Devido a sua baixa latência de banda, os clusters equipados com o adaptador SCI são uma alternativa para sistemas de tempo real distribuídos. Esse trabalho apresenta o projeto e implementação de uma plataforma de comunicação de tempo real sobre clusters SCI. O hardware padrão do SCI não se mostra adequado para a transmissão de tráfego de tempo real devido ao problema da contenção de acesso ao meio que causa inversão de prioridade. Por isso uma disciplina de acesso ao meio é implementada como parte da plataforma. Através da arquitetura implementada é possível o estabelecimento de canais de comunicação com garantia de banda. Assim, aplicações multimídias, por exemplo, podem trocar com taxa constante de conunicação. Cada mensagem é enviada somente uma vez. Assim, mensagens som a semântica de eventos podem ser enviadas. Além disso, a ordem e o tamanho das mensagens são garantidos. Além do tráfego com largura de banda garantida, a plataforma possibilita a troca de pacotes IP entre diferentes máquinas do cluster. Esses pacotes são inseridos no campo de dados dos pacotes próprios da plataforma e após são enviados através do uso de pacotes IP. Além disso, essa funcionalidade da plataforma permite também a execução de bibliotecas de comunicação baseadas em TCP/IP como o MPI sobre o cluster SCI. A plataforma de comunicação é implementada como modulos do sistema operacional Linux com a execução de tempo real RTAI. A valiação da plataforma mostrou que mesmo em cenários com muita comunicação entre todos os nodos correndo, a largura de banda reservada para cada canal foi mantida.

Made available in DSpace on 2016-05-04T12:04:26Z (GMT). No. of bitstreams: 1 000478388-Texto+Completo-0.pdf: 3535458 bytes, checksum: a287a27f46a74cc898a15dccbe61ef44 (MD5) Previous issue date: 2016 / Embedded systems adopt NoC-based MPSoCs since a large number of processing elements (PEs) enables the simultaneous execution of several applications, where some of these applications require real-time (RT) constraints. PEs communicate using messages in distributed memory MPSoCs. These messages can be classified as application messages, being the data generated by the applications, and management messages, used to ensure the correct operation of the platform. As the communication has a large impact on the application performance, an important concern in the design of MPSoCs is to improve the performance of the applications’ communication, particularly for RT applications. Two possible methods to optimize the communication performance includes: (i) prioritize the RT application messages over the messages generated by best-effort (BE) applications; (ii) isolate the application messages from the management messages, considering that complex MPSoCs require a large number of management services to meet the performance constraints. The NoC literature contains several works that differentiate traffic classes, proposing the isolation of these traffic classes by the use of multiple physical (MP) NoCs, reducing interferences among the flows belonging to different classes. The main goal of this work is to propose and to evaluate MP NoCs, with one network dedicated to the application messages and a second network for the management messages (MNoC).Based on the evaluation of the impact of the management traffic in the overall NoC communication, two different versions of M-NoCs are implemented and evaluated. Another important consideration for RT applications is to ensure that these applications meet their deadlines. The execution of these applications must have higher priority over the BE applications by dedicating more processing resources using a specialized RT scheduler. This work presents and evaluates an MPSoC platform capable of supporting both communication and computation QoS, being extensible for a large number of management services by to the use of MP NoCs. Results show that M-NoCs may be customized to have a small area overhead. The adoption of M-NoCs improves the communication performance, latency and jitter, even when the network used in the platform has QoS mechanisms (e. g. priority flows and circuit switching), by isolating the management traffic from the application traffic. / Sistemas embarcados adotam MPSoCs baseados em NoCs visto que um número grande de elementos de processamento (PEs) permitem a execução simultânea de várias aplicações, onde algumas dessas aplicações necessitam de restrições de tempo real (RT). PEs comunicam-se utilizando troca de mensagens em MPSoCs com memória distribuída. Essas mensagens podem ser classificadas como mensagens de aplicação, sendo os dados gerados pelas aplicações, e mensagens de gerência, utilizadas para garantir a operação correta da plataforma. Visto que a comunicação possui um forte impacto no desempenho da aplicação, uma preocupação importante no projeto de MPSoCs é de melhorar o desempenho da comunicação das aplicações, especialmente para aplicações RT. Dois métodos possíveis para otimizar o desempenho