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MINISTERO DELL'ISTRUZIONE, DELL'UNIVERSITÀ E DELLA RICERCA
DIPARTIMENTO PER LA PROGRAMMAZIONE IL COORDINAMENTO E GLI AFFARI ECONOMICI - SAUS
PROGRAMMI DI RICERCA SCIENTIFICA DI RILEVANTE INTERESSE NAZIONALE
RICHIESTA DI COFINANZIAMENTO (DM n. 21 del 20 febbraio 2003)

PROGETTO DI UNA UNITÀ DI RICERCA - MODELLO B
Anno 2003 - prot. 2003094275_002
PARTE I

1.1 Tipologia del programma di ricerca
Interuniversitario 


Aree scientifico disciplinari
Area 09: Ingegneria industriale e dell'informazione (100%) 
 
 


1.2 Durata del Programma di Ricerca

24 Mesi  


1.3 Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

MELCHIORRI  CLAUDIO  cmelchiorri@deis.unibo.it 
ING-INF/04 - Automatica     
Università degli Studi di BOLOGNA     
Facoltà di INGEGNERIA     
Dipartimento di ELETTRONICA, INFORMATICA E SISTEMISTICA     


1.4 Responsabile Scientifico dell'Unità di Ricerca

BUTTAZZO  GIORGIO CARLO   
Professore Associato  15/07/1960  BTTGGC60L15C334G 
ING-INF/05 - Sistemi di elaborazione delle informazioni     
Università degli Studi di PAVIA     
Facoltà di INGEGNERIA     
Dipartimento di INFORMATICA E SISTEMISTICA     
0382/505755
(Prefisso e telefono)
 
0382/505373
(Numero fax)
 
buttazzo@unipv.it
(Email)
 


1.5 Curriculum scientifico del Responsabile Scientifico dell'Unità di Ricerca


Testo italiano

Giorgio Buttazzo è Professore Associato di Ingegneria Informatica presso l'Università di Pavia, dove è titolare del corso di Informatica Industriale e svolge attività di ricerca nei settori di sistemi in tempo reale, della robotica avanzata e delle reti neuronali.
Nel 1985 si è laureato in Ingegneria Elettronica presso l'Università di Pisa, nel 1987 ha conseguito il titolo di Master in Computer Science presso l'Università della Pennsylvania (Philadelphia, USA), e nel 1991 il titolo di Dottorato di Ricerca presso la Scuola Superiore S. Anna di Pisa.
Nel 1987, egli ha svolto attività di ricerca sulla percezione artificiale attiva e il controllo senso-motorio di robot sensorizzati presso il laboratorio G.R.A.S.P. della Moore School di Philadelphia. Dal 1991 al 1998, ha ricoperto il ruolo di ricercatore presso la Scuola Superiore S. Anna di Pisa, dove ha coordinato un gruppo di ricerca sui sistemi real-time. Nel 2001 e nel 2002, è stato rispettivamente Program Chair e General Chair dell'IEEE Real-Time Systems Symposium.
Il Prof. Buttazzo è membro dell'IEEE, dell'IEEE Technical Committee on Real-Time Systems e dell'Euromicro Executive Board on Real-Time Systems.
Egli è autore di 4 libri e di oltre 150 pubblicazioni nel settore dei sistemi real-time, della robotica avanzata e delle reti neuronali.
I risultati piu' significativi della ricerca svolta dal Prof. Buttazzo riguardano lo sviluppo di nuovi algoritmi per la schedulazione congiunta di processi real-time periodici e aperiodici, la gestione efficiente di sovraccarichi, e la realizzazione di sistemi operativi modulari ad elevata prevedibilità e configurabilità.


Testo inglese
Giorgio Buttazzo is an Associate Professor of Computer Engineering at the University of Pavia (Italy), where he teaches courses on Real-Time Systems and Computer Architectures. His main research interests include real-time operating systems, dynamic scheduling algorithms, quality of service control, multimedia systems, advanced robotics applications, and neural networks.
He graduated in Electronic Engineering at the University of Pisa in 1985, received a Master in Computer Science at the University of Pennsylvania in 1987, and a Ph.D. in Computer Engineering at the Scuola Superiore S. Anna of Pisa in 1991. During 1987, he worked on active perception and real-time control at the G.R.A.S.P. Laboratory of the University of Pennsylvania, in Philadelphia. From 1991 to 1998, he held a position of Assistant Professor at the Scuola Superiore S. Anna of Pisa, doing research on robot control systems and real-time scheduling.
He was elected Program Chair and General Chair of the IEEE Real-Time Systems Symposium, the premier international conference on real-time systems, in 2001 and 2002, respectively.
Prof. Buttazzo is a member of the IEEE and the IEEE Computer Society. He is part of the IEEE Technical Committee on Real-Time Systems and of the Euromicro Executive Board on Real-Time Systems. He has authored, and co-authored, four books on real-time systems and over 150 papers in the field of real-time systems, robotics, and neural networks.
The most significant research results achieved by Prof. Buttazzo concern the development of novel algorithms for the joint scheduling of peridic and aperiodic real-time tasks, an efficient overload management. Moreover, he supervised the development of new real-time kernels for embedded control applications, characteized by high predictability, configurability, and modularity.


1.6 Pubblicazioni scientifiche più significative del Responsabile Scientifico dell'Unità di Ricerca

1. CACCAMO M.; BUTTAZZO G.C.; SHA L. (2002). Handling Execution Overruns in Hard Real-Time Control Systems IEEE TRANSACTIONS ON COMPUTERS. (vol. 51 (5))  
2. BUTTAZZO G.C.; LIPARI G.; CACCAMO M.; ABENI L. (2002). Elastic Scheduling for Flexible Workload Management IEEE TRANSACTIONS ON COMPUTERS. (vol. 51 (3) pp. 289-302)  
3. BUTTAZZO G.C.; CACCAMO M. (1999). Minimizing Aperiodic Response Times in a Firm Real-Time Environment IEEE TRANSACTIONS ON SOFTWARE ENGINEERING. (vol. 25 (1) pp. 22-32) ISSN: 0098-5589  
4. BUTTAZZO G.C.; SENSINI F. (1999). Optimal Deadline Assignment for Scheduling Soft Aperiodic Tasks in Hard Real-Time Environments IEEE TRANSACTIONS ON COMPUTERS. (vol. 48 (10) pp. 1035-1052) ISSN: 0018-9340  
5. BUTTAZZO G.C. (1997). HARD REAL-TIME COMPUTING SYSTEMS: Predictable Scheduling Algorithms and Applications BOSTON: Kluwer Academic Publishers (UNITED STATES)  


