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Título: SKMotes : um kernel semipreemptivo para nós de redes de sensores sem fio
Título em inglês: SKMotes: a kernel for us semipreemptivo of wireless sensor networks
Autor(es): Lima Júnior, Otávio Alcântara de
Orientador(es): Cortez, Paulo César
Coorientador(es): Castro, Helano Sousa
Palavras-chave: Sistemas operacionais
Algoritmos
Sistemas de controle inteligente
Teleinformática
Data do documento: Out-2011
Citação: LIMA JÚNIOR, O. A. de (2011)
Resumo: Redes de Sensores sem Fio (RSSFs) são fruto dos recentes avan cos nas tecnologias de sistemas micro-eletro-mecânicos, circuitos integrados de baixa potência e comunicação sem baixa potência. Estes avan ços permitiram a cria ção de min usculos dispositivos computacionais de baixo custo e baixa potência, capazes de monitorar grandezas fí sicas do ambiente e estabelecer comunica ção uns com os outros. Estes dispositivos, denominados n os sensores, são dotados de um microcontrolador simples, elementos sensores, r adio transceptor e fonte de alimenta ção. Desenvolver aplica çoes para RSSFs ée um grande desafio. O sistema operacional (SO) ée um componente essencial de um projeto de uma aplica ção para RSSFs. Em rela ção ao modelo de concorrência, podem-se dividir os SOs em duas categorias: baseados em eventos e baseados em threads. O modelo baseado em eventos cria dificuldades ao programador para controlar os fluxos de execu ção e não se ajusta a problemas com longos perí odos de computação. Por outro lado, o modelo baseado em threads tem alto consumo de mem oria, mas fornece um modelo de programa ção mais simples e com bons tempos de resposta. Dentro desse contexto, esta disserta ção propõe um novo SO para RSSFs, chamado SKMotes, que explora as facilidades de programa ção do modelo threads aliadas a baixa ocupa ção de mem oria. Este SO utiliza um modelo de concorrência baseado em threads, mas não completamente preemptivo, pois em dado momento apenas um subconjunto das threads do sistema est a executando no modo preemptivo baseado em prioridades. O restante das threads permanece em espera, ocupando apenas um contexto m nimo de execu ção, que não contempla a pilha de dados. O principal objetivo desse modelo é prover tempos de resposta baixos para threads de alta prioridade, ao mesmo tempo que garante baixo consumo de energia e ocupa ção de mem oria mais baixa do que kernels preemptivos. Estas caracter sticas permitem que o SKMotes seja empregado em aplica ções de RSSFs que utilizem um conjunto de tarefas orientadas a E/S e a longos per íodos de computação. Por exemplo, aplica ções de RSSFs que realizem fun ções de compressão de dados, criptogra a, dentre outras. A avalia ção de desempenho do SO proposto foi realizada em um ambiente de testes, baseado em uma FPGA, projetado para esta disserta ção, que permite realizar medi ções da utiliza ção da CPU e do tempo de resposta das threads, ao mesmo tempo em que interage com a plataforma do n o sensor atrav es da interface de comunica ção serial. Este ambiente de testes pode ser reutilizado em diferentes cen arios de avaliação de desempenho de sistemas computacionais baseados em microcontroladores. Os testes de avalia ção de desempenho mostram que, para os casos de teste realizados, o SKMotes apresenta ocupa ção do processador equivalente as solu ções baseadas em multithreading preemptivo, mas com consumo de mem oria de dados, em m edia, 20% menor. Al em disso, o SKMotes e capaz de garantir tempos de respostas, em m edia, 34% inferiores as solu ções baseadas em kernels de eventos. Quando se avalia apenas os casos de teste que possuem threads orientadas a E/S e a longos per odos de computação, o tempo de resposta chega a ser, em m edia, 63% inferior ao apresentado por kernels baseados em eventos.
Abstract: The ever-increasing developments of low-power integrated circuits have made it possible the design of very small low-cost and low-power electronic sensors with wireless communication and computing capabilities. Those devices, in their turn, made it feasible the implementation of the so-called Wireless Sensors Networks (WSN). WSN is a network of such devices (known as nodes), each one having an embedded microcontroller and a communication module which makes it possible the nodes to be used as sensors which process and exchange information with the other nodes, in order to achieve a speci c purpose. Usually, due to the nodes very limited processing power, a very simple operating system (SO) is used to manage the node's processing and communicating capabilities by executing tasks in a concurrent fashion. The SO is a very important part in the design of a WSN and, depending on the concurrence model used on its design, the SO can be divided into two types: event-based or thread-based SO's. Event-based models make it di cult for the programmer to control the execution ow and are not suitable for tasks with long computation time. Thread-based models, on the other hand, present heavy memory use, but have a much simpler programming model and good real-time responses. In this sense, this dissertation proposes a new semi-preemptive SO, called SKMotes has the relatively easy-programming model related to thread-based models and a low memory usage. Despite SKMotes be thread-based, it is not fully preemptive, since at any given time, only a subset of the system's threads is executing as preemptive priority-based tasks and the rest of them remains on hold, which makes for low context usage, since the threads do not need data stack. This approach provides low time response for high-priority threads while at the same time guarantees lower memory usage than that of preemptive kernels. These features make SKMotes very suitable for WSN applications where there is a combination of I/O-oriented tasks and task with long computation times (for example, applications that perform data compression and/or cryptography). After being implemented, SKMotes' performance analysis was carried out by using a specially-designed FPGA-based module, which made it possible to perform CPU-usage measurements as well as threads' time response, with the system on the y. The measurement's results showed that, for the considered test-scenario, SKMotes presents CPU-usage rates equal to preemptive multi-threading approaches but having a lower memory usage (20).
Descrição: LIMA JÚNIOR, O. A. de. SKMotes : um kernel semipreemptivo para nós de redes de sensores sem fio. 2011. 91 f. Dissertação (mestrado em Engenharia de Teleinformática) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2011.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/2043
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