A popularização das tecnologias de acesso à Internet por “banda larga” suportam a crescente proliferação de aplicações do tipo “par-a-par” (peer-to-peer), onde o usuário doméstico, tipicamente consumidor de informação, passa também a atuar como provedor. De forma simultânea, há uma popularização crescente dos jogos em rede, especialmente dos “jogos maciçamente multijogador” (MMG ou massively multiplayer game) onde milhares de jogadores interagem, em tempo real, em mundos virtuais de estado persistente. Os MMGs disponíveis atualmente, como EverQuest e Ultima Online, são implementados como sistemas centralizados, que realizam toda a simulação do jogo no “lado servidor”. Este modelo propicia controle de acesso ao jogo pelo servidor, além de ser muito resistente a jogadores trapaceiros. Porém, a abordagem cliente-servidor não é suficientemente escalável, especialmente para pequenas empresas ou projetos de pesquisa que não podem pagar os altos custos de processamento e comunicação dos servidores de MMGs centralizados. Este trabalho propõe o FreeMMG, um modelo híbrido, cliente-servidor e par-a-par, de suporte a jogos maciçamente multijogador de estratégia em tempo real (MMORTS ou massively multiplayer online real-time strategy). O servidor FreeMMG é escalável pois delega a maior parte da tarefa de simulação do jogo para uma rede par-apar, formada pelos clientes. É demonstrado que o FreeMMG é resistente a certos tipos de trapaças, pois cada segmento da simulação distribuída é replicado em vários clientes. Como protótipo do modelo, foi implementado o jogo FreeMMGWizards, que foi utilizado para gerar testes de escalabilidade com até 300 clientes simulados e conectados simultaneamente no mesmo servidor Os resultados de escalabilidade obtidos são promissores, pois mostram que o tráfego gerado em uma rede FreeMMG, entre servidor e clientes, é significativamente menor se comparado com uma alternativa puramente cliente-servidor, especialmente se for considerado o suporte a jogos maciçamente multijogador de estratégia em tempo real.

Sistemas computacionais de tempo-real são tipicamente construídos a partir de primitivas de sincronização que fornecem uma noção do tempo no objetivo de coordenar a execução múltiplos fluxos de instruções em um processador. Quando o processamento é centralizado, a base de tempo destas primitivas é extraída do oscilador local da plataforma, permitindo que as ações do sistema sejam devidamente ordenadas, respeitando restrições de tempo e causalidade. No entanto, em sistemas distribuídos o problema não pode ser resolvido desta forma em decorrência de imperfeições nos dispositivos físicos. Diferenças mínimas na freqüência de osciladores fazem com que as bases de tempo dos componentes divirjam cada vez mais ao longo do tempo, dificultando ou até mesmo impossibilitando um ordenamento consistente de eventos. Por esta razão, sincronização de relógios é um serviço de fundamental importância, sobretudo em aplicações críticas, onde os níveis de confiabilidade exigidos são mais elevados. O presente trabalho consiste na proposta e implementação de uma plataforma de comunicação otimizada para sistemas de controle distribuídos, caracterizados por uma alta regularidade no comportamento da comunicação. O objetivo é propor uma solução em baixo nível com suporte para o projeto de sistemas distribuídos no domínio de aplicações críticas. A plataforma proposta, à qual foi atribuído o nome CASCA, sigla para “Communication Architecture for Safety- Critical Applications”, é de fato uma extensão time-triggered do protocolo CAN. Acima da camada de enlace do protocolo original foram projetados mecanismos sincronização de relógios e criação inicial da base de tempo, implementados na forma de uma combinação de hardware e software. Principais características da plataforma são jitter mínimo, uma base de tempo global essencialmente distribuída e particionamento temporal. Diferentes alternativas de projeto foram consideradas, observando com maior atenção a viabilidade de prototipação em dispositivos FPGA para fins de validação e aplicação imediata em plataformas reconfiguráveis. Como forma de validação da plataforma, um sistema elementar formado por três nodos foi sintetizado com sucesso em bancada obtendo-se como resultado uma base de tempo essencialmente distribuída com precisão menor do que um micro-segundo.