de comunicação incluem: (i) priorizar as mensagens das aplicações de RT sobre as mensagens geradas por aplicações de melhor esforço (do inglês, best effort, BE); (ii) isolar as mensagens de aplicações das mensagens de gerência, considerando que MPSoCs complexos necessitam de um grande número de serviços de gerência para satisfazer os requisitos de desempenho. Na literatura sobre NoCs há vários trabalhos que diferenciam classes de tráfego, propondo o isolamento dessas classes de tráfego pela utilização de múltiplas NoCs físicas (do inglês, multiple physical NoCs, MP NoCs), reduzindo interferências entre fluxos pertencentes a classes diferentes. O principal objetivo deste trabalho é propor e avaliar MP NoCs, onde uma rede é dedicada para mensagens de aplicação e uma segunda rede é utilizada para mensagens de gerência (M-NoC).Baseado na avaliação do impacto do tráfego de gerência na comunicação da NoC, duas versões da M-NoC são implementadas e avaliadas. Outra consideração importante para aplicações RT é garantir que os deadlines dessas aplicações sejam satisfeitos. A execução dessas aplicações deve ser priorizada sobre as aplicações BE através do fornecimento de mais recursos de processamento utilizando um escalonador RT especializado. Esse trabalho apresenta e avalia uma plataforma MPSoC capaz de suportar QoS de comunicação e de computação, sendo extensível para um número grande de serviços de gerência pelo uso de MP NoCs. Resultados mostram que as M-NoCs podem ser personalizadas para terem um pequeno impacto de área. A utilização de M-NoCs melhora o desempenho de comunicação, latência e jitter, mesmo considerando que a plataforma já possui mecanismos de QoS (como fluxos prioritários e chaveamento de circuitos), pelo isolamento do tráfego de gerência do tráfego de aplicação.

Nos últimos anos a indústria automotiva vem passando por problemas causados pela complexidade dos equipamentos eletrônicos existentes nos veículos e pela falta de pa- dronização. Praticamente não existem componentes que sejam 100% compatíveis entre veículos de fabricantes diferentes. Para resolver este problema foi criado o consórcio AUTOSAR, que especifica uma plataforma padrão para o software usado nos componentes eletrônicos dos veículos. Este trabalho apresenta o padrão AUTOSAR, implementa o protocolo FTT-CAN (Fle- xible Time-Trigger Controler Area Network) como um barramento de comunicação se- guindo a especificação AUTOSAR e propõe a utilização deste barramento como meio de comunicação entre as ECUs de um sistema automotivo. Esta implementação resultará em maior flexibilidade, segurança e determinismo temporal para a comunicação entre os componentes deste sistema. A utilização do FTT-CAN permitirá a inserção de novos mó- dulos e novas mensagens na rede sem a necessidade de redefinição manual e offline da tabela de escalonamento, o que permitirá o desenvolvimento de aplicações plug-and-play em sistemas automotivos. A dissertação apresenta uma nova abordagem para hot-plug de novos nós na rede FTT- CAN, o estudo de caso e análise do desempenho deste sistema implementado em relação a suas características de tempo real.

Eingebettete Systeme haben eine starke Präsenz in unseren alltäglichen Leben bekommen, in vielen Bereichen sind sie allgegenwartig geworden. Dieses ist eine Herausforderung für die Forschung im Bereich solcher Systeme. Ständig müssen neue adäquate Lösungen gefunden werden. Durch die zunehmenden Anforderungen nimmt die Leistung und Flexibilität bei eingebetteten Systemen ständig zu. Zum Beispiel, eine einzelne Architektur muss in der Lage sein, in bestimmten Fällen, mehrere Applikationen mit verschiedenen Anforderungen zu unterstützen, die asynchron und dynamisch ablaufen können (dynamische Umgebungen). Rekon gurierbare Rechensysteme scheinen ein potentielles Paradigma für diese Szenarien zu sein, weil sie Flexibilität und hohe Rechenleistung für moderne eingebettete Systeme liefern können. Von besonderem Interesse sind jene Architekturen, wo ein Mikroprozessor mit rekon gurierbarer Hardware fest verbunden ist (hybride Plattform). Eine solche hybride Plattform nennt man rekon- gurierbares System-on-Chip (RSoC). Jedoch nimmt die Komplexität in solchen Systemen ständig zu. Deshalb ist die Anwendung eines Betriebssystems (OSs) wesentlich, um eine notwendige Abstraktion von den vorhandenen Ressourcen in rekon gurierbaren Rechensystemen zu ermöglichen. Weiterhin, ist durch die gemeinsame Nutzung von Ressourcen einer solchen Architektur und deren Verwaltung in Bezug auf die Rekon- guration, der Einsatz eines OS zwingend notwendig. Dennoch sind die Ressourcen in eingebetteten Systemen begrenzt. Deshalb muss beim Entwurf eines OS für ein solches System sorgfältig vorgegangen werden, da das OS an sich schon Ressourcen verbraucht. Zusammen mit den Applikationen kann das OS auch von den RSoC Architekturen profitieren dadurch, dass das OS sich selbst auf der hybriden Plattform rekon gurieren kann. Somit kann das OS dieübrigen Ressourcen