Esta dissertação apresenta duas implementações de algoritmos para gerência dinâmica de memória em software, as quais foram desenvolvidas utilizando como alvo uma plataforma embarcada Java. Uma vez que a plataforma utilizada pertence a uma metodologia para geração semi-automática de hardware e software para sistemas embarcados, os dois algoritmos implementados foram projetados para serem integrados ao contexto desta mesma metodologia. Como forma de estabelecer comparações detalhadas entre as duas implementações desenvolvidas, foram realizadas diversas estimativas em desempenho, uso de memória, potência e energia para cada implementação, utilizando para isto duas versões existentes da plataforma adotada. Através da análise dos resultados obtidos, observou-se que um dos algoritmos desenvolvidos obteve um desempenho melhor para realização da gerência dinâmica da memória. Em contrapartida, o outro algoritmo possui características de projeto que possibilitam sua utilização com aplicações de tempo-real. De um modo geral, os custos adicionais resultantes da utilização do algoritmo de tempo-real, em relação ao outro algoritmo também implementado, são de aproximadamente 2% para a potência média dissipada, 16% para o número de ciclos executados, 18% para a energia consumida e 10% sobre a quantidade de total memória utilizada. Isto mostra que o custo extra necessário para utilização do algoritmo de tempo real é razoavelmente baixo se comparado aos benefícios proporcionados pela sua utilização. Como impactos finais produzidos por este trabalho, obteve-se um acréscimo de 35% sobre o número total de instruções suportadas pela arquitetura utilizada. Adicionalmente, 12% das instruções que já existiam no conjunto desta arquitetura foram modificadas para se adaptarem aos novos mecanismos implementados. Com isto, o conjunto atual da arquitetura passa a corresponder a 44% do total de instruções existentes na arquitetura da máquina virtual Java. Por último, além das estimativas desenvolvidas, foram também realizadas algumas sugestões para melhoria global dos algoritmos implementados. Em síntese, alguns pontos cobertos por estas sugestões incluem: a migração de elementos do processamento do escopo dinâmico para o estático, o desenvolvimento de mecanismos escaláveis para compactação de memória em tempo-real, a integração de escalonadores ao processo de gerência de memória e a extensão do processo de geração semi-automática de software e hardware para sistemas embarcados.

Com o crescimento do mercado de sistemas embarcados, em especial aqueles dispositivos portáteis como PDAs e celulares, observa-se o crescimento de mercados baseados nestas plataformas, como o mercado de entretenimento digital. Devido às características destes dispositivos, novas oportunidades e desafios acompanham estas mudanças. Com cada vez mais recursos incorporados, o projeto de software para estes dispositivos torna-se mais complexo, exigindo soluções que aumentem a produtividade do desenvolvedor. Este trabalho descreve o estudo de técnicas em software para reduzir o consumo de energia e aumentar o desempenho de sistemas embarcados com recursos gráficos, baseados no microprocessador Femtojava. Como subproduto deste trabalho, foi desenvolvida uma biblioteca gráfica para a plataforma Femtojava. Dois estudos de caso foram desenvolvidos para analisar a biblioteca desenvolvida, caracterizando o seu consumo de energia e desempenho. / With the growth of the embedded systems market, especially PDAs and mobile phones, other markets based on those platforms, like digital entertainment, have experienced growth as well. Due to its characteristics, embedded devices present new opportunities and challenges. With an ever growing number of features, software development for these devices becomes more complex, demanding more powerful tools for increasing developer productivity. This work presents the study of software techniques to save power and improve performance of graphics capable embedded devices, based on Femtojava microprocessor. As a sub product of this work, a graphical library has been developed for the Femtojava platform. Two case studies were developed in order to analyze the library, characterizing its power consumption and performance.