Um sistema tempo-real caracteriza-se por possuir requisitos temporais para execução de suas atividades, e de acordo com a sua tolerância ao atendimento destes requisitos é classificado em hard-real-time ou soft-real-time. O presente trabalho se propõe a apresentar uma arquitetura de hardware e software para suporte a sistemas tempo-real embarcados de baixo custo com objetivo de aplicação em pesquisas no meio acadêmico e que possa ser usado até em ambientes hard-real-time. A motivação para este trabalho está na necessidade de incorporação de garantias temporais (determinismo) em sistemas operacionais, características estas tão necessárias para sistemas tempo-real, e que são problemáticas de serem mantidas em sistemas dinâmicos que usam arquiteturas de hardware e software convencionais. Apoiado em estudos já realizados neste sentido, esta proposta pretende suprir o suporte em hardware, usando para tal microcontroladores de 32bits com alta capacidade de processamento e um ambiente de software confiável, já conhecido, com porte para sistemas embarcados e com código fonte aberto: o uClinux, porém com modificações para a sua adaptação no hardware proposto e para enfatizar as suas características tempo-real. / Real-time systems are characterized by the fact that not only logical but also timing correctness properties have to be satisfied. Typically, a real-time system is divided into two categories: hard-real-time, if missing a deadline may lead to catastrophic consequences, and soft-real-time, if a late completion gracefully degrades the performance without causing damage. This work presents a low cost embedded hardware and software architecture to support real-time systems. While mainly intended for research purposes, the proposed architecture should provide support to the development of hard-real-time systems. The proposed architecture addresses a common problem in conventional architectures: the maintenance of a deterministic temporal behavior, essential in real-time systems, and damaged by an overload caused by operating systems activities. The proposed architecture make use of a 32bits high performance microcontroller, a reliable, popular and open source code operating system to embedded applications uClinux, and enhance these with extensions to better cope with real-time systems development.

Este trabalho aborda o desenvolvimento de uma arquitetura de controle em tempo real para servoposicionadores pneumáticos, baseada em computadores pessoais (PCs). Os servoposicionadores pneumáticos são de baixo custo, leves, não poluentes e de fácil utilização. Como apresentam boa relação entre peso e força, são bastante atraentes em aplicações de robótica. Entretanto, devido a suas não linearidades, os servoposicionadores pneumáticos apresentam dificuldades em seu controle. Visando compensá-las, são desenvolvidos algoritmos de controle cada vez mais complexos, necessitando de ferramentas mais robustas quanto ao poder de processamento. Ferramentas com características necessárias para o desenvolvimento de algoritmos e para o controle em tempo real de sistemas custam caro, o que dificulta o desenvolvimento de novas tecnologias de controle de servoposicionadores pneumáticos. Este trabalho apresenta uma revisão das soluções utilizadas na construção de sistemas pneumáticos de posicionamento e daquelas adotadas no controle digital de sistemas automáticos. Descrevese o processo de construção de uma bancada experimental, e o desenvolvimento das soluções em hardware e software para o controle digital é discutido. Visando uma solução economicamente atraente, são utilizados unicamente softwares de código aberto e de livre utilização, assim como hardwares de baixo custo.Para verificar a eficiência da solução proposta, a arquitetura de controle é utilizada para realizar a identificação dos parâmetros do sistema pneumático. Dentre eles, destacam-se a vazão mássica e o atrito, informações importantes para simulação e controle do sistema. Também são utilizados controladores do tipo Proporcional-Integral-Derivativo, implementados para apoiar o estudo do desempenho da arquitetura no controle do servoposicionador pneumático.