nutzen, die nicht gegenwärtig von der Applikation benutzt werden. In diesen Rahmen präsentiert die vorliegende Arbeit den Entwurf von geeigneten Methodologien, Strategien, Hardware und Entwurfsunterstützungen für eine geeignete Verwaltung von dynamischen Rekon gurierungsaktivit äten eines Echtzeitbetriebssystems (RTOSs), das auf einer RSoC basierten Plattform läuft. Die Intention dabei ist es die Selbst-Rekon guration der RTOS Dienste auf einer hybriden Plattform zu ermöglichen, wodurch die vorhandenen Ressourcen der Plattform e ektiv ausgenutzt werden können. / Sistemas embarcados estão cada vez mais presentes em nossas vidas e estão se tornando onipresentes. Este fato tem demandado grandes esforços em pesquisa para criação de propostas e soluções para os desafios gerados no desenvolvimento destes sistemas. Por exemplo, uma arquitetura moderna de sistemas embarcados requer alto poder de computação e também grande exibilidade, e a demanda por estes requisitos tem crescido constantemente. Uma única arquitetura deve executar, em certos casos, diferentes aplicações com diferentes requisitos e com inicio de execução indeterminado, caracterizando desta maneira um ambiente dinâmico. A computação reconfigurável aparece como um paradigma promissor para estes casos pois consegue prover alto poder de computação juntamente com exibilidade requeridas pelos sistemas embarcados modernos. Especialmente interessantes são arquiteturas baseadas em System-on-Chip reconfiguráveis (RSoC), nas quais um microprocessador está fortemente conectado a um hardware reconfigurável (plataforma híbrida). Porém a complexidade no desenvolvimento destes tipos de sistemas cresce, tornando o uso de um sistema operacional (SO) indispensável. Entretanto, uma plataforma de execução de um sistema embarcado sofre pela escassez de recursos. Este fato exige um cuidado especial no desenvolvimento de um SO uma vez que este também usa os recursos desta plataforma. Juntamente com as tarefas da aplicação, o SO também pode tirar proveito de uma plataforma baseada em RSoC onde este é capaz de se auto reconfigurar sobre esta plataforma híbrida. Deste modo, o SO pode usar os recursos computacionais, correntemente não requeridos pelas aplicações, para a sua execução. Dentro deste contexto, este trabalho apresenta o design de metodologias, estratégias e suporte em hardware e software para o gerenciamento apropriado das atividades de reconfigurações dinâmicas de um sistema operacional de tempo-real (RTOS), que é executado em uma plataforma baseada em RSoC. A intenção com isto é a de proporcionar ao RTOS meios com os quais este é capaz de se auto reconfigurar nesta arquitetura híbrida com a intenção de atingir um uso mais eficiente dos recursos computacionais desta plataforma de execução. / Embedded systems are massively present in our lives and they are becoming omnipresent. This has demanded strong e orts in research for providing new solutions for the challenges faced in the design of such systems. For instance, the requirements of high computational performance and exibility of the contemporary embedded systems are continuously increasing. A single architecture must be able to support, in certain cases, di erent kind of applications with di erent requirements which can start asynchronously and dynamically (changing environments). Recon gurable computing seems to be a potential paradigm for these scenarios as it can provide exibility and high computational performance for modern embedded systems. Of especial interest are those architectures where a microprocessor is tightly connected with a recon gurable hardware (hybrid platform), constituting a so called recon gurable System-on-Chip (RSoC). However, the complexity in designing such systems rises. Therefore, the usage of an Operating System (OS) is essential to provide the necessary abstraction of the computational resources in recon gurable computing. Moreover, due to the intrinsic overhead caused by the recon guration activities and the potential sharing of computational resources the necessity for support provided by an OS is unquestionable. Nevertheless, embedded system platforms lack in computational resources. This fact requires a careful design of an OS for such a system, since it also consumes its resources. Along with the application tasks, the OS can pro t from a RSoC based architecture by recon guring itself over this hybrid platform. Thereby, the OS can make use of the remaining resources that are not currently required by the application for its execution. Within this context, this work presents the design of proper methodologies, strategies, hardware and design support for a proper management of dynamic recon guration activities of a Real-Time Operating System (RTOS) running on a RSoC based platform. The intention thereby, is to promote the self-recon guration of the RTOS services on this hybrid platform, so that the computational resources of this execution platform are used in an e cient way.

