Avaliação final

• Enunciado do exame (11/Jan)
• Enunciado do exame (23/Jan)
• Notas após o exame
• Notas após recorrência

Avaliação das aulas práticas

• Relatório
• Deverá ser entregue até ao dia 8 de Janeiro de 2007
• O respectivo formato deverá obedecer às seguintes indicações: folha de capa com nome da disciplina, do docente, do ano lectivo, do trabalho e dos autores; corpo até quatro páginas; texto em coluna simples, espaçamento simples entre linhas, tipo de letra TimesNewRoman tamanho 11 ou 12, margens laterais de 2,5cm; indicação do número de página no rodapé.
• Quando se justificar poderão existir anexos técnicos (e.g. esquemáticos, notas sobre questões de instalação, etc.)
• Pacote a entregar : conjuntamente com a versão impressa do relatório deverá também ser entregue um ficheiro compactado (formatos zip ou tgz) com: apresentação em pdf; relatório em pdf; código fonte do software; anexos (esquemáticos, etc)

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Docentes

• Paulo Pedreiras

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Horário e salas

• teóricas (sala 130), 2ªs 14h-16h
• turma P1 (lab. 214), 2ªs 16h-18h
• atendimento: Quartas-feiras, 14H00-18H00, gab. 321 (DETI)

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Enquadramento, objectivos e organização

Os sistemas de tempo-real desempenham um papel crucial nas sociedades modernas, suportando áreas aplicacionais tais como controlo de centrais nucleares, controlo de indústrias químicas, sistemas aviónicos, sistemas de controlo de tracção, motor e travagem em automóveis, controlo de tráfego aéreo, marítimo, ferroviário e rodoviário, sistemas de telecomunicações, automação industrial, robótica, sistemas de defesa militar, missões espaciais, etc..

Embora o leque de aplicações seja vasto, muitas das quais são aplicações críticas em termos de segurança, as abordagens tipicamente usadas no desenvolvimento de sistemas de tempo-real baseiam-se em técnicas de programação empíricas e de baixo nível, sem o suporte de uma metodologia científica precisa. A consequência desse facto é uma menor fiabilidade que, em tais aplicações críticas, pode causar sérios danos a equipamento, ambiente e até mesmo a vidas humanas.

Por outro lado, a recente grande difusão de aplicações interactivas, como os sistemas de realidade virtual ou genericamente os sistemas multimedia, veio alargar substancialmente o leque de aplicabilidade dos sistemas de tempo-real. Emboras estas aplicações não sejam críticas em termos de segurança, o cumprimento das respectivas restrições temporais tem um impacto directo no respectivo desempenho.

Esta proliferação de aplicações com restrições temporais veio aumentar significativamente o interesse nos sistemas operativos de tempo-real, sendo hoje comum encontrar referências por exemplo a sistemas como Real-Time Linux.

A disciplina que se propõe foca quatro aspectos essenciais:

• a origem e caracterização das restrições impostas pelo ambiente ao comportamento temporal do sistema computacional;
• a forma como o sistema computacional mantém o conhecimento do estado do ambiente que o rodeia;
• a teoria de escalonamento de actividades concorrentes associadas a processos de tempo-real;
• e a constituição e construção de sistemas operativos / executivos de tempo-real.

A organização proposta está baseada em duas componentes, teórica e prática. A primeira será essencialmente expositiva mas recorrendo a exemplos práticos e momentos de discussão. A segunda fará uso de vários sistemas operativos e/ou executivos tempo-real de domínio público ou disponíveis para ensino (e.g. RT-Linux, RTAI, KURT, RT-Mach, SHaRK, SMX, ReTMiK) bem como de um conjunto de plataformas para sistemas embutidos (baseadas no uC 80C188, 68HC11, 80C51, PIC16F876) e incluirá uma primeira série de trabalhos práticos essencialmente ilustrativos, sendo seguida pelo desenvolvimento de um pequeno projecto.