o objetivo deste trabalho é apresentar a implementação em Java de uma máquina abstrata para execução distribuída de programas funcionais. Mostra-se como as facilidades da linguagem Java foram utilizadas para a implementação de uma linguagem funcional paralela que roda os programas funcionais de forma distribuída em uma rede de computadores. Linguagens Funcionais geralmente são implementadas usando uma máquina abstrata para a execução dos programas. Essas máquinas são usualmente máquinas de redução de grafos. Para se rodar os programas funcionais na máquina virtual Java implementou-se a máquina de redução de grafos G-Machine em Java. Nesta dissertação, apresenta-se inicialmente a implementação da G-Machine em Java, realizada como primeira etapa do trabalho e discute-se a abordagem utilizada para essa implementação. Mostra-se em seguida, como os programas funcionais podem ser compilados para rodar nessa G-Machine. Na segunda etapa do trabalho, modifica-se o sistema implementado para permitir a execução distribuída dos programas funcionais. Finalmente apresenta-se uma avaliação de desempenho e mostra-se possíveis trabalhos futuros. / The objective of this work is to present the implementation in the Java language of an abstract machine for distributed execution of functional programs. We show how the Java facilities were used to implement a parallel functional programming language with a distributed runtime system. Functional Languages are usually implemented using an abstract machine to execute programs. These abstract machines are usually graph reduction machines. To mn the functional programs on the Java Virtual Machine we have implemented the G-Machine graph reduction machine in Java. In this text, we first present the implementation of the G-Machine in J ava, and discuss its implementation. Then we show how this implementation was modified to allow distributed execution of functional programs. Finally some benchmarks, possible future works and conclusions are presented.

No projeto de arquiteturas computacionais, a partir da evolução do modelo cliente-servidor, surgiram os sistemas distribuídos com a finalidade de oferecer características tais como: disponibilidade, distribuição, compartilhamento de recursos e tolerância a falhas. Estas características, entretanto, não são obtidas de forma simples. As aplicações distribuídas e as aplicações centralizadas possuem requisitos funcionais distintos; aplicações distribuídas são mais difíceis quanto ao projeto e implementação. A complexidade de implementação é decorrente principalmente da dificuldade de tratamento e de gerência dos mecanismos de comunicação, exigindo equipe de programadores experientes. Assim, tem sido realizada muita pesquisa para obter mecanismos que facilitem a programação de aplicações distribuídas. Observa-se que, em aplicações distribuídas reais, mecanismos de tolerância a falhas constituem-se em uma necessidade. Neste contexto, a comunicação confiável constitui-se em um dos blocos básicos de construção. Paralelamente à evolução tanto dos sistemas distribuídos como da área de tolerância a falhas, foi possível observar também a evolução das linguagens de programação. O sucesso do paradigma de orientação a objetos deve-se, provavelmente, à habilidade em modelar o domínio da aplicação ao invés da arquitetura da máquina em questão (enfoque imperativo) ou mapear conceitos matemáticos (conforme o enfoque funcional). Pesquisadores demonstraram que a orientação a objetos apresenta-se como um modelo atraente ao desenvolvimento de aplicações distribuídas modulares e tolerantes a falhas. Diante do contexto exposto, duas constatações estimularam basicamente a definição desta dissertação: a necessidade latente de mecanismos que facilitem a programação de aplicações distribuídas tolerantes a falhas; e o fato de que a orientação a objetos tem-se mostrado um modelo promissor ao desenvolvimento deste tipo de aplicação. Desta forma, nesta dissertação definem-se classes para a comunicação do tipo unicast e multicast, nas modalidades de envio confiável e não-confiável. Além destes serviços de comunicação básicos, foram desenvolvidas classes que permitem referenciar os participantes da comunicação através de nomes. As classes estão organizadas na forma de um pacote, compondo um framework. Sua implementação foi desenvolvida usando Java. Embora não tivessem sido requisitos básicos, as opções de projeto visaram assegurar resultados aceitáveis de desempenho e possibilidade de reuso das classes. Foram implementados pequenos trechos de código utilizando e testando a funcionalidade de cada uma das classes de comunicação propostas.