Este trabalho apresenta um estudo, implementação e validação em ambiente simulado de uma política de escalonamento de tempo real para provisão de QoS absoluto em serviço Web. Sintetizando características de escalonamento de tempo real, com baixa latência e de modelo re-alimentado, a política proposta permite um ajuste ponderado pela quantificação da exigência à qual o sistema está submetido por meio de suas classes. A meta é oferecer ações imediatas às requisições mais urgentes, sem, entretanto, degradar a qualidade do sistema como um todo. Verificou-se que a estratégia de escalonamento baseada em exigência (EBS - Exigency-Based Scheduling) é benéfica para o controle da qualidade de serviço oferecida. Escalonar de forma a evitar demasiado peso imposto ao sistema permite que o servidor tenha mais condições de cumprir os requisitos contratuais. Também foi alvo do estudo a criação de uma métrica de avaliação da satisfação de atendimento por parte dos usuários dos serviços. Os resultados alcançados com o emprego da política EBS sinalizam uma melhoria em termos de qualidade de serviço e melhor satisfação dos clientes de forma balanceada / The present work presents a study, implementation and validation in a simulated environment of a real time scheduling policy to provide absolute QoS for web services. Synthesizing characteristic from real time scheduling, low latency and feedback scheduling, the proposed policy allows an adjustment weighed by the quantification of the exigency which the system is exposed through its classes. The goal is to offer immediate actions to most urgent requests, without decreasing the system quality as a whole. It was verified that the scheduling strategy based on exigency (EBS - Exigency-Based Scheduling) helps to control the quality of service offered. Scheduling in order to avoid imposing a heavy load to the system gives more condition to the server to fulfill the requirements agreed. Another goal of this work is the creation of a metrics to evaluate the client satisfaction. The results achieved with the EBS policy indicate a higher quality of service and better client satisfaction

Este trabalho apresenta uma avaliação do algoritmo EBS, uma política de escalonamento proposta para sistemas de tempo real flexíveis com qualidade de serviço baseado em limites superiores para tempos médios de resposta. Experimentos têm demonstrado propriedades vantajosas da política EBS em servidores Web com diferenciação de serviço. O objetivo do presente estudo é compreender o comportamento da EBS em relação à diferentes parâmetros que descrevem a carga de trabalho. Esse conhecimento é útil para obtenção de um melhor aproveitamento computacional. São apresentados experimentos e resultados que analisam a influência de cada um dos fatores considerados na qualidade do serviço oferecido. A partir desses resultados são tecidas conclusões acerca de abordagens para o dimensionamento de carga e de capacidade do servidor / This Master degree project has presented an evaluation of the EBS algorithm, a scheduling policy proposed for soft real-time systems with quality of service based on upper limits for average response times. Experiments have shown advantageous properties of the EBS policy on Web servers with service differentiation. The aim of this study is to understand the behavior of the EBS in relation to different parameters that describe the workload. This knowledge is useful for obtaining a better use of computing. Experiments and results are presented analyzing the influence of each factor considering the quality of service offered. From these results, conclusions are woven about approaches to the design load and server capacity

Eingebettete Systeme haben eine starke Präsenz in unseren alltäglichen Leben bekommen, in vielen Bereichen sind sie allgegenwartig geworden. Dieses ist eine Herausforderung für die Forschung im Bereich solcher Systeme. Ständig müssen neue adäquate Lösungen gefunden werden. Durch die zunehmenden Anforderungen nimmt die Leistung und Flexibilität bei eingebetteten Systemen ständig zu. Zum Beispiel, eine einzelne Architektur muss in der Lage sein, in bestimmten Fällen, mehrere Applikationen mit verschiedenen Anforderungen zu unterstützen, die asynchron und dynamisch ablaufen können (dynamische Umgebungen). Rekon gurierbare Rechensysteme scheinen ein potentielles Paradigma für diese Szenarien zu sein, weil sie Flexibilität und hohe Rechenleistung für moderne eingebettete Systeme liefern können. Von besonderem Interesse sind jene Architekturen, wo ein Mikroprozessor mit rekon gurierbarer Hardware fest verbunden ist (hybride Plattform). Eine solche hybride Plattform nennt man rekon- gurierbares