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Tópicos, planificação e slides das aulas teóricas

• Aula 0: Apresentação. Funcionamento da disciplina. Outras informações. (slides/pdf-333KB)
• Aula 1: Restrições temporais: origem e caracterização slides/pdf-336KB)
  • 1.1- O conceito de tempo-real e a origem das restrições temporais
  • 1.2- Caracterização de restrições temporais
  • 1.3- Requisitos dos sistemas de tempo-real
• Aula 2: Modelos computacionais (slides/pdf-285KB)
  • 2.1- Modelos de tarefas com restrições temporais explícitas
  • 2.2- Questões de implementação
  • 2.3- Controlo lógico versus controlo temporal
  • 2.4- Caracterização dos paradigmas de controlo por eventos (ET) e por tempo (TT)
• Aula 3: Executivos de tempo-real (slides/pdf-312KB)
  • 3.1- Os estados de uma tarefa
  • 3.2- Arquitectura genérica de um executivo (kernel) de tempo-real
  • 3.3- Estruturas e funções típicas do executivo
• Aula 4: Conceitos básicos de escalonamento (slides/pdf-216KB)
  • 4.1- Escalonamento de tarefas, taxonomia básica
  • 4.2- Alguns métodos básicos de escalonamento
  • 4.3- Escalonamento estático cíclico
• Aula 5: Escalonamento de tarefas periódicas (slides/pdf-245KB)
  • 5.1- Escalonamento baseado em prioridades fixas (RM, DM, outros)
  • 5.2- Análises de escalonabilidade baseadas em utilização e tempo de resposta
• Aula 6: Escalonamento de tarefas periódicas, cont. (slides/pdf-276KB)
  • 6.1- Escalonamento baseado em prioridades dinâmicas (EDF, LSF, outros)
  • 6.2- Análises de escalonabilidade baseadas em utilização e carga de CPU
  • 6.3- Comparação entre prioridades fixas e dinâmicas
• Aula 7: Acesso a recursos partilhados (slides/pdf-265KB)
  • 7.1- O problema da inversão de prioridades
  • 7.2- Herança de prioridades
  • 7.3- Protocolo de tecto de prioridades (Priority-Ceiling Protocol)
  • 7.4- Protocolo de pilha de recursos (Stack Resource Protocol)
• Aula 8: Processamento de tarefas aperiódicas (slides/pdf-283KB)
  • 8.1- Servidores de prioridades fixas
  • 8.2- Servidores de prioridades dinâmicas
• Aula 9: Outras aspectos do escalonamento tempo-real (slides/pdf-239KB)
  • 9.1- Escalonamento sem preempção
  • 9.2- Aspectos de implementação prática
• Aula 10: Revisão dos conceitos e técnicas fundamentais
• Aula 11: Perspectivas de investigação actual sobre sistemas de tempo-real

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Regras de avaliação

• Época normal
  • téorica: 50% (40% teste único, 10% participação nas sessões de discussão)
  • prática: 50% (projecto: 35% relatório, 5% livro de registo, 10% apresentação)
  • recorrência (apenas para o teste teórico, conta a melhor nota)
• Exames dos anos anteriores:
• Recorrência de 2003/2004
• Exame de 2004/2005
• Recorrência de 2004/2005
• Época de recurso
  • téorica: 50% (teste único, conta a melhor nota em relação à época normal)
  • prática: 50% (nota correspondente da época normal ou teste prático)
• NOTA MÍNIMA: 7 valores em qualquer das duas componentes.
• A nota final será calculada usando a nota prática sem arredondamento.
• Exercícios

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Bibliografia

(Todos estes livros existem na biblioteca da UA)

referências preferenciais:

• Buttazzo, G.C. (2004). Hard Real-Time Computing Systems (2nd ed.). Springer.
• Buttazzo, G.C. (1997). Hard Real-Time Computing Systems: Predictable Scheduling Algorithms and Applications. Kluwer Academic Publishers.
• Kopetz, H. (1997). Real-Time Systems Design Principles for Distributed Embedded Applications. Kluwer Academic Publishers.

outras referências:

• Veríssimo, P. and L. Rodrigues (2001). Distributed Systems for System Architects. Kluwer Academic Publishers.
• Liu, J.W.S. (2000). Real-Time Systems. Prentice Hall.
• Briand, L. and D.M. Roy (1999). Meeting Deadlines in Hard Real-Time Systems: the Rate-Monotonic Approach . IEEE Computer Society Press, Los Alamitos (CA), USA.
• Stankovic, J. et al. (1998). Deadline Scheduling for Real-Time Systems: EDF and Related Algorithms. Kluwer Academic Publishers.
• Krishna, C.M. and K. Shin (1997). Real-Time Systems. McGraw-Hill.
• Laplante, P.A. (1997). Real-Time Systems Design and Analysis - An Engineer’s Handbook (2nd ed.). IEEE Press.
• Nissanke, N. (1997). Real-Time Systems. Prentice Hall.
• Welling, A. and A. Burns (1996). Real-Time Systems and Their Programming Languages (2nd ed.). Int. Computer Science Series, Addison-Wesley.
• Motus, L. and M.G. Rodd (1994). Timing Analysis of Real-Time Software. IEEE Press.
• Klein, M. et al. (1993). A Practitioner’s Handbook for Real-Time Analysis: Guide to Rate-Monotonic Analysis for Real-Time Systems. Kluwer Academic Publishers.

