Este trabalho apresenta um estudo sobre sistemas operacionais de tempo real (RTOS) utilizados na implementação da infraestrutura de controle digital para sistemas mecatrônicos, mas serve também como referência para outros sistemas que possuam restrições de tempo. Além de ter um caráter experimental, onde foram medidos e analisados dados como o pior tempo de resposta dos sistemas e a latência para tratamento de interrupções, este trabalho de pesquisa ainda contempla a implementação e uso de RTOS em situações práticas, bem como contempla a construção de uma plataforma geral de pesquisa que servirá de base para futuros trabalhos no laboratório de mecatrônica. Os sistemas analisados neste trabalho foram o VxWorks, QNX, Linux, RTAI, Windows XP, Windows CE e \'mü\'C/OS-II. Outro produto gerado durante este trabalho foi um Live CD para auxiliar na implementação e ensino de conceitos e sistemas de tempo real. / This work presents a study about real time operating systems (RTOS) that are utilized as infrastructure to create digital control systems for mechatronics systems, and also for systems that have critical time constraints. Parameters like worst case response time and interrupt latency were measured for each operating system. This research project also covers the implementation and use of RTOS in practical situations. A general research platform for robotics and real time research was also developed and will be used for future works in the Mechatronics Laboratory. The tested systems were VxWorks, QNX, Linux, RTAI, Windows XP, Windows CE and \'mü\'C/OS-II. Another product released during this work was a Live CD to aid the implementation and teaching of real time systems and concepts.

[pt] A demanda progressiva por aplicações multimídia distribuídas, caracterizadas por fortes exigências sobre os recursos computacionais, torna evidente a necessidade de provisão de qualidade de serviço (QoS) em cada um dos subsistemas envolvidos, como redes de comunicação e sistemas operacionais. Ao mesmo tempo, tais subsistemas devem ser flexíveis para que possam oferecer novos serviços a aplicações futuras, ou seja, devem ser adaptáveis em tempo de execução. Especificamente, sistemas operacionais de uso geral provêm pouco ou nenhum suporte a QoS e à adaptabilidade dos serviços, impulsionando vários estudos isolados nessas áreas. Observando-se algumas tecnologias implementadas em sistemas operacionais específicos, nota-se que os mecanismos de provisão possuem certas semelhanças funcionais. Assim, este trabalho propõe uma arquitetura adaptável para a provisão de QoS nos subsistemas de rede e de escalonamento de processos de sistemas operacionais, independente de implementação, através da descrição de frameworks genéricos. É demonstrado, também, como os pontos de flexibilização desses frameworks podem ser especializados para a implementação de alguns modelos de QoS. Por último, é proposto um cenário de uso da arquitetura, no qual um sistema operacional de uso geral ligeiramente modificado é utilizado como infra- estrutura para a instanciação dos frameworks de QoS. / [en] The progressive demand for distributed multimedia applications, which are characterized by strong requirements over computational resources, makes evident the need for quality of service (QoS) provisioning in each one of the involved subsystems (e.g. communication networks and operating systems). At the same time, these subsystems must be flexible enough that they can offer new services to future applications, or in other words, they must be adaptable at runtime. Specifically, general-purpose operating systems provide few or no QoS/service adaptability support, what have motivated many isolated studies about these topics. Observing some implemented technologies on specific operating systems,it is noted that the provisioning mechanisms have certain functional similarities.In this way, this work proposes an adaptable architecture for QoS provisioning on networking and process scheduling subsystems of operating systems, through the description of generic frameworks. It is demonstrated how the framework hot-spots can be specialized in order to implement some QoS models. Finally, it is proposed a scenario of use of the architecture, where a bit modified generalpurpose operating system is used as infrastructure for an instantiation of the QoS frameworks.

O crescimento das necessidades de recursos computacionais gerado por novas classes de aplicações comerciais e científicas apresenta um novo tipo de desafio para infraestruturas computacionais. O acelerado crescimento das demandas por recursos promove um acelerado crescimento no número absoluto de elementos computacionais nestas. Nesse cenário, o provisionamento e a operação de sistemas tornam-se tarefas progressivamente complexas, devido primariamente ao aumento em escala. Este trabalho propõe um modelo para uma infraestrutura computacional que opera como um repositório abstrato de recursos computacionais de tempo de execução com níveis variáveis de consumo. Desenhado para operar como um ensemble (i.e. um conjunto coordenado) de recursos computacionais, grandes números de elementos são agregados em conjuntos de servidores de recursos de processamento, armazenamento e comunicação. O ensemble é concebido e implementado com ampla utilização de tecnologias de virtualização e possui um mecanismo de provisionamento e operação organizado como uma estrutura distribuída de comando e controle (Command and Control, ou C²). A implementação de uma prova de conceito de tal infraestrutura computacional é apresentada, e a validação da proposta é realizada através de uma combinação de resultados experimentais e emulação. / The increase in computing resource needs posed by new classes of commercial and scientific applications presents a new kind of challenge for computing infrastructures. The accelerated growth in resource demand leads to an accelerated growth in the absolute number of computing elements on such infrastructures. In this scenario, the provisioning and systems operations of such elements becomes a progressively complex task, due mainly to the increase in scale. This work proposes a model for a computing infrastructure that operates as an abstract repository of run-time resources with variable levels of consumption. Designed to operate as a computing ensemble, large numbers of elements are aggregated in pools of processing, storage and communication resource servers. The Computing Resource Ensemble is designed with the heavy use of virtualization technologies and has a provisioning and systems operation engine organized as a distributed Command and Control (C2) framework. A Proof of Concept implementation of such computing infrastructure is presented, and the validation of the concept is carried out by a combination of experiments and emulation.