Os sistemas operacionais de tempo real, assim como os sistemas embarcados, estão inseridos no desenvolvimento de projetos de automação industrial segmentado em diversas áreas de pesquisa como, por exemplo, robótica, telecomunicações, e barramentos industriais. As aplicações de sistemas modernos de controle e automação necessitam de alta confiabilidade, velocidade de comunicação, além de, determinismo temporal. Sistemas operacionais de tempo real (SOTR) têm-se apresentado como uma solução confiável quando aplicadas em sistemas que se fundamentam no cumprimento de requisitos temporais. Além disso, o desempenho computacional é totalmente dependente da capacidade operacional da unidade de processamento. Em um sistema monoprocessado, parte da capacidade computacional da unidade de processamento é utilizada em atividades administrativas, como por exemplo, processos de chaveamento e salvamento de contexto. Em decorrência disto, surge a sobrecarga computacional como fator preponderante para o desempenho do sistema. Este trabalho tem por objetivo, analisar e fornecer uma arquitetura alternativa para realizar o co-processamento de tarefas em uma plataforma IBM-PC, aumentando a capacidade computacional do microprocessador principal. No presente trabalho, a plataforma de coprocessamento realiza a execução do algoritmo de escalonamento do sistema operacional, desta forma distribuiu-se o gerenciamento temporal das tarefas entre a plataforma IBM-PC e a unidade de co-processamento.

Aplicações recentes no setor de automação industrial utilizam barramentos de campo para prover comunicação entre dispositivos. Estas aplicações normalmente exigem que os barramentos apresentem suporte tempo real. A garantia do adequado atendimento a requisitos temporais restritos é de fundamental importância para o correto funcionamento do sistema. Este documento apresenta um sistema de validação temporal para aplicações desenvolvidas utilizando tecnologias de barramentos de campo. O sistema desenvolvido, chamado BR-Tool, permite monitoração em tempo de execução de uma rede de barramento de campo, confrontando os dados obtidos com requisitos temporais previamente definidos pelo operador. O sistema BR-Tool é composto por dois elementos: um sub-sistema de aquisição de mensagens (placa de aquisição) e um sub-sistema de validação (ferramenta computacional). A placa de aquisição foi especialmente projetada para operar com diferentes interfaces de barramentos de campo, realizando as tarefas de captura de eventos, marcação temporal e salvamento de um histórico de eventos. A ferramenta de validação, que roda no computador, realiza as tarefas de filtragem de eventos, especificação de requisitos e validação temporal, permitindo diversos modos de visualização dos resultados. A comunicação entre a placa de aquisição e a ferramenta de validação é implementada por uma interface PCI, permitindo operar com velocidades de até 12Mbps.

A popularização das tecnologias de acesso à Internet por “banda larga” suportam a crescente proliferação de aplicações do tipo “par-a-par” (peer-to-peer), onde o usuário doméstico, tipicamente consumidor de informação, passa também a atuar como provedor. De forma simultânea, há uma popularização crescente dos jogos em rede, especialmente dos “jogos maciçamente multijogador” (MMG ou massively multiplayer game) onde milhares de jogadores interagem, em tempo real, em mundos virtuais de estado persistente. Os MMGs disponíveis atualmente, como EverQuest e Ultima Online, são implementados como sistemas centralizados, que realizam toda a simulação do jogo no “lado servidor”. Este modelo propicia controle de acesso ao jogo pelo servidor, além de ser muito resistente a jogadores trapaceiros. Porém, a abordagem cliente-servidor não é suficientemente escalável, especialmente para pequenas empresas ou projetos de pesquisa que não podem pagar os altos custos de processamento e comunicação dos servidores de MMGs centralizados. Este trabalho propõe o FreeMMG, um modelo híbrido, cliente-servidor e par-a-par, de suporte a jogos maciçamente multijogador de estratégia em tempo real (MMORTS ou massively multiplayer online real-time strategy). O servidor FreeMMG é escalável pois delega a maior parte da tarefa de simulação do jogo para uma rede par-apar, formada pelos clientes. É demonstrado que o FreeMMG é resistente a certos tipos de trapaças, pois cada segmento da simulação distribuída é replicado em vários clientes. Como protótipo do modelo, foi implementado o jogo FreeMMGWizards, que foi utilizado para gerar testes de escalabilidade com até 300 clientes simulados e conectados simultaneamente no mesmo servidor Os resultados de escalabilidade obtidos são promissores, pois mostram que o tráfego gerado em uma rede FreeMMG, entre servidor e clientes, é significativamente menor se comparado com uma alternativa puramente cliente-servidor, especialmente se for considerado o suporte a jogos maciçamente multijogador de estratégia em tempo real.

