Sistemas computacionais de tempo real são identificados como aqueles sistemas submetidos a requisitos de natureza temporal. Nestes sistemas, os resultados devem estar corretos não somente do ponto de vista lógico, mas também devem ser gerados no momento correto. Um problema básico encontrado na construção de sistemas distribuídos de tempo real é a alocação e o escalonamento das tarefas nos recursos computacionais disponíveis. Existe uma dificuldade intrínsica em compatibilizar dois objetivos fundamentais: garantir que os resultados serão produzidos no momento desejado e dotar o sistema de flexibilidade para adaptar-se a um ambiente dinâmico e, assim, aumentar sua utilidade. Uma das técnicas existentes na literatura para resolver o problema de escalonamento tempo real é a Computação Imprecisa. Nesta técnica, cada tarefa da aplicação possui uma parte obrigatória e uma parte opcional. A parte obrigatória é capaz de gerar um resultado com a qualidade mínima, necessária para manter o sistema operando de maneira segura. A parte opcional refina este resultado, até que ele alcançe a qualidade desejada. Esta técnica procura conciliar os dois objetivos fundamentais citados antes. Entretanto, não existe na literatura um estudo amplo sobre a questão de "como resolver o problema do escalonamento quando sistemas de tempo real distribuídos são construidos a partir do conceito de Computação Imprecisa". O objetivo geral desta tese é mostrar como aplicações de tempo real, construídas a partir do conceito de Computação Imprecisa, podem ser escalonadas em ambiente distribuído. Em outras palavras, mostrar que o conceito de Computação Imprecisa pode ser adaptado para um ambiente onde tarefas executam em diferentes processadores e a comunicação entre elas é implementada através de mensagens. É mostrado que o problema proposto pode ser dividido em quatro problemas específicos. São eles: - Como garantir que as partes obrigatórias das tarefas serão concluídas antes dos respectivos deadlines, em um ambiente onde tarefas podem executar em diferentes processadores e o emprego de mensagens cria relações de precedência entre elas. - Como determinar que a execução de uma parte opcional não irá comprometer a execução das partes obrigatórias, previamente garantidas. - Como escolher quais partes opcionais devem ser executadas, na medida em que o recurso "tempo de processador disponível" não permite a execução de todas elas. - Como resolver qual tarefa executa em qual processador, de forma que todas as partes obrigatórias das tarefas possam ser garantidas e que as partes opcionais estejam distribuídas de forma que sua chance de execução seja maximizada. Nesta tese são apresentadas soluções de escalonamento para estes quatro problemas específicos. Desta forma, o texto mostra que efetivamente Computação Imprecisa pode ser usada como base para a construção de aplicações distribuídas de tempo real. / Real-time computing systems are defined as those systems subjected to timing constraints. In those systems, results must be not only logically correct but they also must be generated at the right moment. A basic problem one finds when building a distributed real time system is the allocation and scheduling of tasks on the available computing resources. There is an intrinsic difficulty in simultaneously achieving two fundamental goals: to guarantee that results are generated by the desired time and to make the system flexible enough so it can adapt to a dynamic environment and, that way, increase its own utility. The Imprecise Computation technique has been proposed in the literature as an approach to the scheduling of real-time systems. When this technique is used, each task has a mandatory part and an optional part. The mandatory part is able to generate a minimal quality result that is barely good enough to keep the system in a safe operational mode. The optional part refines the result until it achieves the desired quality level. This technique tries to conciliate the two fundamental goals mentioned above. Meanwhile, there is not in the literature a broad study on "how to solve the scheduling problem when real-time distributed systems are built based on Imprecise Computation concepts. "The overall goal of this theses is to show how real-time applications, that are built upon Imprecise Computation concepts, can be scheduled in a distributed environment. We intend to show that Imprecise Computation concepts can be adapted to an environment where tasks execute in different processors and communication among them is done by sending messages. It is shown in the text that we can split this problem in the following four specific problems: - How to guarantee that mandatory parts will be finished before or at the respective task deadline, when we consider that tasks can execute in different processors and the use of messages creates precedence relations among them. - How to know that the execution of an optional part will not jeopardize the execution of previously guaranteed mandatory parts. - How to chose which optional parts should be executed when the resource "available processor time" is not enough to execute all of them. - How to decide which task runs on which processor, in a way that all mandatory parts can be guaranteed and that optional parts are evenly spread over the system so as to maximize the chance they get actually executed. This theses presents scheduling solutions for those four specific problems. In this way, the text shows that Imprecise Computation can effectively be used as the conceptual base for the construction of distributed real-time applications.