Este trabalho descreve o acoplamento entre um minicomputador genérico e uma experiência de defeito "RAMAN", com vistas ao conteole e aquisição dos dados da mesma. / This work describes an interface between a generic minicomputer and a Laser Raman spectrometer for control and data acquisition in experiments.

A complexidade dos sistemas integrados em chips bem como a arquitetura de processadores comerciais vem crescendo dramaticamente nos últimos anos. Com isto, a dificuldade de avaliarmos a suscetibilidade às falhas em decorrência da incidência de partículas espaciais carregadas nestes dispositivos cresce com a mesma taxa. Este trabalho apresenta uma análise comparativa da susceptibilidade à erros de software em um microprocessador embarcado ARM Cortex-A9 single core de larga escala comercial, amplamente utilizado em aplicações críticas, executando um conjunto de 11 aplicações desenvolvidas para um ambiente bare metal e para o sistema operacional Linux. A análise de soft errors é executada por injeção de falhas na plataforma de simulação OVPSim juntamente com o injetor OVPSim-FIM, capaz de sortear o momento e local de injeção de uma falha. A campanha de injeção de falhas reproduz milhares de bit-flips no banco de registradores do microprocessador durante a execução do conjunto de benchmarks que possuem um comportamento de código diverso, desde dependência de fluxo de controle até aplicações intensivas em dados. O método de análise consiste em comparar execuções da aplicação onde falhas foram injetadas com uma execução livre de falhas. Os resultados apresentam a taxa de falhas que são classificadas em: mascaradas (UNACE), travamento ou perda de controle de fluxo (HANG) e erro nos resultados (SDC). Adicionalmente, os erros são classificados por registradores, separando erros latentes por sua localização nos resultados e por exceções detectadas pelo sistema operacional, provendo novas possibilidades de análise para um processador desta escala. O método proposto e os resultados obtidos podem ajudar a orientar desenvolvedores de software na escolha de diferentes arquiteturas de código, a fim de aprimorar a tolerância à falhas do sistema embarcado como um todo. / The complexity of integrated system on-chips as well as commercial processor’s architecture has increased dramatically in recent years. Thus, the effort for assessing the susceptibility to faults due to the incidence of spatial charged particles in these devices has growth at the same rate. This work presents a comparative analysis of soft errors susceptibility in the commercial large-scale embedded microprocessor ARM Cortex-A9 single core, widely used in critical applications, performing a set of 11 applications developed for a bare metal environment and the Linux operating system. The soft errors analysis is performed by fault injection in OVPSim simulation platform along with the OVPSim-FIM fault injector, able to randomly select the time and place to inject the fault. The fault injection campaign reproduces thousands of bit-flips in the microprocessor register file during the execution of the benchmarks set, with a diverse code behavior ranging from control flow dependency to data intensive applications. The analysis method is based on comparing applications executions where faults were injected with a fault-free implementation. The results show the error rate classified by their effect as: masked (UNACE), crash or loss of control flow (HANG) and silent data corruption (SDC); and by register locations. By separating latent errors by its location in the results and exceptions detected by the operating system, one can provide new better observability for a large-scale processor. The proposed method and the results can guide software developers in choosing different code architectures in order to improve the fault tolerance of the embedded system as a whole.