Para reutilização, manutenção e refatoração, projetistas de sistemas de software, freqüentemente, precisam examinar o código fonte da aplicação para entender os detalhes dos sistemas desenvolvidos. As aplicações orientadas a objetos em geral, tornam-se coleções nebulosas de classes e implementações de métodos. Sem dúvida a habilidade de entender sistemas de software é largamente aumentada visualizando-se esses produtos em níveis mais altos de abstração. Os padrões de projeto demonstram um alto índice de abstração e são considerados uma ferramenta efetiva para o entendimento de sistemas de software orientados a objetos. Aplicações orientadas a objetos visualizadas como um sistema de interação de padrões requerem a descoberta, identificação e classificação de grupos de classes relacionadas. Estas visualizações podem representar qualquer padrão conhecido ou agrupamentos que executam uma tarefa abstrata e necessariamente não são uma solução de padrão conhecida. Os padrões de projeto descrevem, portanto, microarquiteturas que resolvem problemas arquitetônicos em sistemas de software orientados a objetos. É importante identificar estas microarquiteturas durante a fase de manutenção de aplicações orientadas a objetos. Faz-se necessário salientar que estas microarquiteturas aparecem freqüentemente distorcidas na aplicação fonte. O objeto deste trabalho é demonstrar a viabilidade de construir uma ferramenta para descobrir a utilização de padrões de projeto em aplicações Java. Assim, esta tese examina as características de alguns padrões, determinando a natureza do que faz um padrão ser detectável por intermédio de meios automatizados, e propõe algumas regras pelas quais um conjunto de padrões possa ser identificado. As regras são baseadas nos relacionamentos entre classes e objetos mediante observação dos modelos estático e dinâmico. Este trabalho também documenta o desenvolvimento do protótipo da ferramenta de inspeção, que tem por objetivo aplicar os processos de engenharia reversa e reflexão computacional sobre código Java, utilizando as informações adquiridas para detectar padrões de projeto. Finalmente, esta tese demonstra a utilização dessa ferramenta em um exemplo pequeno de aplicação Java e forma a base para trabalhos adicionais que investiguem a existência de diferentes padrões de projeto em sistemas de software construídos em Java.

Cada vez mais equipamentos eletrônicos digitais têm sido fabricados utilizando um sistema operacional embarcado. Por razões de custo, estes sistemas operacionais são implementados sobre um hardware com os requisitos mínimos para atender as necessidades da aplicação. Este trabalho apresenta um estudo sobre a viabilidade de implementação de suporte a multitarefa sobre a arquitetura FemtoJava, um microcontrolador monotarefa dedicado a sistemas embarcados. Para tanto, o suporte de hardware necessário é adicionado à arquitetura. Também são implementados dois escalonadores de tarefas diretamente em bytecodes Java, visando à otimização de área e o compromisso com desempenho e consumo de energia. Modificações no ambiente de desenvolvimento e uma ferramenta de relocação de endereços são propostas, objetivando a utilização dos escalonadores de tarefas implementados junto ao fluxo de desenvolvimento existente. Por fim, uma análise é realizada sobre o impacto que a capacidade de multitarefa produz no sistema em termos de desempenho, consumo de área e energia. / Most digital electronic equipments are produced using an embedded operating system. Due to economic reasons, these operating systems are implemented on hardware with minimal requirements to support the application needs. This work will present a viability study to implement multitask support on the FemtoJava architecture, a monotask microcontroller dedicated to embedded applications. The support to multitask involves the addition of specific hardware mechanisms to the architecture. Two different scheduling policies are then directly implemented using Java bytecodes, aiming area optimization as well as a good performance/energy-consumption trade-off. Some modifications in the development environment and a code relocation tool were introduced, in order to enable the use of the schedulers in the existing design tool flow. Finally, an analysis is performed to evaluate the impact that the multitask support produces in the system with respect to the final performance, area and energy consumption.