1.7.1 Personale universitario dell'Università sede dell'Unità di Ricerca

Personale docente

Cognome  Nome  Dipartimento   Qualifica  Settore Disc.  Mesi Uomo 
1° anno  2° anno 
1. BUTTAZZO   Giorgio Carlo   Dip. INFORMATICA E SISTEMISTICA   Prof. Associato   ING-INF/05   6   6  
2. LEPORATI   Francesco   Dip. INFORMATICA E SISTEMISTICA   Ricercatore Universitario   ING-INF/05   6   6  
                 12  12 


Altro personale

Cognome  Nome  Dipartimento   Qualifica  Mesi Uomo 
1° anno  2° anno 
1. Facchinetti  Tullio  Dip. INFORMATICA E SISTEMISTICA   Dottorando  6   6  
2. De Felici  Gian Luca  Dip. INFORMATICA E SISTEMISTICA   Tecnico  4   4  
              10  10 


1.7.2 Personale universitario di altre Università

Personale docente
Nessuno

Altro personale

Cognome  Nome  Università  Dipartimento   Qualifica  Mesi Uomo 
1° anno  2° anno 
1. Guidi  Giacomo  Scuola Sup. di Studi Univ. e Perfezionamento S.Anna di PISA   Ingegneria  Contrattista  6   6  
2. Marzario  Luca  Scuola Sup. di Studi Univ. e Perfezionamento S.Anna di PISA   Ingegneria  Contrattista  6   6  
                 12  12 


1.7.3 Titolari di assegni di ricerca


Nessuno

1.7.4 Titolari di borse per Dottorati di Ricerca e ex L. 398/89 art.4 (post-dottorato e specializzazione)


Nessuno

1.7.5 Personale a contratto da destinare a questo specifico programma

Qualifica  Costo previsto  Mesi Uomo 
1° anno  2° anno 
Laureato  15.000  6   6  
Laureato  15.000  6   6  
   30.000  12  12 


1.7.6 Personale extrauniversitario dipendente da altri Enti


Nessuno




PARTE II

2.1 Titolo specifico del programma svolto dall'Unità di Ricerca


Testo italiano

Software Real-Time Open Source per il Supporto di Sistemi di Controllo Distributi


Testo inglese
Real-Time Open Source Software for Supporting Distributed Control Systems


2.2 Settori scientifico-disciplinari interessati dal Programma di Ricerca

 

ING-INF/05 - Sistemi di elaborazione delle informazioni  


2.3 Parole chiave


Testo italiano

KERNEL REAL-TIME ; ALGORITMI DI SCHEDULING ; SOFTWARE OPEN SOURCE ; SISTEMI DISTRIBUITI ; RETI DI SENSORI


Testo inglese
REAL-TIME KERNELS ; SCHEDULING ALGORITHMS ; OPEN SOURCE SOFTWARE ; DISTRIBUTED SYSTEMS ; SENSOR NETWORKS


2.4 Base di partenza scientifica nazionale o internazionale


Testo italiano

Le tecnologie informatiche unite al rapido sviluppo di sistemi di comunicazione wireless, oggi disponibili a costi contenuti, consentono la sorveglianza intelligente dell’ambiente al fine di segnalare eventi critici, monitorare l’evoluzione di fenomeni naturali e facilitare il coordinamento di squadre specializzate in caso di intervento umano. Al fine di realizzare tale obiettivo, i futuri sistemi di monitoraggio ambientale saranno composti da un elevato numero di sensori, dotati di microprocessori per la pre-elaborazione dei dati e schede di comunicazione wireless per l’invio dei dati a distanza.

L’uso della tecnologia wireless presenta numerosi vantaggi rispetto alle classiche reti di sensori cablate. Innanzitutto, l’assenza di cavi di collegamento semplifica l’installazione dei sensori e facilita lo spostamento degli stessi in caso di riconfigurazione spaziale della rete. In secondo luogo, la comunicazione wireless è più tollerante ai guasti che si possono verificare sui singoli nodi. Infatti, nel caso di malfunzionamento di un nodo, il traffico diretto verso di esso può essere dinamicamente diretto su altri nodi, gestendo il traffico sulla rete in modo più dinamico.

Le reti di sensori possono essere efficacemente utilizzate nelle seguenti applicazioni.

- Rilevamento anticipato di incendi, inquinamento, terremoti e inondazioni. Una rete di sensori specifici, distribuiti in modo opportuno sul territorio da monitorare, consentirebbe il rilevamento anticipato di condizioni critiche, segnalando periodicamente lo stato dei fenomeni a stazioni di raccolta ed elaborazione dati. In tal modo, gli interventi di soccorso potrebbero essere pianificati con maggiore tempestività e precisione, ottimizzando l’uso delle risorse disponibili.

- Miglioramento della sicurezza di strutture, quali aeroporti, stazioni ferroviarie, ospedali, autostrade, ponti, gallerie, edifici. In questa tipologia di ambienti, spesso, la rilevazione tempestiva di eventi critici consente di prevenire possibili incidenti catastrofici, o almeno ridurre drasticamente i danni e le conseguenze che ne derivano.

- Sorveglianza attiva di aree ad accesso ristretto mediante telecamere mobili e microfoni. L’uso di una fitta rete di sensori intelligenti consentirebbe di rilevare non solo la presenza di intrusi, ma anche di calcolarne l’esatta posizione e la traiettoria percorsa. Queste informazioni potrebbero essere utilizzate per ricostruire l’accaduto e fornire una prova piu’ precisa in caso di processi giudiziari.

La realizzazione di una rete di sensori pone problematiche interessanti dal punto di vista della ricerca scientifica, quali l’acquisizione in tempo reale dei dati sensoriali, la comunicazione wirelss con vincoli temporali, la gestione della ridondanza per rendere il sistema tollerante ai guasti sui sensori, e il controllo software della potenza dissipata nel caso di alimentazione a batterie. Considerato che, nella maggior parte delle applicazioni industriali, ciascun nodo sensoriale è gestito da un microprocessore di piccola potenza e con risorse limitate, il soddisfacimento dei vincoli real-time sui processi di calcolo deve appoggiarsi su un sistema operativo molto efficiente. Inoltre, visti gli sviluppi rapidissimi dei microprocessori, diventa sempre più indispensabile che il software sia sviluppato in modo modulare, in modo che un’eventuale sostituzione o aggiornamento dell’architettura di calcolo non costringa a riprogettare il sistema operativo e/o l’applicazione.