System-on-Chip (RSoC). Jedoch nimmt die Komplexität in solchen Systemen ständig zu. Deshalb ist die Anwendung eines Betriebssystems (OSs) wesentlich, um eine notwendige Abstraktion von den vorhandenen Ressourcen in rekon gurierbaren Rechensystemen zu ermöglichen. Weiterhin, ist durch die gemeinsame Nutzung von Ressourcen einer solchen Architektur und deren Verwaltung in Bezug auf die Rekon- guration, der Einsatz eines OS zwingend notwendig. Dennoch sind die Ressourcen in eingebetteten Systemen begrenzt. Deshalb muss beim Entwurf eines OS für ein solches System sorgfältig vorgegangen werden, da das OS an sich schon Ressourcen verbraucht. Zusammen mit den Applikationen kann das OS auch von den RSoC Architekturen profitieren dadurch, dass das OS sich selbst auf der hybriden Plattform rekon gurieren kann. Somit kann das OS dieübrigen Ressourcen nutzen, die nicht gegenwärtig von der Applikation benutzt werden. In diesen Rahmen präsentiert die vorliegende Arbeit den Entwurf von geeigneten Methodologien, Strategien, Hardware und Entwurfsunterstützungen für eine geeignete Verwaltung von dynamischen Rekon gurierungsaktivit äten eines Echtzeitbetriebssystems (RTOSs), das auf einer RSoC basierten Plattform läuft. Die Intention dabei ist es die Selbst-Rekon guration der RTOS Dienste auf einer hybriden Plattform zu ermöglichen, wodurch die vorhandenen Ressourcen der Plattform e ektiv ausgenutzt werden können. / Sistemas embarcados estão cada vez mais presentes em nossas vidas e estão se tornando onipresentes. Este fato tem demandado grandes esforços em pesquisa para criação de propostas e soluções para os desafios gerados no desenvolvimento destes sistemas. Por exemplo, uma arquitetura moderna de sistemas embarcados requer alto poder de computação e também grande exibilidade, e a demanda por estes requisitos tem crescido constantemente. Uma única arquitetura deve executar, em certos casos, diferentes aplicações com diferentes requisitos e com inicio de execução indeterminado, caracterizando desta maneira um ambiente dinâmico. A computação reconfigurável aparece como um paradigma promissor para estes casos pois consegue prover alto poder de computação juntamente com exibilidade requeridas pelos sistemas embarcados modernos. Especialmente interessantes são arquiteturas baseadas em System-on-Chip reconfiguráveis (RSoC), nas quais um microprocessador está fortemente conectado a um hardware reconfigurável (plataforma híbrida). Porém a complexidade no desenvolvimento destes tipos de sistemas cresce, tornando o uso de um sistema operacional (SO) indispensável. Entretanto, uma plataforma de execução de um sistema embarcado sofre pela escassez de recursos. Este fato exige um cuidado especial no desenvolvimento de um SO uma vez que este também usa os recursos desta plataforma. Juntamente com as tarefas da aplicação, o SO também pode tirar proveito de uma plataforma baseada em RSoC onde este é capaz de se auto reconfigurar sobre esta plataforma híbrida. Deste modo, o SO pode usar os recursos computacionais, correntemente não requeridos pelas aplicações, para a sua execução. Dentro deste contexto, este trabalho apresenta o design de metodologias, estratégias e suporte em hardware e software para o gerenciamento apropriado das atividades de reconfigurações dinâmicas de um sistema operacional de tempo-real (RTOS), que é executado em uma plataforma baseada em RSoC. A intenção com isto é a de proporcionar ao RTOS meios com os quais este é capaz de se auto reconfigurar nesta arquitetura híbrida com a intenção de atingir um uso mais eficiente dos recursos computacionais desta plataforma de execução. / Embedded systems are massively present in our lives and they are becoming omnipresent. This has demanded strong e orts in research for providing new solutions for the challenges faced in the design of such systems. For instance, the requirements of high computational performance and exibility of the contemporary embedded systems are continuously increasing. A single architecture must be able to support, in certain cases, di erent kind of applications with di erent requirements which can start asynchronously and dynamically (changing environments). Recon gurable computing seems to be a potential paradigm for these scenarios as it can provide exibility and high computational performance for modern embedded systems. Of especial interest are those architectures where a microprocessor is tightly connected with a recon gurable hardware (hybrid platform), constituting a so called recon gurable System-on-Chip (RSoC). However, the complexity in designing such systems rises. Therefore, the usage of an Operating System (OS) is essential to provide the necessary