A contribuição deste trabalho foi orientada principalmente ao desenvolvimento de alternativas de hardware para a execução nativa de bytecodes Java em sistemas embarcados que naturalmente possuem restrições quanto à potência consumida, ao desempenho e à área ocupada. Primeiramente, o desenvolvimento do Femtojava Low- Power demonstra que a utilização de um pipeline e de um banco de registradores interno em arquiteturas de pilha resultam em uma redução significativa no consumo de potência. Após, a técnica de folding, que basicamente transforma várias operações de pilha em uma operação tipo RISC, é avaliada. A análise de uma segunda solução arquitetural, baseada em VLIW (Very Long Instruction Word), também traz resultados satisfatórios na redução do consumo de potência, sendo que a paralelização do código, feita por um analisador desenvolvido, é facilitada devido à utilização de uma arquitetura de pilha. O desempenho e a potência consumida de todas as arquiteturas propostas neste trabalho foram validadas utilizando-se o simulador CACO-PS, também desenvolvido no contexto desta dissertação. Os estudos de caso adotados para a validação das alternativas arquiteturais compreenderam algoritmos matemáticos, de ordenação, busca e processamento de sinais, bastante utilizados no domínio de sistemas embarcados. Resultados promissores principalmente em termos de energia consumida são alcançados, assim como na disponibilização de diferentes arquiteturas para a execução nativa de Java, principal proposta deste trabalho. / The main contribution of this work was the development of hardware alternatives for native execution of Java bytecodes for embedded systems that have power, performance and area constraints. Firstly, the development of the Femtojava Low- Power shows that the use of a pipeline and an internal register bank in stack architectures brings a significant reduction in the power consumption. After that, the folding technique, that basically changes a set of stack operations into a simple RISC one, is evaluated. Then, the analysis of a second architectural solution, based on VLIW (Very Long Instruction Word), demonstrates also good results concerning power consumption. Moreover, it is shown that the parallelization of the code is facilitated due to the specific stack architecture. The power consumption and performance of all architectures here proposed were evaluated using the CACO-PS simulator, which was also developed in this work. The case studies adopted for the validation of the architectures were mathematic, sort, search and DSP algorithms, widely used in the embedded system domain. Promising results mainly in energy consumption were achieved, as well as the disponibilization of different architectures for native execution of Java, the main objective of this work.

A crescente complexidade dos programas de computador e o crescimento da carga de trabalho a qual eles são submetidos têm sido tendências recorrentes nos sistemas computacionais, em especial para sistemas distribuídos como aplicações web e sistemas corporativos. O aumento da carga de trabalho gera uma demanda por sistemas que façam melhor uso dos recursos computacionais disponíveis, enquanto a maior complexidade gera uma demanda por sistemas que se preocupem em minimizar o número de erros. Portanto, podem-se identificar dois objetivos a serem perseguidos pelos desenvolvedores de sistemas de software: melhorar o desempenho e aumentar a confiabilidade dos sistemas. A fim de alcançar os objetivos expostos, são desenvolvidos sistemas de monitoramento para automatizar a coleta e análise de dados sobre os sistemas computacionais alvo. O presente trabalho visa contribuir nos seguintes aspectos: na identificação dos dados relevantes para o monitoramento de aplicações distribuídas desenvolvidas para a plataforma Java; e na criação de uma ferramenta de monitoramento de aplicações distribuídas, explorando os novos recursos do JDK 1.5, bem como os recursos já disponíveis em Java, como carga dinâmica de classes e transformação de bytecodes A fim de avaliar a ferramenta proposta foram elaborados três estudos de caso: um utiliza uma aplicação existente sem necessidade de sua adaptação; outro avalia a sobrecarga da ferramenta frente a diferentes parâmetros; e o terceiro avalia o monitoramento de um sistema distribuído. Entende-se que a ferramenta atinge o objetivo de monitoramento de aplicações distribuídas, por meio da incorporação de técnicas e APIs distintas, ao permitir: o monitoramento de uma aplicação distribuída por meio do monitoramento de diversos nodos de tal aplicação concomitantemente; e a visualização das informações coletadas de forma online. Adicionalmente, a coleta simultânea de dados de diferentes nodos de uma aplicação distribuída pode ser útil para a descoberta de relações entre eventos que ocorrem durante a execução de tal aplicação. / The growing complexity of software and the increasing workload to which systems have been submitted are known trends in the computing system field, especially when distributed and web systems are considered. The increasing workload generates demand for systems that can make a better use of computing resources, while the increment of system complexity demands specific actions to prevent design faults. Therefore, software engineers have two main objectives to be concerned with: optimization and dependability. In order to accomplish these objectives, monitoring systems have been proposed to gather data from running systems so that their behavior can be analyzed. The present dissertation intends to contribute in the following domains: identifying relevant metrics for monitoring distributed Java applications; and developing a tool to monitor and profile distributed applications, using the new resources available in JDK 1 .5 as well as some already known techniques like dynamic classloading and bytecode instrumentation. In order to evaluate the proposed tool, three test cases have been developed: one with a well known application running without modification; another for evaluating the tools’ overhead in different scenarios; and a third one to evaluate a distributed application been monitored. We understand that the proposed tool is successful in monitoring distributed applications by the use of distinct APIs and techniques because: Nprof can monitor a distributed application by monitoring different nodes of the application simultaneously; and Nprof allows the online visualization of the collected data. Also, simultaneous collection of data from different nodes of a distributed application can be useful for discovering relations among events that occur during the execution of the application.

