Thermal-aware real-time scheduling using timed continuous Petri Nets

We present a thermal-aware, hard real-time (HRT) global scheduler for a multiprocessor system designed upon three novel techinques. First, we present a modeling methodology based on Timed Continuous Petri nets (TCPN) that yields a complete state variable model, including job arrivals, CPU usage, power, and thermal behavior. The model is accurate and avoids the calibration stage of RC thermal models. Second, based on this model, a linear programming problem (LPP) determines the existence of a feasible HRT thermal-aware schedule. Last, a sliding-mode controller and an online discretization algorithm implement the global HRT scheduler, which is capable of managing thermal constraints, context switching, migrations, and disturbances

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

Energy-Efficient Thermal-Aware Scheduling for RT Tasks Using TCPN

This work leverages TCPNs to design an energy-efficient, thermal-aware real-time scheduler for a multiprocessor system that normally runs in a low state energy at maximum system utilization but its capable of increasing the clock frequency to serve aperiodic tasks, optimizing energy, and honoring temporal and thermal constraints. An off-line stage computes the minimum frequency required to run the periodic tasks at maximum CPU utilization, the proportion of each task''s job to be run on each CPU, the maximum clock frequency that keeps temperature under a limit, and the available cycles (slack) with respect to the system with minimum frequency. Then, a Zero-Laxity online scheduler dispatches the periodic tasks according to the offline calculation. Upon the arrival of aperiodic tasks, it increases clock frequency in such a way that all periodic and aperiodic tasks are properly executed. Thermal and temporal requirements are always guaranteed, and energy consumption is minimized

Real time scheduler for multiprocessor systems based on continuous control using timed continuous petri nets

This work exploits Timed Continuous Petri Nets (TCPN) to design and test a novel energy-efficient thermal-aware real-time global scheduler for a hard real-time (HRT) task set running on a multiprocessor system. The TCPN model encompasses both the system and task set, including thermal features. In previous work we calculated the share of each task that must be executed per time interval by solving off-line an Integer Programming Problem Problem (ILP). A subsequent on-line stage allocated jobs to processors. We now perform the allocation off-line too, including an allocation controller and an execution controller in the on-line stage. This adds robustness by ensuring that actual task allocation and execution honor the safe schedule provided off-line. Last, the on-line controllers allow the design of an improved soft RT aperiodic task manager. Also, ee experimentally prove that our scheduler yields fewer context switches and migrations on the HRT task set than RUN, a reference algorith

Energy-efficient thermal-aware multiprocessor scheduling for real-time tasks using TCPNs

We present an energy-effcient thermal-aware real-time global scheduler for a set of hard real-time (HRT) tasks running on a multiprocessor system. This global scheduler fulfills the thermal and temporal constraints by handling two independent variables, the task allocation time and the selection of clock frequency. To achieve its goal, the proposed scheduler is split into two stages. An off-line stage, based on a deadline partitioning scheme, computes the cycles that the HRT tasks must run per deadline interval at the minimum clock frequency to save energy while honoring the temporal and thermal constraints, and computes the maximum frequency at which the system can run below the maximum temperature. Then, an on-line, event-driven stage performs global task allocation applying a Fixed-Priority Zero-Laxity policy, reducing the overhead of quantum-based or interval-based global schedulers. The on-line stage embodies an adaptive scheduler that accepts or rejects soft RT aperiodic tasks throttling CPU frequency to the upper lowest available one to minimize power consumption while meeting time and thermal constraints. This approach leverages the best of two worlds: the off-line stage computes an ideal discrete HRT multiprocessor schedule, while the on-line stage manage soft real-time aperiodic tasks with minimum power consumption and maximum CPU utilization

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 /

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

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

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 /