Alcune delle problematiche sopra elencate cominciano ad essere affrontate nella letteratura scientifica, anche se in casi particolari. Ad esempio, per la comunicazione wireless sono stati proposti diversi protocolli per lo scambio di dati fra i nodi di una rete senza fili [Rap98][Std97], tuttavia tali protocolli non hanno caratteristiche real-time, nel senso che i ritardi di comunicazione possono avere dei ritardi indeterminati.

La maggior parte dei sistemi real-time utilizzati in applicazioniembedded sono basati su algoritmi di scheduling a priorità fisse, come Rate Monotonic [Liu73], che, sebbene efficienti, non riescono a sfruttare a pieno le risorse di calcolo del sistema. Altri meccanismi interni di sincronizzazione, tipicamente usati nei sistemi operativi commerciali, possono creare notevoli problemi in presenza di risorse condivise, quali il fenomeno di inversione di priorità [Sha90], che possono provocare lunghe attese durante l’esecuzione dei processi.

Nei sistemi distribuiti, la gestione di attività con vincoli temporali risulta ancora più complessa, in quanto al problema dello scheduling si aggiunge quello della comunicazione e della sincronizzazione tra processi residenti su nodi diversi. Inoltre, in un sistema distribuito, le attività di calcolo devono essere opportunamente allocate sui vari nodi della rete, in modo da ottimizzare le risorse disponibili ed evitare situazioni di sovraccarico. In questo ambito, la gestione di processi real-time con vincoli temporali complessi può essere affrontata integrando una schedulazione statica, opportunamente prodotta con tecniche off line, con degli algoritmi dinamici per il servizio di processi aperiodici [Foh95][Iso99][Iso00]. Nei sistemi distribuiti di uso industriale basati su bus di campo, sono stati proposte numerose soluzioni mirate ad estendere i protocolli di comunicazione esistenti con caratteristiche real time [Alm00] [Alm01] [Alm02].

Recentemente, sono stati studiati gli effetti del jitter introdotto dalla schedulazione sulla stabilità di un sistema di controllo e sono state proposte delle tecniche mirate a compensare tali effetti [Mar01][Mar02]. Questi risultati sono di notevole importanza quando il controllore è realizzato via software, in quanto la correttezza di funzionamento di un sistema real time non dipende solo dai valori generati dal controllore, ma anche dal tempo in cui tali valori sono prodotti.

Riguardo al problema del controllo software della potenza dissipata, i processori a tensione variabile consentono un notevole risparmio energetico (e quindi una maggiore durata di funzionamento) se alimentati con tensioni ridotte, in quanto la potenza consumata varia con il quadrato della tensione di alimentazione [Cha95, Hon98b]. Tuttavia, abbassando la tensione diminuisce anche la frequenza massima di clock con cui può funzionale la macchina, e quindi la velocità del processore. Pertanto, nei sistemi real-time a tensione variabile si cerca di determinare la velocità minima che riduca i consumi energetici, ma che, al tempo stesso, sia in grado di garantire il rispetto dei vincoli temporali dell’applicazione [CGW95]. Il problema di minimizzare il consumo energetico per un insieme di task periodici su singolo processore è stato affrontato in [Ayd01a], in cui si propone un algoritmo per trovare la velocità minima di un processore che soddisfi i vincoli temporali specificati. In [Ayd01b], è stato affrontato un problema simile, ma utilizzando una tecnica dinamica che sfrutta il completamento anticipato dei task. In [Mel02], l’autore illustra un insieme di metodi di schedulazione per ridurre l’energia consumata in applicazioni in tempo reale, sotto diverse condizioni operative.

Il progetto proposto si propone di studiare dei meccanismi di nucleo prevedibili dal punto di vista temporale, e al tempo stesso efficienti per una implementazione su di un microprocessore di ridotta potenza di calcolo e memoria. Inoltre, supponendo di utilizzare processori a tensione variabile, verranno studiati degli algoritmi per minimizzare il consumo energetico in diverse condizioni operative. Il software prodotto verrà progettato in modo modulare per facilitare la portabilità su piattaforme hardware diverse e sarà reso disponibile con licenza GPL.


Testo inglese
The recent advances of computer technology and the rapid development of wireless communication systems, today available on the market at low costs, allow developing intelligent monitoring of the environment in order to detect critical events, monitor the evolution of natural phenomena, and facilitate the coordination of rescue teams in case of human intervention. In order to achieve such an objective, future monitoring systems will consist of a high number of sensors, equipped with microprocessors for data processing and wireless communication boards for transmitting data to remote stations.

The use of wireless technology has several advantages with respect to classic cabled sensor networks. First of all, the absence of connecting cables simplifies sensor installation and facilitates their movement in case of a spatial reconfiguration of the network. Secondly, wireless communication is more tolerant to faults that may occur on single nodes. In fact, whenever a malfunctioning is detected on a node, the traffic directed to it can be dynamically switched to other nodes.

Sensor networks can be effectively used in the following applications:

- Early detection of fire, pollution, earthquakes and floods. A network of specific sensors, with a suitable distribution on the territory to be monitored, would allow advanced detection of critical condition, periodically sending the status of a phenomenon to a base station for data processing and integration. In this way, rescue interventions could be planned much more in advance, and with much more precision, optimising the use of the available resources.

- Safety enhancement of public structures, like airports, railway stations, hospitals, highways, bridges, tunnels, and buildings. In this kind of environments, often, an early detection of critical events can prevent possible catastrophic accidents, or at least greatly reduce damages and major related consequences.

- Active surveillance of restricted areas through mobile cameras and microphones. The use of a dense network of smart sensors would allow detecting not only the presence of intruders, but also computing their exact position and trajectory. Such data could be used to reconstruct the sequence of events and provide additional elements in case of legal actions.