abstraction of the computational resources in recon gurable computing. Moreover, due to the intrinsic overhead caused by the recon guration activities and the potential sharing of computational resources the necessity for support provided by an OS is unquestionable. Nevertheless, embedded system platforms lack in computational resources. This fact requires a careful design of an OS for such a system, since it also consumes its resources. Along with the application tasks, the OS can pro t from a RSoC based architecture by recon guring itself over this hybrid platform. Thereby, the OS can make use of the remaining resources that are not currently required by the application for its execution. Within this context, this work presents the design of proper methodologies, strategies, hardware and design support for a proper management of dynamic recon guration activities of a Real-Time Operating System (RTOS) running on a RSoC based platform. The intention thereby, is to promote the self-recon guration of the RTOS services on this hybrid platform, so that the computational resources of this execution platform are used in an e cient way.

Nos últimos anos a indústria automotiva vem passando por problemas causados pela complexidade dos equipamentos eletrônicos existentes nos veículos e pela falta de pa- dronização. Praticamente não existem componentes que sejam 100% compatíveis entre veículos de fabricantes diferentes. Para resolver este problema foi criado o consórcio AUTOSAR, que especifica uma plataforma padrão para o software usado nos componentes eletrônicos dos veículos. Este trabalho apresenta o padrão AUTOSAR, implementa o protocolo FTT-CAN (Fle- xible Time-Trigger Controler Area Network) como um barramento de comunicação se- guindo a especificação AUTOSAR e propõe a utilização deste barramento como meio de comunicação entre as ECUs de um sistema automotivo. Esta implementação resultará em maior flexibilidade, segurança e determinismo temporal para a comunicação entre os componentes deste sistema. A utilização do FTT-CAN permitirá a inserção de novos mó- dulos e novas mensagens na rede sem a necessidade de redefinição manual e offline da tabela de escalonamento, o que permitirá o desenvolvimento de aplicações plug-and-play em sistemas automotivos. A dissertação apresenta uma nova abordagem para hot-plug de novos nós na rede FTT- CAN, o estudo de caso e análise do desempenho deste sistema implementado em relação a suas características de tempo real.

Devido aos constantes avanços computacionais, bem como o desenvolvimento de eficientes métodos para a solução de problemas de otimização não-lineares, tem-se tornado interessante a realização de otimização em tempo real e como conseqüência o uso de estimadores on-line em processos químicos não lineares. Neste sentido, a atualização automática de modelos de processos torna-se interessante permitindo a realização de estimativas em tempo real de variáveis infreqüentemente medidas e/ou imensuráveis e de variáveis estados e parâmetros desconhecidos que são variantes no tempo. Usualmente, a atualização automática de modelos é feita baseado em algumas variáveis secundárias que são medidas on-line, como temperatura, pressão, composição e vazão. Nos estimadores baseados no filtro de Kalman, como o EKF e CEKF, os esforços computacionais são relativamente pequenos, variando de um simples cálculo algébrico de um ganho, por exemplo, o EKF, até a resolução de problema de otimização quadrático, como exemplo o CEKF. Estes pequenos esforços computacionais permitem rápidos resultados com relativa acuracidade, mas estes estimadores baseados no filtro de Kalman podem falhar quando o sistema tem acentuada não-linearidade, por exemplo. De outra maneira, a formulação MHE é capaz de tratar uma vasta gama de sistemas não-lineares, como aqueles que têm inversão do sinal de ganho de acordo com o ponto de operação. No entanto, na formulação MHE tem-se a necessidade de se resolver um problema NLP não convexo com muitas equações de desigualdade e graus de liberdade, e como conseqüência o tempo de processamento torna-se maior que o tempo de amostragem, fazendo impraticável a execução de ações de controle sobre o sistema em tempo real. Assim, é necessário a implementação de eficientes técnicas para resolver de maneira rápida os problemas de otimização dinâmica envolvidos na formulação MHE. Neste trabalho as estratégias seqüencial e simultânea são exploradas, almejando-se a aceleração da solução dos estágios de integração e otimização dinâmica do estimador MHE, permitindo uma ampla avaliação entre o estimador MHE e os estimadores baseados no filtro de Kalman. Os estimadores foram aplicados para sete estudos