A popularidade da linguagem Java no mercado de sistemas embarcados está aumentando como uma alternativa à necessidade de compatibilidade de software e ao crescimento da complexidade das aplicações, notadamente em eletrônica de consumo e automação industrial, mercado que também está se expandindo. Apesar de um melhor gerenciamento da complexidade do software permitido pela linguagem Java, as restrições de necessidade de economia de energia, baixo consumo de potência e necessidade de desempenho impostas aos sistemas embarcados, com especial ênfase aos sistemas portáteis, são potencializadas. Entretanto, as características da Java Virtual Machine, baseada em uma máquina de pilha, abrem possibilidades de otimização do processamento de aplicações embarcadas inerentes às máquinas de pilha e ainda não devidamente exploradas pelos processadores Java atuais. Com a aplicação de tradução binária ao código Java e utilização de técnicas de reconfiguração, consegue-se obter aumento de performance com simultânea economia de energia, permitindo-se uma melhor adequação da execução das aplicações Java para o domínio dos sistemas embarcados. Este trabalho apresenta uma unidade reconfigurável de granularidade grossa, o Javarray, a ser acoplada a um processador de execução Java nativa, destinada à execução otimizada dos blocos básicos mais representativos das aplicações embarcadas Java. Dessa forma, conseguimos explorar ILP de uma maneira simples e com a reconfiguração de poucos blocos básicos obtivemos uma redução no número de instruções executadas em até 42%, aumentamos o desempenho das aplicações em até 2,6 vezes e obtivemos economias de energia de até 64%, ao mesmo tempo em que mantivemos compatibilidade de software com as aplicações Java, e em muitos casos obtivemos simultânea redução na potência consumida. Esses dados referem-se a um conjunto de 3 aplicações específicas utilizadas por nosso grupo. A topologia básica do Javarray é desenvolvida a partir da análise de profiles de aplicações embarcadas, a partir da qual algumas variações organizacionais são exploradas. Em especial, desenvolveu-se uma arquitetura seqüencial, que habilita a utilização de técnicas de pipeline no Javarray, permitindo a exploração de paralelismo de mais alto nível. Como produto secundário dos esforços pela busca de economia de energia através do aumento de desempenho – foco deste trabalho – apresenta-se então os primeiros estudos acerca da possibilidade de execução de processamento do tipo stream em um pipeline de instruções reconfiguráveis no Javarray, aumentando dessa forma o IPC e reduzindo o impacto do consumo estático de energia. / Althought with a better management of the softwares’ complexity, allowed by the Java language, the restrictions of energy saving, low power consumption and the need of performance imposed to the embedded systems, with special emphasis to the mobile systems, are potentialized The popularity of the Java language in the embedded systems market is increasing as an alternative to the software compatibility necessity and the applications’ complexity growth, notably at consumption electronic and industrial automation, market which is also expanding. However, the characteristics of Java Virtual Machine, based upon a stack machine, open new possibilities to the optimization of embedded systems processing inherent to the stack machines and not yet properly explored by the actual Java processors. With the exploitation of binary translation to the Java code and the use of reconfiguration techniques, we can improve the performance with simultaneous energy savings, achieving achieving a better fit of Java applications execution to the embedded systems domain. This work presents a coarse grain reconfigurable unit, the Javarray, to be coupled to a native execution Java microcontroller, designed to the optimized execution of the embedded systems applications more representative basic blocks. With this, we can explore ILP in a simple way and reduce the number of the executed instructions up to 42%, improving the performance up to 2.6 times and saving energy up to 64%, at the same time in which allowing for Java compatibility and, in many cases, still having less power consumption. This data refer to a set of 3 specific applications used by our research group. The basic Javarray topology is developed from the analysis of the embedded application profiles, form which some organizational variations are explored. In special, it was designed a sequential architecture, which enables the use of pipeline techniques on the Javarray, allowing for the exploitation of coarser grains parallelism. As a secondary product of the search for the energy savings through the performance speedup – focus of this work – it is presented the first studies about the possibility of stream-based processing execution in a pipeline of reconfigurable instructions on the Javarray, this way increasing the IPC and reducing the static energy consumption impact.