The implementation of a sensor network creates interesting research problems from a scientific point of view, such as real-time sensory data acquisition, wireless communication with timing constraints, redundant data management for achieving fault tolerance on sensors or processors, and energy-aware scheduling algorithms in the case of using battery powered devices and voltage variable processors. Considering that, in most industrial applications, a sensory node is managed by a microprocessor with small computational power and limited memory, enforcing timing constraints on application tasks must rely on a very efficient operating system. Moreover, considered the rapid evolution of microprocessors boards, a modular software development is becoming crucial for reducing maintenance costs and avoiding a compete redesign of the kernel and/or application software

Some of the problems outlined above are being considered within the scientific literature, although in particular simplified cases. For example, for supporting wireless communication, several protocols and standards have been proposed for exchanging data in a distributed system [Rap98][Std97]. However, such protocols do not have real-time characteristics, in the sense that messages can have unbounded delays.

Most of the real-time kernels adopted in embedded systems use scheduling algorithms based on fixed priorities, such as Rate Monotonic [Liu73], that, although efficient implemented, cannot fully exploit the available computational resources of the system. Other internal synchronization mechanisms, typically used in commercial operating systems, can create serious problems in the presence of shared resources, such as the priority inversion phenomenon [Sha90], that may cause long blocking delays during task execution.

In distributed systems, handling real-time activities creates additional problems, because schedulability must be guaranteed in the presence of communication and synchronization constraints among tasks running on different nodes. Moreover, in a distributed system, computational activities must be properly allocated on the various nodes of the network, in order to optimize the available resources and avoid overload situations. In this context, a set of tasks with complex constraints can be handled by integrating off-line scheduling techniques, with dynamic algorithms for aperiodic service [Foh95][Iso99][Iso00]. In fieldBus based distributed systems, several techniques have been proposed to extend classical communication protocols with real-time characteristics [Alm00] [Alm01] [Alm02].

Recently, a group of researchers investigated the effects of the jitter produced by scheduling algorithms on the stability of a control system and proposed a control technique aimed at compensating such a negative effects [Mar01][Mar02]. These results are of crucial importance when developing software-based controllers, because the correct behavior of a real-time system depends not only on the values generated by the controller, but also on the time at which those values are produced.

As for the problem of controlling the energy consumption, voltage variable processors allow a significant reduction of the energy used during operation (so prolonging the system lifetime) if supplied with reduced voltage. In fact, power consumption varies with the square of the supply voltage [Cha95, Hon98b]. However, a decrease in the supply voltage also causes a reduction of the maximum frequency for the processor clock, thus causing a decrease of the processor speed. As a consequence, in real-time systems based on voltage variable processors, there is the problem of determining the minimum speed that reduces energy consumption, but, at the same time, is able to guarantee the application timing constraints [CGW95]. The problem of minimizing energy consumption for a periodic task set running on a single processor has been solved in [Ayd01a], where the author proposed an algorithm for computing the minimum processor speed able to satisfy a set of timing constraints. In [Ayd01b], a similar problem is considered, but, using a dynamic reclaiming technique that exploits early completion of application tasks. In [Mel02], the author illustrates a set of scheduling methodologies for reducing energy consumption in real-time applications, under different operating conditions.

The proposed project aims at investigating a set of kernel mechanisms that improve the predictability of the system and, at the same time, can be efficiently implemented on a microprocessor of with limited memory and computational power. Moreover, assuming the usage of voltage variable processors, a number of scheduling techniques will be studied and analysed for minimizing the energy consumption in different operating conditions. The resulting software will be designed in a modular fashion to facilitate its portability on different hardware platforms and will be made available under GPL licence.


2.4.a Riferimenti bibliografici

[Abo01] N. AbouGhazaleh, D. Mossé, B. Childers and R. Melhem, “Toward The Placement of Power Manegement Points in Real Time Applications”, Proceedings of the Workshop on Compilers and Operating Systems for Low Power (COLP'01), Barcelona, Spain, 2001.

[All01] A. Allavena and D. Mossé, “Scheduling of Frame-based Embedded Systems with Rechargeable Batteries”, Proceedings of the Workshop on Power Management for Real-Time and Embedded Systems, 2001.

[Alm00] L. Almeida and J.A. Fonseca, "FTT-CAN: a Network-Centric Approach for CAN based Distributed Systems", 4th IFAC Symposium on Intelligent Components and Instruments for Control Applications (SICICA'00), Buenos Aires, Argentina, 13-15 September 2000.

[Alm01] L. Almeida and J.A. Fonseca, "Analysis of a Simple Model for Non-Preemptive Blocking-Free Scheduling", Proc. of the 13th EUROMICRO Conference on Real-Time Systems (ECRTS01), Delft, The Netherlands, 13-15 June 2001.

[Alm02] L. Almeida, P. Pedreiras, and J.A. Fonseca, "The FTT-CAN Protocol: Why and How", IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 49, no. 6, December 2002.

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[Ayd01b] H. Aydin, R. Melhem, D. Mossé, and Pedro Mejia Alvarez, “Dynamic and Aggressive Scheduling Techniques for Power-Aware Real-Time Systems”, Proceedings of the IEEE Real-Time Systems Symposium, December 2001.

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[But98] G. Buttazzo, G. Lipari, and L. Abeni, “Elastic Task Model for Adaptive Rate Control,” Proceedings of the IEEE Real-Time Systems Symposium, Madrid, Spain, pp. 286-295, December 1998.

[But00] G. Buttazzo and L. Abeni, “Adaptive Rate Control through Elastic Scheduling,” Proceedings of the 39th IEEE Conference on Decision and Control, Sydney, Australia, December 2000.

[But02] G. Buttazzo, G. Lipari, M. Caccamo,L. Abeni, “Elastic Scheduling for Flexible Workload Management,” IEEE Transactions on Computers, Vol. 51, No. 3, pp. 289-302, March 2002.

[Cha95] A. Chandrakasan and R. Brodersen, Low Power Digital CMOS Design, Kluwer Academic Publishers, 1995.

[Cla89] D. Clark, “HIC: An Operating System for Hierarchies of Servo Loops,” Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Automation, 1989.

[CGW95] E. Chan, K. Govil, and H. Wasserman, “Comparing Algorithms for Dynamic Speed-setting of a Low-Power CPU”, Proceedings of the First ACM International Conference on Mobile Computing and Networking (MOBICOM 95), November 1995.