artigos do grupo, relevantes para os mini-projectos

• Secção Especial sobre STR (ano lectivo 2003/2004)
  Luís Almeida, Paulo Pedreiras (eds)
  Electrónica e Telecomunicações, Vol. 4, Nº 2, DETUA, Abril 2004.
  • Ensaio sobre os Sistemas de Tempo-Real (em português), material essencialmente retirado do livro de Buttazzo (1997); Arnaldo Oliveira, Luis Almeida (integra a Secção Especial)
  • OReK: Um Executivo de Tempo-Real Orientado por Objectos (em português), Arnaldo Oliveira, Luis Almeida, Valery Sklyarov (integra a Secção Especial)
• Sistemas Operativos de Tempo-Real: Utilização em aplicações móveis
  por: Jorge Caetano, Marco Gaspar e João Coimbra  (NEC-Portugal, Aveiro)
  (mais info, slides)
• Using a Real-Time Kernel to Simulate the Micro-Rato Robotics Contest
  J. Capucho, L. Almeida, G. Buttazzo
  ROBOTICA 2001, APCA Encontro Científico do Fest. Nac. de Robótica Móvel, Guimarães, Portugal, Abril 2001.
  Software (Shark v1.4) - sources e executável
  Seleccionado para publicação:
  • Simulating the Micro-Rato Robotics Contest with a Real-Time Kernel
    J. Capucho, L. Almeida, G. Buttazzo
    Robótica, nº44, Publindústria, Portugal. Jul-Sept 2001.
• Modelização de Pequenos Robots Autónomos: Um Exemplo
  Luís Almeida
  Electrónica e Telecomunicações, Vol. 2, Nº 1, DETUA, Setembro 1997.

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Temas / artigos para discussão nas aulas teóricas

1. "Anatomia de um sistema operativo tempo-real"
   2/10/2006, Rui Leal e João Figueiredo [Apresentação]
   Sugestão: http://en.wikipedia.org/wiki/Real-time_operating_system
2. "Qual o melhor "sabor" de RT-Linux?"
   9/10/2006, Vitor Hugo e Ricardo Matias [Apresentação]
   Sugestão: http://linuxdevices.com/articles/AT3479098230.html
3. "Impacto do OS jitter no controlo de motores"
   16/10/2006, João Ribeiro e Pedro Amaral [Apresentação] [Filme]
   Sugestão: http://www.isd.mel.nist.gov/projects/rtlinux/motor-jitter.pdf
4. "Estudo de anomalias de escalonamento" [Apresentação]
   23/10/2006, Daniel Castanheira e Helder Cabrita
   Sugestão: http://www.cs.hmc.edu/~keller/courses/cs156/s98/slides/399.html
5. "O que correu mal na missão Mars Pathfinder? Sabotagem dos Marcianos?"
   30/10/2006, Catia Ferreira e Daniel Albuquerque [Apresentação]
   Sugestão: http://www.cs.cmu.edu/afs/cs/user/raj/www/mars.html
6. "Real-time e voltage-scaling: um namoro conturbado!" 6/11/2006, Ricardo Simões e Hugo Matos [Apresentação]
   Sugestão: http://www.cs.bham.ac.uk/~dxp/prism/casestudies/voltage.php
7. "Segurança em AGV's"
   13/11/2006, Pedro Simão e André Costa [Apresentação] [Videos] [Artigo "A Review of Design and Control of Automated Guided Vehicle Systems"]
   Sugestão: http://www.asse.org/prac_spec_tech2.htm
8. "Mecos com navegação autónoma"
   20/11/2006, Armando Cavaleiro e Tiago Roque [Apresentação]
   Sugestão: Alaapos Qadi Goddard, S. Jiangyang Huang Farritor, S., "A performance and schedulability analysis of an autonomous mobile robot", Proceedings of the 17th Euromicro Conference on Real-Time Systems, 2005.
9. "Futebol: uma questão de tempo-real?"
   27/11/2006, Pedro Mónica e Hugo Santos [Apresentação]
   Sugestão: Pedreiras, P., F. Teixeira, N. Ferreira, L. Almeida, A. Pinho, F. Santos. "Enhancing the reactivity of the vision subsystem in autonomous mobile robots using real-time techniques". RoboCup 2005, Springer-Verlag Lecture Notes in Artificial Intelligence 4020, pp. 371-383, 2006; )