Sistemas computacionais de tempo-real são tipicamente construídos a partir de primitivas de sincronização que fornecem uma noção do tempo no objetivo de coordenar a execução múltiplos fluxos de instruções em um processador. Quando o processamento é centralizado, a base de tempo destas primitivas é extraída do oscilador local da plataforma, permitindo que as ações do sistema sejam devidamente ordenadas, respeitando restrições de tempo e causalidade. No entanto, em sistemas distribuídos o problema não pode ser resolvido desta forma em decorrência de imperfeições nos dispositivos físicos. Diferenças mínimas na freqüência de osciladores fazem com que as bases de tempo dos componentes divirjam cada vez mais ao longo do tempo, dificultando ou até mesmo impossibilitando um ordenamento consistente de eventos. Por esta razão, sincronização de relógios é um serviço de fundamental importância, sobretudo em aplicações críticas, onde os níveis de confiabilidade exigidos são mais elevados. O presente trabalho consiste na proposta e implementação de uma plataforma de comunicação otimizada para sistemas de controle distribuídos, caracterizados por uma alta regularidade no comportamento da comunicação. O objetivo é propor uma solução em baixo nível com suporte para o projeto de sistemas distribuídos no domínio de aplicações críticas. A plataforma proposta, à qual foi atribuído o nome CASCA, sigla para “Communication Architecture for Safety- Critical Applications”, é de fato uma extensão time-triggered do protocolo CAN. Acima da camada de enlace do protocolo original foram projetados mecanismos sincronização de relógios e criação inicial da base de tempo, implementados na forma de uma combinação de hardware e software. Principais características da plataforma são jitter mínimo, uma base de tempo global essencialmente distribuída e particionamento temporal. Diferentes alternativas de projeto foram consideradas, observando com maior atenção a viabilidade de prototipação em dispositivos FPGA para fins de validação e aplicação imediata em plataformas reconfiguráveis. Como forma de validação da plataforma, um sistema elementar formado por três nodos foi sintetizado com sucesso em bancada obtendo-se como resultado uma base de tempo essencialmente distribuída com precisão menor do que um micro-segundo.

Um sistema tempo-real caracteriza-se por possuir requisitos temporais para execução de suas atividades, e de acordo com a sua tolerância ao atendimento destes requisitos é classificado em hard-real-time ou soft-real-time. O presente trabalho se propõe a apresentar uma arquitetura de hardware e software para suporte a sistemas tempo-real embarcados de baixo custo com objetivo de aplicação em pesquisas no meio acadêmico e que possa ser usado até em ambientes hard-real-time. A motivação para este trabalho está na necessidade de incorporação de garantias temporais (determinismo) em sistemas operacionais, características estas tão necessárias para sistemas tempo-real, e que são problemáticas de serem mantidas em sistemas dinâmicos que usam arquiteturas de hardware e software convencionais. Apoiado em estudos já realizados neste sentido, esta proposta pretende suprir o suporte em hardware, usando para tal microcontroladores de 32bits com alta capacidade de processamento e um ambiente de software confiável, já conhecido, com porte para sistemas embarcados e com código fonte aberto: o uClinux, porém com modificações para a sua adaptação no hardware proposto e para enfatizar as suas características tempo-real. / Real-time systems are characterized by the fact that not only logical but also timing correctness properties have to be satisfied. Typically, a real-time system is divided into two categories: hard-real-time, if missing a deadline may lead to catastrophic consequences, and soft-real-time, if a late completion gracefully degrades the performance without causing damage. This work presents a low cost embedded hardware and software architecture to support real-time systems. While mainly intended for research purposes, the proposed architecture should provide support to the development of hard-real-time systems. The proposed architecture addresses a common problem in conventional architectures: the maintenance of a deterministic temporal behavior, essential in real-time systems, and damaged by an overload caused by operating systems activities. The proposed architecture make use of a 32bits high performance microcontroller, a reliable, popular and open source code operating system to embedded applications uClinux, and enhance these with extensions to better cope with real-time systems development.

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.