[Der74] M.L. Dertouzos, “Control Robotics: the Procedural Control of Physical Processes,” Information Processing, 74, North-Holland, Publishing Company, 1974.

[Fer02] J. Ferreira, P. Pedreiras, L.Almeida, and J. A. Fonseca, "Achieving Fault-Tolerance in FTT-CAN", WFCS 2002, IEEE 4th Workshop on Factory Communication Systems, Vasteräs, Sweden, August 2002.

[Foh95] Gerhard Fohler, "Joint Scheduling of Distributed Complex Periodic and Hard Aperiodic Tasks in Statically Scheduled Systems", Proc. of the 16th IEEE Real-Time Systems Symposium, December 1995.

[Gai01] P. Gai, L. Abeni, M. Giorgi, G. Buttazzo, “A New Kernel Approach for Modular Real-Time Systems Development,” IEEE Proceedings of the 13th Euromicro Conference on Real-Time Systems, Delft, The Netherlands, June 2001.

[Hon98a] I. Hong, D. Kirovski, G. Qu, M. Potkonjak, and M. Srivastava, “Power Optimization of Variable Voltage Core-Based Systems”, Proceedings of the 35th Design Automation Conference, 1998.

[Hon98b] I. Hong, G. Qu, M. Potkonjak, and M.B. Srivastava, “Synthesis Techniques for Low-Power Hard Real-Time Systems on Variable Voltage Processors”, Proceedings of the 19th IEEE Real-Time Systems Symposium, December 1998.

[Iso99] D. Isovic and G. Fohler, "Handling Sporadic Tasks in Off-line Scheduled Distributed Real-Time Systems", Proc. of the 11th EUROMICRO Conference on Real-Time Systems, York, England, July 1999.

[Iso00] D. Isovic and G. Fohler, "Efficient Scheduling of Sporadic, Aperiodic, and Periodic Tasks with Complex Constraints", Proc. of the 21st IEEE Real-Time Systems Symposium, Orlando, Florida, USA, November 2000.

[Kuo91] T.-W. Kuo and A. K, Mok, “Load Adjustment in Adaptive Real-Time Systems,” Proceedings of the 12th IEEE Real-Time Systems Symposium, December 1991.

[Lee96] C. Lee, R. Rajkumar, and C. Mercer, “Experiences with Processor Reservation and Dynamic QOS in Real-Time Mach,” Proceedings of Multimedia Japan 96, April 1996.

[Liu73] C.L. Liu and J.W. Layland, “Scheduling Algorithms for Multiprogramming in a Hard real-Time Environment,” Journal of the ACM, 20(1), 1973, pp. 40--61.

[Mar01] P. Marti, G. Fohler, K. Ramamritham, and J. M. Fuertes, "Jitter Compensation in Real-Time Control systems", Proc. of the 22nd IEEE Real-Time Systems Symposium, London, UK, December 2001.

[Mar02] P. Marti, G. Fohler, K. Ramamritham, and J. M. Fuertes, "Control performance of flexible timing constraints for Quality-of-Control Scheduling", Proc. of the 23rd IEEE Real-Time Systems Symposium, Austin, TX, USA, December 2002.

[Mel02] R. Melhem, N. AbouGhazaleh, H. Aydin and D. Mosse, “Power Management Points in Power-Aware Real-Time Systems”, In Power Aware Computing, ed. by R. Graybill and R. Melhem, Plenum/Kluwer Publishers, 2002.

[Mok00] A. Mok, “Scalability of real-time applications,” keynote address at the 7th International Conference on Real-Time Computing Systems and Applications, Cheju Island, South Korea, December 2000.

[Nak98] T. Nakajima, “Resource Reservation for Adaptive QOS Mapping in Real-Time Mach,” Sixth International Workshop on Parallel and Distributed
Real-Time Systems, April 1998.

[Rap98] T.S. Rappaport, “Wireless Communications Principles and Practice”, Prentice Hall, 1998.

[Sha90] Sha, L., R. Rajkumar, and J. P. Lehoczky: “Priority Inheritance Protocols: An Approach to Real-Time Synchronization”, IEEE Transactions on Computers, Vol. 39, No. 9, September 1990.

[Spu94] M. Spuri, and G.C. Buttazzo, “Efficient Aperiodic Service under Earliest Deadline Scheduling”, Proceedings of IEEE Real-Time System Symposium, San Juan, Portorico, December 1994.

[Spu95] M. Spuri, G.C. Buttazzo, and F. Sensini, “Robust Aperiodic Scheduling under Dynamic Priority Systems”, Proc. of the IEEE Real-Time Systems Symposium, Pisa, Italy, December 1995.

[Spu96] M. Spuri and G.C. Buttazzo, “Scheduling Aperiodic Tasks in Dynamic Priority Systems,” Real-Time Systems, 10(2), 1996.

[Std97] “IEEE Std 802.11 - Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications”, 1997.

[Yao95] F. Yao, A. Demers, and S. Shenker, “A Scheduling Model for Reduced CPU Energy,” IEEE Annual Foundations of Computer Science, pp. 374-382, 1995.

[Zhu01] D. Zhu, R. Melhem, and B. Childers, “Scheduling with Dynamic Voltage/Speed Adjustment Using Slack Reclamation in Multi-Processor Real-Time Systems”, Proceedings of the IEEE Real-Time Systems Symposium, December 2001.


2.5 Descrizione del programma e dei compiti dell'Unità di Ricerca


Testo italiano

L’obiettivo della ricerca proposta è lo sviluppo di software per il supporto efficiente di sistemi embedded distribuiti con caratteristiche real-time, dedicati al monitoraggio o al controllo di ambienti dinamici. Lo scenario considerato prevede l’esistenza di una fitta rete di nodi interconnessi tra loro mediante una rete di comunicazione wireless e alimentati a batteria. Ciascun nodo è dotato di un microprocessore, di eventuali attuatori e di un insieme di sensori adatti a rilevare dall’ambiente le informazioni d’interesse per l’applicazione specifica.

