety of applications for a large
number of vehicles, nor all the temporal and spatial requirements of connected
and autonomous vehicles. Thus, it is proposed the collaborative or hybrid use of
short-range communications, with lower latency, and of long-range technologies,
potentially with higher latency, but integrating aggregated data of wider geographic
scope.
In this context, this work presents a hybrid vehicle communications model, capable
of providing connectivity through two Radio Access Technologies (RAT), namely,
ETSI ITS-G5 and LTE, to increase the probability of message delivery and, consequently,
achieving a more robust, efficient and secure vehicle communication
system. The implementation of short-range communication channels is done using
Raw Packet Sockets, while the cellular connection is established using the Advanced
Messaging Queuing Protocol (AMQP) protocol.
The main contribution of this dissertation focuses on the design, implementation
and evaluation of a Hybrid Routing Sublayer, capable of isolating messages that
are formed/decoded from transmission/reception processes. This layer is, therefore,
capable of managing traffic coming/destined to the application layer of intelligent
transport systems (ITS), adapting and passing ITS messages between the highest
layers of the protocol stack and the available radio access technologies.
The Hybrid Routing Sublayer also reduces the financial costs due to the use of
cellular communications and increases the efficiency of the use of the available
electromagnetic spectrum, by introducing a cellular link controller using a Beacon
Detector, which takes informed decisions related to the need to connect to a cellular
network, according to different scenarios.
The experimental results prove that hybrid vehicular communications meet the requirements
of cooperative intelligent transport systems, by taking advantage of
the benefits of both communication technologies. When evaluated independently,
the ITS-G5 technology has obvious advantages in terms of latency over the LTE
technology, while the LTE technology performs better than ITS-G5, in terms of
throughput and reliability.As Comunicações Veiculares são um campo de pesquisa promissor, com um grande
potencial de desenvolvimento de novas aplicações capazes de melhorar a segurança
nas estradas, a eficiência do tráfego, bem com o conforto e entretenimento dos
passageiros. As tecnologias de comunicação veícular podem ser de curto alcance,
como por exemplo ETSI ITS-G5 ou o canal PC5 do 5G, ou de longo alcance, recorrendo
à rede celular (LTE ou 5G). No entanto, nenhuma das tecnologias por
si só, consegue suportar a variedade expectável de aplicações para um número de
veículos elevado nem tampouco todos os requisitos temporais e espaciais dos veículos
conectados e autónomos. Assim, é proposto o uso colaborativo ou híbrido de
comunicações de curto alcance, com latências menores, e de tecnologias de longo
alcance, potencialmente com maiores latências, mas integrando dados agregados
de maior abrangência geográfica.
Neste contexto, este trabalho apresenta um modelo de comunicações veiculares
híbrido, capaz de fornecer conectividade por meio de duas Tecnologias de Acesso
por Rádio (RAT), a saber, ETSI ITS-G5 e LTE, para aumentar a probabilidade de
entrega de mensagens e, consequentemente, alcançar um sistema de comunicação
veicular mais robusto, eficiente e seguro. A implementação de canais de comunicação
de curto alcance é feita usando Raw Packet Sockets, enquanto que a ligação
celular é estabelecida usando o protocolo Advanced Messaging Queuing Protocol
(AMQP).
A contribuição principal desta dissertação foca-se no projeto, implementação e avaliação
de uma sub camada hibrída de encaminhamento, capaz de isolar mensagens
que se formam/descodificam a partir de processos de transmissão/receção. Esta
camadada é, portanto, capaz de gerir o tráfego proveniente/destinado à camada
de aplicação de sistemas inteligentes de transportes (ITS) adaptando e passando
mensagens ITS entre as camadas mais altas da pilha protocolar e as tecnologias
de acesso rádio disponíveis.
A sub camada hibrída de encaminhamento também potencia uma redução dos custos
financeiros devidos ao uso de comunicações celulares e aumenta a eficiência do
uso do espectro electromagnético disponível, ao introduzir um múdulo controlador
da ligação celular, utilizando um Beacon Detector, que toma decisões informadas
relacionadas com a necessidade de uma conexão a uma rede celular, de acordo com
diferentes cenários.
Os resultados experimentais comprovam que as comunicações veículares híbridas
cumprem os requisitos dos sistemas cooperativos de transporte inteligentes, ao
tirarem partido das vantagens de ambas tecnologias de comunicação. Quando
avaliadas de forma independente, constata-se que que a tecnologia ITS-G5 tem
vantagens evidentes em termos de latência sobre a tecnologia LTE, enquanto que
a tecnologia LTE tem melhor desempenho que a LTE, ai nível de débito e fiabilidade.Mestrado em Engenharia Eletrónica e Telecomunicaçõe
Automating the construction of a complier heuristics using machine learning
Thesis (Ph. D.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Electrical Engineering and Computer Science, 2006.Includes bibliographical references (p. 153-162).Compiler writers are expected to create effective and inexpensive solutions to NP-hard problems such as instruction scheduling and register allocation. To make matters worse, separate optimization phases have strong interactions and competing resource constraints. Compiler writers deal with system complexity by dividing the problem into multiple phases and devising approximate heuristics for each phase. However, to achieve satisfactory performance, developers are forced to manually tweak their heuristics with trial-and-error experimentation. In this dissertation I present meta optimization, a methodology for automatically constructing high quality compiler heuristics using machine learning techniques. This thesis describes machine-learned heuristics for three important compiler optimizations: hyperblock formation, register allocation, and loop unrolling. The machine-learned heuristics outperform (by as much as 3x in some cases) their state-of-the-art hand-crafted counterparts. By automatically collecting data and systematically analyzing them, my techniques discover subtle interactions that even experienced engineers would likely overlook. In addition to improving performance, my techniques can significantly reduce the human effort involved in compiler design.(cont.) Machine learning algorithms can design critical portions of compiler heuristics, thereby freeing the human designer to focus on compiler correctness. The progression of experiments I conduct in this thesis leads to collaborative compilation, an approach which enables ordinary users to transparently train compiler heuristics by running their applications as they normally would. The collaborative system automatically adapts itself to the applications in which a community of users is interested.by Mark W. Stephenson.Ph.D
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