No contexto da gerência de memória em sistemas operacionais, vários grupos de pesquisa desenvolvem trabalhos na área de algoritmos para gerência de memória virtual e alguns algoritmos para substituição de páginas têm sido propostos na literatura recente. No entanto, essas propostas não chegaram a um algoritmo que resolva satisfatoriamente o problema de desempenho na gerência de memória. Ainda não existe um consenso entre os pesquisadores de como essa questão deve ser tratada de maneira eficiente, e as propostas de algoritmos desenvolvidas possuem grande sobrecarga devido à sua complexidade. O objetivo deste trabalho é propor uma forma eficiente de gerenciar a memória com a composição de técnicas de busca, posicionamento e substituição de páginas. A hipótese aqui adotada é que para tratar o problema da gerência da memória é melhor consumir recursos computacionais determinando quais páginas deveriam estar na memória em um determinado instante de tempo do que gastar recursos determinando qual página será retirada da memória. A tese apresenta uma reanálise dos principais trabalhos que têm como objetivo o desempenho da gerência de memória, tornando possível retirar conclusões e ideias sobre quais fatores influenciam de maneira positiva com relação ao desempenho do sistema. A partir deste estudo, é determinado o conceito de qualidade do conteúdo da memória e criada uma métrica para medi-la. Aplicando tal conceito, formula-se um método sistêmico de construção de algoritmos de gerência de memória. Realiza-se uma aplicação desse método, criando-se então, os algoritmos RR+ng e RRlock+ng. A métrica é aplicada em simulações na fase final do método, mostrando-se adequada para realizar as análises. Os resultados obtidos mostram que a hipótese tratar o problema da gerência da memória, consumindo recursos computacionais determinando quais páginas devem estar na memória ao invés de quais devem deixá-la mostrou-se válida e parece promissora. / When it comes to memory management in operating systems, many research groups have been developing works in the memory management algorithms area and some page replacement algorithms have been proposed in the recent literature. Such proposals were not successful in developing algorithms that worked well as far as the performance in memory management is concerned. There is no consensus among the researches about how this problem can be treated efficiently, and the algorithms proposed have high overhead because of their complexity. The objective of this work is to propose an efficient memory management with the composition of page fetch, placement and replacement techniques. This thesis hypothesis is that to treat the memory management problem it is better to consume computational resources determining which pages must be in the memory in a given time than to waste resources defining which pages would be evicted from the memory. This work presents a reanalysis of the main works whose objective is memory management performance, making it possible to draw different conclusions and ideas about what factors may have a positive influence with respect to system performance. This study develops both the concept of quality of memory contents and a metric to measure it. Besides, a systemic method to create memory management algorithms is devised, applying the concept just created. Then, the method is followed, creating the RR+ng and RRlock+ng algorithms. In the final phase of the method, the metric is applied in simulations, proving to be adequate to perform the analysis. The results show that the idea of treating the memory management problem, consuming computational resources to determine which pages must be in the memory instead of which ones must leave it, hold true and seems to be promising.

O crescimento das necessidades de recursos computacionais gerado por novas classes de aplicações comerciais e científicas apresenta um novo tipo de desafio para infraestruturas computacionais. O acelerado crescimento das demandas por recursos promove um acelerado crescimento no número absoluto de elementos computacionais nestas. Nesse cenário, o provisionamento e a operação de sistemas tornam-se tarefas progressivamente complexas, devido primariamente ao aumento em escala. Este trabalho propõe um modelo para uma infraestrutura computacional que opera como um repositório abstrato de recursos computacionais de tempo de execução com níveis variáveis de consumo. Desenhado para operar como um ensemble (i.e. um conjunto coordenado) de recursos computacionais, grandes números de elementos são agregados em conjuntos de servidores de recursos de processamento, armazenamento e comunicação. O ensemble é concebido e implementado com ampla utilização de tecnologias de virtualização e possui um mecanismo de provisionamento e operação organizado como uma estrutura distribuída de comando e controle (Command and Control, ou C²). A implementação de uma prova de conceito de tal infraestrutura computacional é apresentada, e a validação da proposta é realizada através de uma combinação de resultados experimentais e emulação. / The increase in computing resource needs posed by new classes of commercial and scientific applications presents a new kind of challenge for computing infrastructures. The accelerated growth in resource demand leads to an accelerated growth in the absolute number of computing elements on such infrastructures. In this scenario, the provisioning and systems operations of such elements becomes a progressively complex task, due mainly to the increase in scale. This work proposes a model for a computing infrastructure that operates as an abstract repository of run-time resources with variable levels of consumption. Designed to operate as a computing ensemble, large numbers of elements are aggregated in pools of processing, storage and communication resource servers. The Computing Resource Ensemble is designed with the heavy use of virtualization technologies and has a provisioning and systems operation engine organized as a distributed Command and Control (C2) framework. A Proof of Concept implementation of such computing infrastructure is presented, and the validation of the concept is carried out by a combination of experiments and emulation.