Le informazioni rilevate dai singoli nodi sono quindi integrate su una stazione di supervisione, che esegue l’integrazione sensoriale e la rappresentazione dei dati in un formato grafico opportuno. La stazione di supervisione può essere collegata via internet, per consentire l’accesso dei dati e il controllo del sistema da parte di un operatore remoto. Un utente collegato alla stazione di supervisione avrebbe la possibilità di ricevere i dati rilevati dai singoli nodi, visualizzare le informazioni integrate, o specificare una strategia d’azione collettiva sulla rete, in caso di presenza di sistemi di attuazione. Ad esempio, i nodi potrebbero consentire all’utente di acquisire immagini da telecamere mobili montate su supporti ruotanti a due gradi di libertà, oppure suoni rilevati da microfoni direzionali (anch’essi montati su supporti orientabili), o altre informazioni di tipo ambientale, quali la temperatura, l’umidità o le condizioni di luminosità. Un esempio di strategia collettiva potrebbe essere quella di coordinare coppie di telecamere per ricostruire le caratteristiche tridimensionali degli oggetti osservati, oppure orientare i microfoni per determinare con precisione la posizione di sorgenti rumorose.

L’implementazione di un sistema di monitoraggio del tipo sopra descritto richiede l’esecuzione di un insieme di attività di acquisizione e controllo real-time, che devono essere eseguite sui nodi della rete inmodo da garantire la fattibilità dei vincoli temporali richiesti per rispettare le prestazioni desiderate. Inoltre, la possibilità di realizzare delle strategie collettive sulla rete richiede un’interazione aggiuntiva fra i nodi, che devono cooperare per decidere come distribuirsi le attività di elaborazione relative all’integrazione delle informazioni. Una distribuzione appropriata del carico computazionale potrebbe rivelarsi cruciale per soddisfare i requisiti real-time dell’applicazione, soprattutto nel caso in cui i processori sui nodi abbiano scarsa potenza di calcolo e risorse limitate.

L’ottimizzazione delle risorse in microprocessori embedded a basso consumo richiede un supporto appropriato da parte del sistema operativo, il quale, oltre a fornire dei meccanismi efficienti nella gestione dei processi, deve garantire una certa prevedibilità di risposta per le attività caratterizzate da vincoli temporali. Nei sistemi operativi di ridotte dimensioni, il raggiungimento di tali obiettivi rappresenta ancora un problema aperto.

Nel caso in cui si considerino sistemi alimentati a batterie, la potenza dissipata dai nodi deve poter essere controllata per garantire un basso consumo energetico e una lunga durata della rete. Nei casi in cui le batterie di alimentazione dei nodi siano ricaricate da pannelli solari, il comportamento della rete deve adattarsi alle condizioni meteorologiche e allo stato di carica delle batterie. D’altra parte, ai nodi trasmittenti deve poter essere assegnata una potenza sufficiente a raggiungere il nodo destinatario. Poiché non sempre è possibile dislocare i sensori in modo desiderato, l’assegnamento della potenza ai nodi è un compito di cruciale importanza. Inoltre, l’energia dissipata può essere anche controllata via software, utilizzando particolari processori a tensione variabile. In tali processori, la potenza dissipata varia con quadrato della tensione di alimentazione. Tuttavia, abbassando la tensione diminuisce anche la frequenza massima di clock con cui può funzionale la macchina, e quindi la velocità del processore. Pertanto, nei sistemi real-time a tensione variabile il problema è quello di determinare la velocità minima che riduca i consumi energetici, ma che, al tempo stesso, sia sufficiente a garantire il rispetto dei vincoli temporali dell’applicazione.

In sintesi, gli obiettivi di ricerca che l’unità di Pavia si propone di raggiungere nel progetto sono i seguenti:

· sviluppo di algoritmi per la gestione efficiente di risorse in sistemi embedded real-time di ridotte dimensioni;

· studio di meccanismi di nucleo, per lo sviluppo di kernel modulari dedicati al supporto di applicazioni distribuite real-time.

· studio e realizzazione di algoritmi per il risparmio energetico in processori a tensione variabile;

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FASI DELLA RICERCA
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La ricerca proposta sarà condotta secondo le seguenti fasi:

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Fase 1. Analisi dello stato dell’arte.

Durata: 6 mesi
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In questa fase saranno analizzate le soluzioni proposte in letteratura per la realizzazione di reti di controllo distribuite. In particolare saranno esaminati i sistemi operativi real-time esistenti in commercio, al fine di valutare se le loro caratteristiche siano adatte allo sviluppo di reti di controllo di larghe dimensioni soggette a vincoli temporali. In secondo luogo, saranno esaminati i protocolli wireless più comuni e le tecniche software esistenti per la gestione del risparmio energetico su processori a tensione variabile.

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Fase 2. Metodologie per lo sviluppo di kernel real-time modulari ed efficienti.

Durata: 9 mesi
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In questa fase saranno studiati dei meccanismi di nucleo in grado di fornire una gestione efficiente dei processi applicativi, consentendo al tempo stesso uno sviluppo modulare dell’intero sistema. L’obiettivo primario è quello di realizzare un sistema operativo real-time di ridotte dimensioni che possa essere facilmente portato su architetture diverse, consenta un’elevata configurabilità dei meccanismi interni, e permetta di gestire processi con tempi di risposta altamente prevedibili.
I problemi specifici che verranno affrontati in questa fase di ricerca saranno relativi ai meccanismi di scheduling dei processi, di sincronizzazione, mutua esclusione, gestione delle interruzioni, e comunicazione a scambio di messaggi per la realizzazione di architetture distribuite.

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Fase 3. Algoritmi per il risparmio energetico in processori a tensione variabile

Durata: 9 mesi
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Questa fase del progetto prevede lo studio di algoritmi (statici e dinamici) che cercano di determinare il livello di tensione ottimale del processore per ridurre il consumo energetico e garantire il rispetto dei vincoli temporali specificati sui task applicativi. In questa fase, verranno studiate anche delle tecniche di gestione dei sovraccarichi. Infatti, la riduzione della tensione di alimentazione del processore provoca una diminuzione di velocità che tende ad aumentare il carico computazionale sul sistema. Se il carico totale non viene mantenuto al di sotto dell’unità, le prestazioni del sistema possono degradare in modo improvviso. Analogamente, in presenza sincronizzazioni su risorse condivise, i tempi di risposta possono variare in modo discontinuo con la velocità del processore, pertanto saranno studiati dei meccanismi di comunicazione asincrona che riducono i tempi di bloccaggio e consentono una maggiore scalabilità dell’applicazione al variare della tensione.