Sistemas computacionais de tempo real são identificados como aqueles sistemas submetidos a requisitos de natureza temporal. Nestes sistemas, os resultados devem estar corretos não somente do ponto de vista lógico, mas também devem ser gerados no momento correto. Um problema básico encontrado na construção de sistemas distribuídos de tempo real é a alocação e o escalonamento das tarefas nos recursos computacionais disponíveis. Existe uma dificuldade intrínsica em compatibilizar dois objetivos fundamentais: garantir que os resultados serão produzidos no momento desejado e dotar o sistema de flexibilidade para adaptar-se a um ambiente dinâmico e, assim, aumentar sua utilidade. Uma das técnicas existentes na literatura para resolver o problema de escalonamento tempo real é a Computação Imprecisa. Nesta técnica, cada tarefa da aplicação possui uma parte obrigatória e uma parte opcional. A parte obrigatória é capaz de gerar um resultado com a qualidade mínima, necessária para manter o sistema operando de maneira segura. A parte opcional refina este resultado, até que ele alcançe a qualidade desejada. Esta técnica procura conciliar os dois objetivos fundamentais citados antes. Entretanto, não existe na literatura um estudo amplo sobre a questão de "como resolver o problema do escalonamento quando sistemas de tempo real distribuídos são construidos a partir do conceito de Computação Imprecisa". O objetivo geral desta tese é mostrar como aplicações de tempo real, construídas a partir do conceito de Computação Imprecisa, podem ser escalonadas em ambiente distribuído. Em outras palavras, mostrar que o conceito de Computação Imprecisa pode ser adaptado para um ambiente onde tarefas executam em diferentes processadores e a comunicação entre elas é implementada através de mensagens. É mostrado que o problema proposto pode ser dividido em quatro problemas específicos. São eles: - Como garantir que as partes obrigatórias das tarefas serão concluídas antes dos respectivos deadlines, em um ambiente onde tarefas podem executar em diferentes processadores e o emprego de mensagens cria relações de precedência entre elas. - Como determinar que a execução de uma parte opcional não irá comprometer a execução das partes obrigatórias, previamente garantidas. - Como escolher quais partes opcionais devem ser executadas, na medida em que o recurso "tempo de processador disponível" não permite a execução de todas elas. - Como resolver qual tarefa executa em qual processador, de forma que todas as partes obrigatórias das tarefas possam ser garantidas e que as partes opcionais estejam distribuídas de forma que sua chance de execução seja maximizada. Nesta tese são apresentadas soluções de escalonamento para estes quatro problemas específicos. Desta forma, o texto mostra que efetivamente Computação Imprecisa pode ser usada como base para a construção de aplicações distribuídas de tempo real. / Real-time computing systems are defined as those systems subjected to timing constraints. In those systems, results must be not only logically correct but they also must be generated at the right moment. A basic problem one finds when building a distributed real time system is the allocation and scheduling of tasks on the available computing resources. There is an intrinsic difficulty in simultaneously achieving two fundamental goals: to guarantee that results are generated by the desired time and to make the system flexible enough so it can adapt to a dynamic environment and, that way, increase its own utility. The Imprecise Computation technique has been proposed in the literature as an approach to the scheduling of real-time systems. When this technique is used, each task has a mandatory part and an optional part. The mandatory part is able to generate a minimal quality result that is barely good enough to keep the system in a safe operational mode. The optional part refines the result until it achieves the desired quality level. This technique tries to conciliate the two fundamental goals mentioned above. Meanwhile, there is not in the literature a broad study on "how to solve the scheduling problem when real-time distributed systems are built based on Imprecise Computation concepts. "The overall goal of this theses is to show how real-time applications, that are built upon Imprecise Computation concepts, can be scheduled in a distributed environment. We intend to show that Imprecise Computation concepts can be adapted to an environment where tasks execute in different processors and communication among them is done by sending messages. It is shown in the text that we can split this problem in the following four specific problems: - How to guarantee that mandatory parts will be finished before or at the respective task deadline, when we consider that tasks can execute in different processors and the use of messages creates precedence relations among them. - How to know that the execution of an optional part will not jeopardize the execution of previously guaranteed mandatory parts. - How to chose which optional parts should be executed when the resource "available processor time" is not enough to execute all of them. - How to decide which task runs on which processor, in a way that all mandatory parts can be guaranteed and that optional parts are evenly spread over the system so as to maximize the chance they get actually executed. This theses presents scheduling solutions for those four specific problems. In this way, the text shows that Imprecise Computation can effectively be used as the conceptual base for the construction of distributed real-time applications.