CNPq / Sistemas embarcados são sistemas computacionais projetados para aplicações específicas, os quais estão presentes em praticamente todos os dispositivos eletrônicos atuais. A utilização de um sistema operacional (SO) é uma maneira de simplificar o desenvolvimento de software, livrando os programadores do gerenciamento do hardware de baixo nível e fornecendo uma interface de programação simples para tarefas que ocorrem com frequência. A alta complexidade dos computadores pessoais atuais torna a utilização de um SO indispensável. Por outro lado, sistemas embarcados são arquiteturas limitadas, geralmente com muitas restrições de custo e consumo. Devido às demandas adicionais impostas por um SO, os desenvolvedores de sistemas embarcados enfrentam a crítica decisão quanto à adoção ou não de um SO. Nesta dissertação, apresenta-se uma série de critérios a fim de auxiliar os projetistas de sistemas embarcados na decisão quanto ao uso ou não de um SO. Além disso, outros critérios são apresentados com o intuito de guiar a seleção do SO mais adequado às características do projeto. Adicionalmente, escolheu-se 15 sistemas operacionais para serem analisados de acordo com os critérios apresentados, os quais podem ser utilizados como base para o processo de seleção de um SO. Adicionalmente, a fim de avaliar o impacto da adoção de um SO em um projeto embarcado, apresenta-se um estudo de caso no qual uma aplicação modelo (uma estação meteorológica embarcada) foi desenvolvida em três diferentes cenários: sem um SO, usando um SO de tempo real (µC/OS-II), e usando um SO de propósito geral (uClinux). Uma FPGA e um SoPC foram utilizados para obter uma plataforma flexível de hardware apta para acomodar as três configurações. A adoção de um SO proporcionou uma redução de até 48% no tempo de desenvolvimento; em contrapartida, isto aumentou os requisitos de memória de programa em pelo menos 71%. / An embedded system (ES) is a computing system designed for a specific purpose, present essentially in every electronic device. The use of an operating system (OS) is advocated as a means to simplify software development, freeing programmers from managing low-level hardware and providing a simpler programming interface for common tasks. The high complexity of modern desktop computers makes an OS indispensable; embedded systems, on the other hand, are limited architectures, usually severely cost- and power-constrained. Because of the additional demands imposed by an OS, embedded developers are faced with the crucial decision of whether to adopt an OS or not. In this work, we introduce a set of criteria to help determine whether an OS should be adopted in an embedded design. We then go further and establish a series of rules to help decide which OS to pick, if one should be used. In addition, we present a case study in which a sample application (an embedded weather station) was developed under three different scenarios: without any OS, using the µC/OS-II real-time OS, and using the uClinux general-purpose OS. An FPGA and a SoPC were used to provide a flexible hardware platform able to accommodate all three configurations. The adoption of an OS provided a reduction of up to 48% in development time; on the other hand, it increased program memory requirements in at least 71%.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. / Made available in DSpace on 2012-10-17T17:49:15Z (GMT). No. of bitstreams: 0Bitstream added on 2014-09-25T16:06:15Z : No. of bitstreams: 1 170874.pdf: 7629183 bytes, checksum: ec1c8b396fa95453f445786726da40b6 (MD5) / Gerência de Segurança contra fraudes e intrusões será um dos principais tópicos de investigação nas próximas gerações de [sistemas distribuídos]. Um sistema seguro (secure) provê proteção contra ataques de usuários não confiáveis, enquanto um sistema correto (safe) provê proteção contra erros de usuários confiáveis. Esta tese propõe um sistema de gerenciamento seguro e correto, em sistemas distribuídos em geral, e em sistemas de comunicação sem fio em particular. Inicialmente, apresenta-se a especificação e validação formal, em [LOTOS], do sistema distribuído de segurança para provar sua correção. Então, descreve-se como [redes neurais] podem ser empregadas na [gerência de segurança] de redes de [telecomunicações] sem fio, principalmente contra fraudes de clonagem e habilitação. O emprego de redes neurais possibilita o reconhecimento do padrão de cada usuário de telecomunicação móvel, e por conseguinte, detectar intrusões. Os resultados indicam que com o emprego de redes neurais na detecção de intrusão em redes de telecomunicações é possível reduzir, significativamente, as perdas das companhias telefônicas e usuários. Em acréscimo, apresenta-se como a arquitetura [CORBA] pode ser usada para suportar e elevar a segurança do sistema. Na implementação realizada, o sistema garante controle de acesso, autenticação, confidencialidade, integridade, disponibilidade e não-repúdio. Finalmente, como uma derivação dessa pesquisa, foi desenvolvido um sistema seguro de extrato telefônico via Web, possibilitando que os próprios usuários detectem intrusões e minimizem seus prejuízos.

Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. / Made available in DSpace on 2012-10-17T07:04:24Z (GMT). No. of bitstreams: 0Bitstream added on 2016-01-09T01:13:25Z : No. of bitstreams: 1 139130.pdf: 3494692 bytes, checksum: 725799939812cf779abd032146d85411 (MD5)