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Coordinamento con le altre unità di Ricerca
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Con riferimento ai cinque workpakage previsti nel programma di ricerca complessivo proposto, l’unità di Pavia svolge i seguenti compiti:

WP-1: Sviluppo di metodologie di progetto per sistemi di controllo di sistemi distribuiti e controllori logici.

L’unità di Pavia coordina le attività previste in questo workpackage e collaborerà con tutte le unità proponenti (UNIBO, POLIMI e UNIMORE) nello sviluppo di metodologie per il progetto di sistemi di controllo in tempo reale. In particolare, si intende sviluppare un insieme di strumenti software per il supporto real time di controllori dinamici distributiti.

WP-2: Sviluppo di sistemi per la prototipazione rapida di tipo open source e Real Time.

In questo workpackage, l’unità di Pavia collaborerà con le unità UNIBO e POLIMI, per sviluppare dei sistemi per la prototipazione rapida per di sistemi di controllo di tipo distribuito, open source e real time. Tali dispositivi sono essenziali nelle attività di progettazione rapida ed efficiente dei moderni sistemi di controllo, specialmente nelle attività di ricerca e sviluppo. Inoltre tali dispositivi sono difficilmente disponibili come prodotti commerciali, in quanto le produzioni commerciali tendono ad essere molto chiuse e vendor oriented.

WP-5: Disseminazione dei risultati.

L’unità di Pavia si impegna alla disseminazione dei risultati ottenuti nel progetto, tramite attività di seminari, partecipazione a conferenze, organizzazione di workshop e giornate tematiche organizzate in collaborazione con le industrie.

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Testo inglese
The objective of the proposed research is to develop open source software for an efficient support of distributed real-time embedded systems for monitoring and controlling dynamic environments. The reference scenario considered in this research consists of a dense network of computing elements interconnected through a wireless communication networks and powered by batteries. Each node is equipped with a microprocessor, actuators, and a set of sensors able to detect specific information from the environment, depending on the particular application.

The data acquired from the individual nodes are then sent to a base station, which performs sensory integration and data representation in a suitable graphical form. The base station can be connected via internet to the web, to allow remote users to access sensory data and perform some control actions, when possible. A user connected to the base station would have the possibility to receive the data acquired from individual sensors, visualize the integrated information, or specify a collective control strategy over the network, when nodes include actuation systems. For example, nodes could allow the user to acquire images from mobile cameras mounted on two-degrees-of-freedom rotating devices, or to acquire sounds detected by directional microphones (also mounted on rotating platforms), or other environmental information, such as temperature, humidity or light conditions. An example of collective strategy could be to coordinate pairs of cameras to reconstruct three-dimensional features of the observed objects, or to orient the microphones to determine the exact position of noisy sources.

The implementation of a monitoring system like the one described above requires the execution of a set of real-time acquisition and control activities, that must be executed on the nodes of the network to guarantee the feasibility of timing constraints, specified on the application and necessary to satisfy a required performance. Moreover, the possibility of realizing collective strategies over the network requires an additional interaction among nodes, that must cooperate with each other to decide how to distribute the processing activities related to data integration. An appropriate distribution of the computational could be crucial to satisfy the real-time requirements of the application, especially in the case in which processing elements have limited memory and computational power.

The optimisation of resource usage in embedded microprocessors with low energy consumption requires a specific support from the operating system, which, beside providing a set of efficient mechanisms for task management, has to guarantee a certain level of predictability on the response times of those activities characterized by timing constraints. In real-time operating systems for small-embedded applications, providing a solution to these issues is still an open problem.

In the case in which the computing elements are powered by batteries, the power dissipated by the nodes must be carefully controlled to guarantee a low energy consumption and, hence, a long lifetime of the network. If node batteries are recharged by solar panels, the behaviour of the network must adapt to the current meteorological conditions and to the state of charge of the batteries. On the other hand, transmitting nodes need to be assigned enough power to reach the destination node. Since it is not always possible to dislocate sensors in a desired position, the assignment of power to nodes is a task of crucial importance. Moreover, the dissipated energy can also controlled by software when using voltage variable processors. In such processors, the consumed power varies with the square of the supply voltage. However, a decrease in the supply voltage causes a decrease of the maximum frequency of the processor clock, and hence a reduction of the processor speed. As a consequence, in real-time systems with variable voltage, there is the problem of determining the speed that minimizes energy consumption but still guarantees the timing constraints of the application.

In summary, the objectives of the proposed research can be summarized as follows.

· Development of algorithms for efficient resource management in embedded real-time systems with limited resources and computational power.

· Study of kernel mechanisms for the development of modular operating systems dedicated to the support of distributed real-time applications.

· Study and analysis of scheduling algorithms for minimizing energy consumption in voltage variable processors.

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Phases of the proposed research
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The proposed research will be conducted according to the following phases.

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Phase 1. State-of-the-art analysis

Duration: 6 months
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This phase of the project will analyse several solutions proposed in the literature for the realization of distributed control networks. In particular,the characteristics of commercial real-time operating systems will be evaluated to see whether they are suited for supporting large sensor networks with real-time constraints. Wireless communication protocols and energy-aware scheduling algorithms will be also analysed in this phase in the context of voltage variable processors.

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Phase 2. Methodologies for the development of modular and efficient real-time kernels

Duration: 9 months
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This phase of the project will investigate kernel mechanisms that are efficient and are able to provide a high modularity of the entire system. The primary objective of this phase is to realize a real-time operating system of limited size that can be easily ported on different computer architectures, is highly configurable in the internal mechanisms, and allows handling tasks with highly predictable response times.
The specific problems thatwill be addressed in this research phase will deal with the implementation of mechanisms for task scheduling, synchronization, mutual exclusion, interrupt handling, and message passing communication for supporting distributed architectures.

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Phase 3. Energy-aware scheduling algorithms in voltage variable processors

Duration: 9 months
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This phase of the project will address the study of scheduling algorithms (static and dynamic) aimed at finding the optimal voltage level of the processor that minimizes energy consumption and still guarantees real-time application constraints. In this phase, overload handling techniques will also be investigated. In fact, a reduction of the supply voltage in the processor causes a reduction of the computational speed that increases the computation times in the system. If the total load is not kept below one, the performance of the system candegrade abruptly. Similarly, in the presence of mutual exclusive resources, task response times can vary in a discontinuous fashion with the processor speed. Hence, novel asynchronous communication mechanisms will be investigated for reducing blocking times in task execution and allowing scalability of the application as a function of the supply voltage.