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Materiais para as aulas práticas

• Aula 1: Comportamentos temporais desadequados
• Guia resumido da aula prática 1
• (kit188) aula1kit.c
• (PC, linux) example1-linux.c
• Aula2: Utilização do kernel ReTMiK (Real-Time Micro-mouse Kernel)
• Guia resumido da aula prática 2
• (aplicações) aula2.c
• (kernel) retmik.zip + retmik-man.pdf
• Aula 3: Utilização do sistema operativo SHaRK
• Guia resumido da aula prática 3
• (aplicações) aula3.zip (makefile, initfile e aplicação)
• Aula 4: Utilização do sistema operativo Linux/RTAI
• Guia resumido da aula prática 4
• aula4.zip
• Instalação e utilização do RTAI
• Página oficial do RTAI (Download de código, exemplos e documentação diversa)
• Página sobre RTAI no "Captain's Universe" (Instalação, exemplos, etc.)
• RTAI Programming Guide 1.0

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Mini-projectos escolhidos

1. G1: Pedro Mónica e Hugo Santos
   G2: Cátia Ferreira e Daniel Albuquerque
   Cliente para CiberMouse em Shark/RTAI
   
   • Elaboração de uma aplicação capaz de participar no concurso CiberMouse
   • Clientes RTAI e SHARK
   • Link para o site da competição


2. G3: Ricardo Simões e Hugo Matos
   Mecanismo de recolha e exploração de dados para sistema de monitorização
   • Definição de uma base de dados adequada
   • Implementação de mecanismo de recolha de dados parametrizável
   • Sistema de alertas
   • Sistema de configuração e exploração remota
   • Avaliação de técnicas tempo-real para exploração dos dados


3. G4: Tiago Roque e Armando Cavaleiro
   Simulação de plataformas de controlo
   • E.g. simulação de bola na calha ou bola no plano
   • Análise de desempenho em ambiente multi-tasking
   • Impacto de diversos algoritmos de controlo e carga


4. G5: João Ribeiro e Pedro Amaral
   G6: Helder Cabrita e Daniel Castanheira
   Simulação de um veículo com condução autónoma em ambiente com informação passiva
   
   • Construção de um simulador para veículo capaz de navegar autonomamente num ambiente com informação passiva (e.g. pista delimitada por linhas)
   • Estudo de algoritmos de controlo adequados
   • Estudo do impacto de carga e algorítmos de escalonamento diversos


5. G7: Vitor Silva e Ricardo Matias
   Melhoramentos ao robot com pêndulo invertido
   
   • Desmultiplicar o potenciometro para ter melhor resolução na zona central
   • Controlo directo dos motores (tirar o futaba)
   • Uso de offsets nas tarefas para reduzir a latência
   • Usar um ciclo mais curto (e.g. 5ms)


6. G8: Pedro Simão e André Costa
   Micro-Rato com arquitectura tempo-real (Usando o RTKPIC18)
   
   • Controlo de um Micro-Rato usando uma abordagem de períodos flexíveis
   • Uso do RTKPIC18
   • Acrescentar uma primitiva para alterar as propriedades de 1 tarefa
   • Desenvolver vários comportamentos e variar os períodos das tarefas
   • Medir continuamente a utilização de CPU


7. G9: Rui Leal e João Figueiredo
   Simulação de sistema anti-míssil
   
   • Simulação de um sistema anti-míssil
   • Sistema tipo "Patriot"

Nota: não negligenciar o livro de registos

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Indicações para a apresentação dos trabalhos práticos e relatório

As apresentações dos trabalhos práticos decorrerão na última aula prática e serão organizadas em blocos de 10 min por grupo. Durante esse tempo, cada grupo deverá efectuar uma breve apresentação, cerca de 5 min., seguida de demonstração. A apresentação não poderá ter mais de 4 a 5 slides ou transparências sobre: 1-objectivo/problema, 2-aspectos específicos (e.g. dinâmica do processo, técnica de controlo), 3-abordagem (e.g. organização em tarefas, tipos, períodos), 4-resultados, 5-ponto da situação.