Sistemas computacionais de tempo real são identificados como aqueles sistemas submetidos a requisitos de natureza temporal. Nestes sistemas, os resultados devem estar corretos não somente do ponto de vista lógico, mas também devem ser gerados no momento correto. Um problema básico encontrado na construção de sistemas distribuídos de tempo real é a alocação e o escalonamento das tarefas nos recursos computacionais disponíveis. Existe uma dificuldade intrínsica em compatibilizar dois objetivos fundamentais: garantir que os resultados serão produzidos no momento desejado e dotar o sistema de flexibilidade para adaptar-se a um ambiente dinâmico e, assim, aumentar sua utilidade. Uma das técnicas existentes na literatura para resolver o problema de escalonamento tempo real é a Computação Imprecisa. Nesta técnica, cada tarefa da aplicação possui uma parte obrigatória e uma parte opcional. A parte obrigatória é capaz de gerar um resultado com a qualidade mínima, necessária para manter o sistema operando de maneira segura. A parte opcional refina este resultado, até que ele alcançe a qualidade desejada. Esta técnica procura conciliar os dois objetivos fundamentais citados antes. Entretanto, não existe na literatura um estudo amplo sobre a questão de "como resolver o problema do escalonamento quando sistemas de tempo real distribuídos são construidos a partir do conceito de Computação Imprecisa". O objetivo geral desta tese é mostrar como aplicações de tempo real, construídas a partir do conceito de Computação Imprecisa, podem ser escalonadas em ambiente distribuído. Em outras palavras, mostrar que o conceito de Computação Imprecisa pode ser adaptado para um ambiente onde tarefas executam em diferentes processadores e a comunicação entre elas é implementada através de mensagens. É mostrado que o problema proposto pode ser dividido em quatro problemas específicos. São eles: - Como garantir que as partes obrigatórias das tarefas serão concluídas antes dos respectivos deadlines, em um ambiente onde tarefas podem executar em diferentes processadores e o emprego de mensagens cria relações de precedência entre elas. - Como determinar que a execução de uma parte opcional não irá comprometer a execução das partes obrigatórias, previamente garantidas. - Como escolher quais partes opcionais devem ser executadas, na medida em que o recurso "tempo de processador disponível" não permite a execução de todas elas. - Como resolver qual tarefa executa em qual processador, de forma que todas as partes obrigatórias das tarefas possam ser garantidas e que as partes opcionais estejam distribuídas de forma que sua chance de execução seja maximizada. Nesta tese são apresentadas soluções de escalonamento para estes quatro problemas específicos. Desta forma, o texto mostra que efetivamente Computação Imprecisa pode ser usada como base para a construção de aplicações distribuídas de tempo real. / Real-time computing systems are defined as those systems subjected to timing constraints. In those systems, results must be not only logically correct but they also must be generated at the right moment. A basic problem one finds when building a distributed real time system is the allocation and scheduling of tasks on the available computing resources. There is an intrinsic difficulty in simultaneously achieving two fundamental goals: to guarantee that results are generated by the desired time and to make the system flexible enough so it can adapt to a dynamic environment and, that way, increase its own utility. The Imprecise Computation technique has been proposed in the literature as an approach to the scheduling of real-time systems. When this technique is used, each task has a mandatory part and an optional part. The mandatory part is able to generate a minimal quality result that is barely good enough to keep the system in a safe operational mode. The optional part refines the result until it achieves the desired quality level. This technique tries to conciliate the two fundamental goals mentioned above. Meanwhile, there is not in the literature a broad study on "how to solve the scheduling problem when real-time distributed systems are built based on Imprecise Computation concepts. "The overall goal of this theses is to show how real-time applications, that are built upon Imprecise Computation concepts, can be scheduled in a distributed environment. We intend to show that Imprecise Computation concepts can be adapted to an environment where tasks execute in different