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Coordination with the other research units
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With respect to the five workpackages described in the overall research program, the Pavia research unit contributes to the following activities:

WP-1: Development of design methodologies for distributed control systems and logic controllers.

The Pavia research unit coordinates the activities planned in this workpackage, and will cooperate with all the other research units (UNIBO, POLIMI and UNIMORE) in the development of design methodologies for real-time distributed control systems. In particular, the products of this workpackage will be a set of software tools aimed at supporting the development of dynamic distributed controllers with real time characteristics.

WP-2: Development of open source and real-time systems for rapid prototyping.

In this workpackage, the Pavia research unit will cooperate with the UNIBO and POLIMI groups for the development of open source and real-time systems for rapid prototyping of distributed control systems. Such systems are essential for a achieving fast and efficient design of modern control systems, especially in research and development activities. Moreover, such systems are rarely available on the market, because le commercial productions tend to be closed and vendor oriented.

WP-5: Dissemination of results.

The Pavia research unit will contribute to disseminate the results achieved in the project, by presenting papers to appropriate conferences, organizing seminars, workshops, and thematic meeting in cooperation with industries.

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2.6 Descrizione delle attrezzature già disponibili ed utilizzabili per la ricerca proposta


Testo italiano

anno di acquisizione  Descrizione 
1. 1999   Un dispositivo a due gradi di libertà per la movimentazione di telecamere  
2. 1999   2 telecamere B/N Pulnix con dispositivo per la trasmissione radio del segnale video  
3. 2000   3 computer Pentium III 700 MHz con schede di rete e schede di acquisizione dati  
4. 2002   3 computer Pentium IV 1 GHz con schede di rete e schede di acquisizione dati  


Testo inglese
anno di acquisizione  Descrizione 
1. 1999   A pan and tilt device for a mobile vision system  
2. 1999   2 Pulnix B/W cameras with a radio transmission device for video signal  
3. 2000   3 Pentium III 700 MHz computers with network and data acquisition boards  
4. 2002   3 Pentium IV 1 GHz computers with network and data acquisition boards  



2.7 Descrizione della richiesta di Grandi attrezzature (GA)


Testo italiano


Nessuna

Testo inglese

Nessuna


2.8 Mesi uomo complessivi dedicati al programma

  Numero  Mesi Uomo 
Personale universitario dell'Università sede dell'Unità di Ricerca  2  24 
Personale universitario dell'Università sede dell'Unità di Ricerca (altri)  2  20 
Personale universitario di altre Università  0  0 
Personale universitario di altre Università (altri)  2  24 
Titolari di assegni di ricerca  0  0 
Titolari di borse dottorato e post-dottorato  0  0 
Personale a contratto   2  24 
Personale extrauniversitario  0  0 
TOTALE 92 



PARTE III


3.1 Costo complessivo del Programma dell'Unità di Ricerca


Testo italiano

Voce di spesa  Spesa in Euro  Descrizione 
Materiale inventariabile  20.000  Personal Computer dotati di schede di rete e schede di acquisizione dati. Microcontrollori per applicazioni embedded. Telecamere digitali motorizzate a due gradi di libertà. Frame grabbers. Microfoni direzionali. Servomotori con controllo di posizione. 
Grandi Attrezzature     
Materiale di consumo e funzionamento  10.000  Materiale elettrico, sensori, componenti di ricambio, cavi, software, cancelleria, toner 
Spese per calcolo ed elaborazione dati     
Personale a contratto  30.000  Supporto alla realizzazione del software 
Servizi esterni     
Missioni  10.000  Riunioni oer l'organizzazione del progetto 
Pubblicazioni     
Partecipazione / Organizzazione convegni  20.000  Comunicazioni a conferenze 
Altro      
TOTALE 90.000    


Testo inglese
Voce di spesa  Spesa in Euro  Descrizione 
Materiale inventariabile  20.000  Personal Computers equipped with network boards and data acquisition cards. Microcontrollers for embedded applications. Digital videocameras actuated on a support with two degrees of freedoms. Frame grabbers. Directional microphones. Servomotors with position control. 
Grandi Attrezzature     
Materiale di consumo e funzionamento  10.000  Electrical and electronic components, sensors, spare parts, cables, software, stationery, toner 
Spese per calcolo ed elaborazione dati     
Personale a contratto  30.000  Support for software development 
Servizi esterni     
Missioni  10.000  Meetings for coordinating with partners 
Pubblicazioni     
Partecipazione / Organizzazione convegni  20.000  Conference attendance 
Altro      
TOTALE 90.000    

Il progetto è già stato cofinanziato da altre amministrazioni pubbliche (art. 4 bando 2003)?     NO  



 

3.3 Tabella riassuntiva

Costo complessivo del Programma dell'Unità di Ricerca  90.000 
Costo minimo per garantire la possibilità di verifica dei risultati  80.000 
Fondi disponibili (RD)  15.000 
Fondi acquisibili (RA)  15.000 
Cofinanziamento di altre amministrazioni pubbliche (art. 4 bando 2003)   
Cofinanziamento richiesto al MIUR  60.000 



PARTE IV


4.1 Risorse finanziarie già disponibili all'atto della domanda e utilizzabili a sostegno del Programma

Provenienza  Anno  Importo disponibile  Note 
Università       
Dipartimento       
CNR       
Unione Europea  2002   15.000  Progetto ARTIST sui sistemi embedded real-time 
Altro       
TOTALE    15.000    


4.2 Risorse finanziarie acquisibili in data successiva a quella della domanda e utilizzabili a sostegno del programma nell'ambito della durata prevista

Provenienza  Anno della domanda o stipula del contratto  Stato di approvazione  Quota disponibile per il programma  Note 
Università  2003   disponibile in caso di accettazione della domanda   15.000  Fondi ateneo 
Dipartimento         
CNR         
Unione Europea         
Altro         
TOTALE       15.000    


4.3 Certifico la dichiarata disponibilità e l'utilizzabilità dei fondi di cui ai punti 4.1 e 4.2:

SI



(per la copia da depositare presso l'Ateneo e per l'assenso alla diffusione via Internet delle informazioni riguardanti i programmi finanziati; legge del 31.12.96 n° 675 sulla "Tutela dei dati personali")


Firma _____________________________________   Data 26/03/2003 ore 19:46 


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