A grande demanda por computação de alto desempenho culminou na construção de ambientes de execução de larga escala como as Grades Computacionais. Não diferente de outras plataformas de execução, seus usuários precisam obter os dados de entrada para suas aplicações e muitas vezes precisam armazenar os resultados por elas gerados. Apesar de o termo Grade ter surgido de uma metáfora onde os recursos computacionais estão tão facilmente acessíveis como os da rede elétrica, as ferramentas para gerenciamento de dados e de recursos de armazenamento disponíveis estão muito aquém do necessário para concretizar essa idéia. A imaturidade desses serviços se torna crítica para aplicações científicas que necessitam processar grandes volumes de dados. Nesses casos, utiliza-se apenas os recursos de alto desempenho e assegura-se confiabilidade, disponibilidade e segurança para os dados através de presença humana. Este trabalho apresenta o JavaRMS, um sistema de gerência de dados para Grades. Ao empregar um modelo par-a-par, consegue-se agregar os recursos menos capacitados disponíveis no ambiente de Grade, diminuindo-se assim o custo da solução. O sistema utiliza a técnica de nodos virtuais para lidar com a grande heterogeneidade de recursos, distribuindo os dados de acordo com o espaço de armazenamento fornecido. Empregase fragmentação para viabilizar o uso dos recursos menos capacitados e para melhorar o desempenho das operações que envolvem a transferência de arquivos. Utiliza-se replicação para prover persistência aos dados e para melhorar sua disponibilidade. JavaRMS lida ainda com a dinamicidade e a instabilidade dos recursos através de um modelo de estados, de forma a diminuir o impacto das operações de manutenção. A arquitetura contempla também serviços para gerenciamento de usuários e protege os recursos contra fraudes através de um sistema de cotas. Todas as operações foram projetadas para serem seguras. Por fim, disponibiliza-se toda a infra-estrutura necessária para que serviços de busca e ferramentas de interação com o usuário sejam futuramente fornecidos. Os experimentos realizados com o protótipo do JavaRMS comprovam que usar um modelo par-a-par para organizar os recursos e localizar os dados resulta em boa escalabilidade. Já a técnica de nodos virtuais se mostrou eficiente para distribuir de forma balanceada os dados entre as máquinas, de acordo com a capacidade de armazenamento oferecida. Através de testes com a principal operação que envolve a transferência de arquivos, comprovou-se que o modelo é capaz de melhorar significativamente o desempenho de aplicações que necessitam processar grandes volumes de dados. / Large scale execution environments such as Grids emerged to meet high-performance computing demands. Like in other execution platforms, its users need to get input data to their applications and to store their results. Although the Grid term is a metaphor where computing resources are so easily accessible as those from the eletric grid, its data and resource management tools are not sufficiently mature to make this idea a reality. They usually target high-performance resources, where data reliability, availability and security is assured through human presence. It turns to be critical when scientific applications need to process huge amounts of data. This work presents JavaRMS, a Grid data management system. By using a peer-topeer model, it aggregates low capacity resources to reduce storage costs. Resource heterogeneity is dealt with the virtual node technique, where peers receive data proportionally to their provided storage space. It applies fragmentation to make feasible the usage of low capacity resources and to improve file transfer operations performance. Also, the system achieves data persistence and availability through replication. In order to decrease the impact of maintenance operations, JavaRMS deals with resource dinamicity and instability with a state model. The architecture also contains user management services and protects resources through a quota system. All operations are designed to be secure. Finally, it provides the necessary infrastructure for further deployment of search services and user interactive tools. Experiments with the JavaRMS prototype showed that using a peer-to-peer model for resource organization and data location results in good scalability. Also, the virtual node technique showed to be efficient to provide heterogeneity-aware data distribution. Tests with the main file transfer operation proved the model can significantly improve data-intensive applications performance.