processors and communication among them is done by sending messages. It is shown in the text that we can split this problem in the following four specific problems: - How to guarantee that mandatory parts will be finished before or at the respective task deadline, when we consider that tasks can execute in different processors and the use of messages creates precedence relations among them. - How to know that the execution of an optional part will not jeopardize the execution of previously guaranteed mandatory parts. - How to chose which optional parts should be executed when the resource "available processor time" is not enough to execute all of them. - How to decide which task runs on which processor, in a way that all mandatory parts can be guaranteed and that optional parts are evenly spread over the system so as to maximize the chance they get actually executed. This theses presents scheduling solutions for those four specific problems. In this way, the text shows that Imprecise Computation can effectively be used as the conceptual base for the construction of distributed real-time applications.

A crescente complexidade dos sistemas tempo-real embarcados demanda novas metodologias e ferramentas para gerenciar os problemas de projeto, análise, integração e validação de sistemas complexos. Este trabalho aborda o tema co-projeto de sistemas tempo-real embarcados, propondo estratégias para a integração das fases iniciais de modelagem de um sistema tempo-real embarcado com as fases subseqüentes do projeto, como a implementação do software e do hardware. É proposto um framework orientado a objetos que permite a criação de modelos orientados a objetos de sistemas tempo-real embarcados, utilizando conceitos temporais similares aos propostos em UML-RT (ou mais especificamente no UML Profile for Schedulability, Performance and Time). É proposta uma estratégia de mapeamento dos requisitos temporais dos diagramas UMLRT para uma interface de programação (API) baseada na “Especificação Tempo-Real para Java” (Real-Time Specification for Java ou RTSJ), a qual pode ser executada tanto em software – em programas RTSJ executando em máquinas virtuais Java (JVM) tempo-real – ou em hardware – em processadores Java Tempo-Real. Para permitir o mapeamento para hardware são propostas extensões tempo-real ao processador Java FemtoJava, desenvolvido no âmbito de dissertações de mestrado e projetos de pesquisa no PPGC, criando-se um novo processador tempo-real denominado de RT-FemtoJava. Dentre as extensões propostas ao processador FemtoJava destaca-se a inclusão de um relógio de tempo-real e o suporte a instruções para alocação e manipulação de objetos. Os conceitos propostos foram validados no âmbito de estudos de caso, sendo os resultados obtidos descritos na presente dissertação.

A crescente complexidade dos sistemas tempo-real embarcados demanda novas metodologias e ferramentas para gerenciar os problemas de projeto, análise, integração e validação de sistemas complexos. Este trabalho aborda o tema co-projeto de sistemas tempo-real embarcados, propondo estratégias para a integração das fases iniciais de modelagem de um sistema tempo-real embarcado com as fases subseqüentes do projeto, como a implementação do software e do hardware. É proposto um framework orientado a objetos que permite a criação de modelos orientados a objetos de sistemas tempo-real embarcados, utilizando conceitos temporais similares aos propostos em UML-RT (ou mais especificamente no UML Profile for Schedulability, Performance and Time). É proposta uma estratégia de mapeamento dos requisitos temporais dos diagramas UMLRT para uma interface de programação (API) baseada na “Especificação Tempo-Real para Java” (Real-Time Specification for Java ou RTSJ), a qual pode ser executada tanto em software – em programas RTSJ executando em máquinas virtuais Java (JVM) tempo-real – ou em hardware – em processadores Java Tempo-Real. Para permitir o mapeamento para hardware são propostas extensões tempo-real ao processador Java FemtoJava, desenvolvido no âmbito de dissertações de mestrado e projetos de pesquisa no PPGC, criando-se um novo processador tempo-real denominado de RT-FemtoJava. Dentre as extensões propostas ao processador FemtoJava destaca-se a inclusão de um relógio de tempo-real e o suporte a instruções para alocação e manipulação de objetos. Os conceitos propostos foram validados no âmbito de estudos de caso, sendo os resultados obtidos descritos na presente dissertação.