O relatório deverá ser entregue até ao dia 3 de Janeiro de 2007 e está limitado a 4 páginas, excluíndo eventuais anexos técnicos. O respectivo formato deverá obedecer às seguintes indicações: folha de capa com nome da disciplina, do docente, do ano lectivo, do trabalho e dos autores, texto em coluna simples, espaçamento simples entre linhas, tipo de letra TimesNewRoman tamanho 11 ou 12, margens laterais de 2,5cm e indicação do número de página no rodapé. A respectiva estrutura deverá seguir os pontos acima referidos para organizar a apresentação. O objectivo do relatório é o de explicar a abordagem usada na resolução do problema proposto bem como os resultados obtidos. Será também o sítio indicado para salientar os detalhes considerados relevantes e que poderiam ter passado despercebidos na apresentação. 

No caso do trabalho não estar concluído na data da apresentação, esta deverá mostrar o estado actual podendo haver uma nova apresentação a realizar perto da data da entrega do relatório.

Conforme prometido (ver regras de avaliação), haverá uma verificação dos livros de registo!

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Links relacionados

    Instituições / Grupos de Investigação

• Lab de Sistemas Electrónicos (LSE) -IEETA (UA, P)
• IEEE-CS Technical Committee on RTS
• EUROMICRO - Technical Committee on RTS
• Navigators group Home Page (FCT-UL, P)
• NavIST Home Page (IST, P)
• IPP-HURRAY Group (ISEP, P)
• Real-Time Systems Research Group (Univ. of York, UK)
• RETIS Lab - Laboratorio di Sistemi Real-Time (Sc. Sup. Sant'Anna, Pisa - I)
• Equipe TRIO - Temps Réel et InterOperabilité (LORIA, Nancy - F)
• FORTS group - Fault-tolerant Real-time Systems (Univ. of Pittsburgh, USA)
• Mälardalens Real-Time Research Centre (Västeras - S)
• DIRT - Distributed and Real-Time Systems group (UNC-Chapel Hill, USA)
• Real-Time Computing Lab (Univ. of Michigan, USA)

    Kernels / Sistemas Operativos

• SHaRK (RETIS lab, SSSA, I)
• HaRTiK (idem, descontinuado)
• ERIKA (idem)
• MARTE-OS (Univ. de Cantabria, E)
• RT-Linux (FSM Labs, USA)
• RTAI (DIAPM, Polyt. Milano, I)
• KURT (Kansas Univ., USA)
• QNX-Neutrino (commercial, QNX, USA)
• VxWorks (commercial, WindRiver, USA)
• SMX (commercial, Micro Digital, USA), alguns artigos interessantes
• Os nossos kerneis (!): ReTMiK / PicMiK (LSE-UA), OReK (DET-UA)

    Eventos científicos

• RTSS 2004 - 25th IEEE Real-Time Systems Symposium
• ECRTS 2004 - 16th Euromicro Conference on Real-Time Systems
• RTN 2004 - 3rd Int. Work. on Real-Time Networks
• RTAS 2004 - IEEE Real-Time and Embedded Applications Symposium
• WPDRTS 2004 - 12th IEEE Workshop on Parallel and Distributed Real-Time Systems
• RTS 2004 - International Conference on Real-Time Systems - Embedded Systems
• RTSS 2003 - 24th IEEE Real-Time Systems Symposium
• ECRTS 2003 - 15th Euromicro Conference on Real-Time Systems
• RTLIA 2003 - 2nd Int. Work. on Real-Time LANs in the Internet Age
• WPDRTS 2003 - 11th IEEE Workshop on Parallel and Distributed Real-Time Systems
• RTS 2003 - International Conference on Real-Time Systems - Embedded Systems
• RTSS 2002 - 23rd IEEE Real-Time Systems Symposium
• WFCS 2002 - 4th IEEE Workshop on Factory Communication Systems
• ECRTS 2002 - 14th Euromicro Conference on Real-Time Systems
• RTLIA 2002 - 1st Int. Work. on Real-Time LANs in the Internet Age
• RTS 2002 - International Conference on Real-Time Systems - Embedded Systems
• RTSS 2001 - 22nd IEEE Real-Time Systems Symposium
• FET 2001 - 4th IFAC Conference on Fieldbus Systems and their Applications
• WFCS 2000 - 3rd IEEE Workshop on Factory Communication Systems

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