de caso, como a planta de quatro tanques cilíndricos, o modelo do reator isotérmico com a reação de van de Vusse e o modelo de um CSTR exotérmico instável. A partir dos resultados, as vantagens e desvantagens da formulação via horizonte móvel são discutidas de modo a justificar o elevado esforço empregado na avaliação e projeto deste, comparado com os estimadores EKF e CEKF, quando o sistema tem acentuada não linearidade, incertezas no modelo e distúrbios e/ou ruídos nas medições. / Due to the constant computational advances, as well as the development of efficient methods for solving nonlinear optimization problems, it has become interesting to carry out dynamic optimizations in real time and the consequent use of on-line estimators on nonlinear chemical processes. In this framework, the automatic updating of process models becomes attractive to allow the accomplishment of real-time estimates of unmeasured or infrequent-measured variables, states variables and unknown or time-variant model parameters. Usually, the process model updating is made based on some auxiliary variables that are measured on-line, such as temperature, pressure, composition, and flow rate. In the traditional Kalman filter-based estimators, such as EKF and CEKF, the computational efforts are relatively small, ranging from a simple algebraic calculation of a gain, as in the EKF case, to the resolution of a quadratic optimization problem, like in the CEKF case. These small computational efforts allow faster results with relative accuracy, but these Kalman filter-based estimators may fail when the system has meaningful nonlinearities. On the other hand, the MHE formulation is able to treat a large range of nonlinear systems, as those that have the gain sign inversion according to the operating point. However, it has the necessity to solve possible non-convex NLP problem with many inequality equations and degrees of freedom, and as consequence, the processing time may become larger than the sampling time, making impracticable the execution of the control actions over the system in real time. Thus, it is necessary to implement efficient techniques to solve in a fast way the integration and dynamic optimization problems embedded in the MHE formulation. In this work, sequential and simultaneous strategies are explored to solve the estimators, aiming to speed up the solution of the integration and dynamic optimization stages, allowing a comprehensive evaluation between MHE and Kalman filter-based estimators. The estimators were applied to seven case studies, like the quadruple tank system, van de Vusse isothermal CSTR model and a more non-linear and unstable exothermal CSTR model. From the results, the advantages and drawbacks of the moving horizon formulation are brought up to justify the high effort spent in the design and evaluation phases, compared to the EKF and CEKF estimators, when the system has relatively high nonlinearities, model uncertainties and measurement disturbances.

Neste trabalho apresenta-se um método de desenvolvimento integrado baseado no paradigma de orientação a objetos, que visa abordar todo o ciclo de desenvolvimento de uma aplicação tempo real. Na fase de especificação o método proposto baseia-se no uso de restrições temporais padronizadas pelo perfil da UML-TR, sendo que uma alternativa de mapeamento destas restrições para o nível de programação é apresentada. Este mapeamento serve para guiar a fase de projeto, onde utilizou-se como alvo a interface de programação orientada a objetos denominada TAFT-API, a qual foi projetada para atuar junto ao ambiente de execução desenvolvido no âmbito desta tese. Esta API é baseada na especificação padronizada para o Java-TR. Este trabalho também discute o ambiente de execução para aplicações tempo real desenvolvido. Este ambiente faz uso da política de escalonamento tolerante a falhas denominada TAFT (Time-Aware Fault- Tolerant). O presente trabalho apresenta uma estratégia eficiente para a implementação dos conceitos presentes no escalonador TAFT, que garante o atendimento a todos os deadlines mesmo em situações de sobrecarga transiente. A estratégia elaborada combina algoritmos baseados no Earliest Deadline, sendo que um escalonador de dois níveis é utilizado para suportar o escalonamento combinado das entidades envolvidas. Adicionalmente, também se apresenta uma alternativa de validação dos requisitos temporais especificados. Esta alternativa sugere o uso de uma ferramenta que permite uma análise qualitativa dos dados a partir de informações obtidas através de monitoração da aplicação. Um estudo de caso baseado em uma aplicação real é usado para demonstrar o uso da metodologia proposta.