A crescente complexidade dos sistemas tempo-real embarcados demanda novas metodologias e ferramentas para gerenciar os problemas de projeto, análise, integração e validação de sistemas complexos. Este trabalho aborda o tema co-projeto de sistemas tempo-real embarcados, propondo estratégias para a integração das fases iniciais de modelagem de um sistema tempo-real embarcado com as fases subseqüentes do projeto, como a implementação do software e do hardware. É proposto um framework orientado a objetos que permite a criação de modelos orientados a objetos de sistemas tempo-real embarcados, utilizando conceitos temporais similares aos propostos em UML-RT (ou mais especificamente no UML Profile for Schedulability, Performance and Time). É proposta uma estratégia de mapeamento dos requisitos temporais dos diagramas UMLRT para uma interface de programação (API) baseada na “Especificação Tempo-Real para Java” (Real-Time Specification for Java ou RTSJ), a qual pode ser executada tanto em software – em programas RTSJ executando em máquinas virtuais Java (JVM) tempo-real – ou em hardware – em processadores Java Tempo-Real. Para permitir o mapeamento para hardware são propostas extensões tempo-real ao processador Java FemtoJava, desenvolvido no âmbito de dissertações de mestrado e projetos de pesquisa no PPGC, criando-se um novo processador tempo-real denominado de RT-FemtoJava. Dentre as extensões propostas ao processador FemtoJava destaca-se a inclusão de um relógio de tempo-real e o suporte a instruções para alocação e manipulação de objetos. Os conceitos propostos foram validados no âmbito de estudos de caso, sendo os resultados obtidos descritos na presente dissertação.

CORBA vem se tornando o middleware padrão no desenvolvimento de aplicações distribuídas, tornando-as independentes de plataforma e linguagem. Ele tem sido utilizado também em aplicações de tempo real através de sua extensão para tempo real, o RT-CORBA. Apesar desta extensão ter conseguido reduzir vários dos problemas do CORBA no que se refere ao não-determinismo e falta de garantias temporais, ainda há muito estudo na área de mecanismos de escalonamento utilizados. Assim, este trabalho tem por objetivo apresentar uma proposta de escalonamento adaptativo no ambiente Real-Time CORBA. Nesta proposta o período das tarefas é controlado, variando dentro de uma faixa pré-estabelecida com o propósito de reduzir o atraso médio das tarefas da aplicação.

CORBA vem se tornando o middleware padrão no desenvolvimento de aplicações distribuídas, tornando-as independentes de plataforma e linguagem. Ele tem sido utilizado também em aplicações de tempo real através de sua extensão para tempo real, o RT-CORBA. Apesar desta extensão ter conseguido reduzir vários dos problemas do CORBA no que se refere ao não-determinismo e falta de garantias temporais, ainda há muito estudo na área de mecanismos de escalonamento utilizados. Assim, este trabalho tem por objetivo apresentar uma proposta de escalonamento adaptativo no ambiente Real-Time CORBA. Nesta proposta o período das tarefas é controlado, variando dentro de uma faixa pré-estabelecida com o propósito de reduzir o atraso médio das tarefas da aplicação.

CORBA vem se tornando o middleware padrão no desenvolvimento de aplicações distribuídas, tornando-as independentes de plataforma e linguagem. Ele tem sido utilizado também em aplicações de tempo real através de sua extensão para tempo real, o RT-CORBA. Apesar desta extensão ter conseguido reduzir vários dos problemas do CORBA no que se refere ao não-determinismo e falta de garantias temporais, ainda há muito estudo na área de mecanismos de escalonamento utilizados. Assim, este trabalho tem por objetivo apresentar uma proposta de escalonamento adaptativo no ambiente Real-Time CORBA. Nesta proposta o período das tarefas é controlado, variando dentro de uma faixa pré-estabelecida com o propósito de reduzir o atraso médio das tarefas da aplicação.

Atualmente, o projeto de sistemas tempo-real embarcados e distribuídos está crescendo em complexidade devido à sua natureza heterogênea e ao crescente número e diversidade de funções que um único sistema desempenha. Sistemas de automação industrial, sistemas eletrônicos em automóveis e veículos aéreos, equipamentos médicos, entre outros, são exemplos de tais sistemas. Tais sistemas são compostos por componentes distintos (blocos de hardware e software), os quais geralmente são projetados concorrentemente utilizando modelos, ferramentas e linguagens de especificação e implementação diferentes. Além disso, estes sistemas tem requisitos específicos e importantes, os quais não representam (por si só) as funcionalidades esperadas do sistema, mas podem afetar a forma como o sistema executa suas funcionalidades e são muito importantes para a realização do projeto com sucesso. Os chamados requisitos não-funcionais são difíceis de tratar durante todo o ciclo de projeto porque normalmente um único requisito não-funcional afeta vários componentes diferentes. A presente tese de doutorado propõe a integração automatizada das fases de projeto de sistemas tempo-real embarcados e distribuídos focando em aplicações na área da automação. A abordagem proposta usa técnicas de engenharia guiada por modelos (do inglês Model Driven Engineering ou MDE) e projeto orientado a aspectos (do inglês Aspect-Oriented Design ou AOD) juntamente com o uso de plataformas previamente desenvolvidas (ou desenvolvida por terceiros) para projetar os componentes de sistemas tempo-real embarcados e distribuídos. Adicionalmente, os conceitos de AOD permitem a separação no tratamento dos requisitos de naturezas diferentes (i.e. requisitos funcionais e não-funcionais), melhorando a modularização dos artefatos produzidos (e.g. modelos de especificação, código fonte, etc.). Além disso, esta tese propõe uma ferramenta de geração de código, que suporta a transição automática das fases iniciais de especificação para as fases seguintes de implementação. Esta ferramenta usa um conjunto de regras de mapeamento, que descrevem como elementos nos níveis mais altos de abstração são mapeados (ou transformados) em elementos dos níveis mais baixos de abstração. Em outras palavras, tais regras de mapeamento permitem a transformação automática da especificação inicial, as quais estão mais próximo do domínio da aplicação, em código fonte para os componentes de hardware e software, os quais podem ser compilados e sintetizados por outras ferramentas para se obter a realização/implementação do sistema tempo-real embarcado e distribuído. / Currently, the design of distributed embedded real-time systems is growing in complexity due to the increasing amount of distinct functionalities that a single system must perform, and also to concerns related to designing different kinds of components. Industrial automation systems, embedded electronics systems in automobiles or aerial vehicles, medical equipments and others are examples of such systems, which includes distinct components (e.g. hardware and software ones) that are usually designed concurrently using distinct models, tools, specification, and implementation languages. Moreover, these systems have domain specific and important requirements, which do not represent by themselves the expected functionalities, but can affect both the way that the system performs its functionalities as well as the overall design success. The so-called nonfunctional requirements are difficult to deal with during the whole design because usually a single non-functional requirement affects several distinct components. This thesis proposes an automated integration of distributed embedded real-time systems design phases focusing on automation systems. The proposed approach uses Model- Driven Engineering (MDE) techniques together with Aspect-Oriented Design (AOD) and previously developed (or third party) hardware and software platforms to design the components of distributed embedded real-time systems. Additionally, AOD concepts allow a separate handling of requirement with distinct natures (i.e. functional and non-functional requirements), improving the produced artifacts modularization (e.g. specification model, source code, etc.). In addition, this thesis proposes a code generation tool, which supports an automatic transition from the initial specification phases to the following implementation phases. This tool uses a set of mapping rules, describing how elements at higher abstraction levels are mapped (or transformed) into lower abstraction level elements. In other words, suchmapping rules allow an automatic transformation of the initial specification, which is closer to the application domain, in source code for software and hardware components that can be compiled or synthesized by other tools, obtaining the realization/ implementation of the distributed embedded real-time system.