Mestrado em Engenharia de Sistemas Computacionais Críticos

ECTS

2,5

Período

1º semestre

Responsável

Luís Miguel Nogueira

Teórica

2 horas

O foco da UC é geral e basilar: as técnicas e os compromissos de desenho abordados são aplicáveis a diferentes tipos de plataformas computacionais, incluindo servidores, computadores de secretária, sistemas móveis, sistemas embutidos e plataformas de computação de alto desempenho.
Os alunos irão compreender como um processador explora o paralelismo para executar instruções de forma concorrente, como os sistemas de memória modernos fornecem dados ao processador e os motivos da sua crescente complexidade, e como múltiplos processadores são interligados para executar partes de um programa ou múltiplos programas em paralelo, como acontece nos atuais sistemas multiprocessador.
Esta UC tem dois objetivos principais:
CO1. Familiarizar os alunos com os principais compromissos de desenho em arquitetura de computadores e com os avanços mais recentes em processadores, sistemas de memória e plataformas computacionais atuais e futuras, com forte ênfase nos fundamentos teóricos que sustentam essas decisões de desenho.
CO2. Desenvolver os conhecimentos teóricos e a experiência necessários para uma futura atividade de investigação na área. Será dada particular ênfase à análise crítica de artigos científicos, à conceção de novos mecanismos capazes de avançar o estado da arte e à avaliação aprofundada de características e mecanismos fundamentais das arquiteturas computacionais modernas, nomeadamente através do projeto de investigação.

* Tecnologias e abstrações computacionais
* Instruções: a linguagem do computador
* Desenho de um processador com pipeline
* Paralelismo ao nível das instruções: do pipeline às arquiteturas superescalares
* Tecnologias e arquiteturas de memória
* Do paralelismo ao nível das instruções ao paralelismo ao nível das threads
* Arquiteturas multiprocessador e multicore
* Eficiência energética em sistemas computacionais

ECTS

6,5

Período

1º semestre

Responsável

Alexandre Bragança

Teórica

2 horas

Prática laboratorial

3 horas

Ao obter aprovação nesta UC, o estudante deve ser capaz de entender os princípios da MDE. Mais especificamente, o estudante deve ser capaz de:
CO1. Compreender os conceitos e as técnicas fundamentais da MDE, o seu papel nos processos de desenvolvimento e avaliação de um sistema crítico e aplicar o conhecimento adquirido em casos de uso práticos;
CO2. Identificar e modelar requisitos funcionais e não funcionais para sistemas críticos, usando as melhores práticas e garantindo que eles respeitam os padrões de qualidade esperados (verificáveis, rastreáveis, não ambíguos, corretos, etc.);
CO3. Compreender o processo de desenvolvimento de software, em particular as atividades de engenharia de requisitos e validação e verificação do software, demonstrando capacidade de aplicação do processo em casos práticos;
CO4. Adquirir experiência prática usando ferramentas que suportam especificação e gestão de requisitos, modelação de sistemas e a sua avaliação, verificação de modelos e testes.

O plano de estudos para esta UC é dividido em sete conteúdos de aprendizagem específicos. Estes são propostos para garantir que haja um equilíbrio correto entre conteúdos teóricos e fundamentais e o uso de ferramentas de software para apoiá-los em aplicações práticas.
CP1. Conceitos, princípios e técnicas fundamentais da MDE e suas especificidades quando aplicados a sistemas críticos
CP2. Fundamentos da engenharia de requisitos
CP3. UML e SysML como linguagens de modelação de software e sistemas para permitir MDE de sistemas críticos
CP4. Especificação formal e verificação de modelos de sistemas críticos: princípios e ferramentas
CP5. O Processo de desenvolvimento de software em contexto MDE e para sistemas críticos
CP6. Fundamentos de teste e análise de falhas e seu uso em MDE
CP7. Casos de estudo

ECTS

8

Período

1º semestre

Responsável

Filipe de Faria Pacheco

Prática laboratorial

16 horas

No final desta unidade curricular, o estudante deverá ser capaz de desenvolver aplicações e sistemas críticos considerando os seus requisitos funcionais e não-funcionais. Especificamente, o estudante deverá
ser capaz de:
CO1. Perceber os conceitos e princípios associados a sistemas críticos;
CO2. Elicitar e analisar requisitos de um sistema crítico;
CO3. Desenhar sistemas críticos através da seleção e aplicação de conhecimento adquirido noutras unidades curriculares;
CO4. Implementar um sistema crítico utilizando modelos e práticas do estado da arte.

CP1. Revisão de conceitos e princípios de sistemas críticos
CP2. Revisão de como analisar sistemas críticos e seus requisitos
CP3. Revisão das melhores práticas existentes para o desenho de sistemas críticos
CP4. Revisão de melhores práticas de implementação e teste

ECTS

6,5

Período

1º semestre

Responsável

Luís Miguel Pinho

Teórica

2 horas

Prática laboratorial

3 horas

No fim desta UC, os alunos devem estar capazes de:
CO1. Avaliar conceitos e princípios associados as sistemas de tempo-real.
CO2. Descrever sistemas computacionais embebidos.
CO3. Avaliar algoritmos de escalonamento, análise de escalonabilidade para sistemas uni- e multiprocessador
CO4. Avaliar mecanismos de gestão de recursos partilhados em SETR;
CO5. Avaliar princípios e técnicas para SETR com diferentes níveis de criticalidade

CP1. Sistemas computacionais embebidos de tempo real;
CP2. Algoritmos de escalonamento e análise de escalonabilidade para sistemas uni-processador;
CP3. Mecanismos de gestão de recursos partilhados em SETR;
CP4. Princípios e técnicas para SETR em ambientes multi-processador e com diferentes níveis de criticalidade.

ECTS

6,5

Período

1º semestre

Responsável

Luis Lino Ferreira

Teórica

2 horas

Prática laboratorial

3 horas

No final desta unidade curricular o estudante deve ser capaz de:
CO1. Compreender os principais protocolos de comunicação utilizados em sistemas de sistemas e sistemas críticos (Nível de Bloom: 2)
CO2. Desenhar sistemas de comunicação para sistemas críticos tendo em atenção dos requisitos destes sistemas (NB: 6)
CO3: Explicar os algoritmos fundamentais de escalonamento para redes com características de tempo-real (NB 2)
CO4: Explicar os algoritmos fundamentais de fiabilidade (NB 2)

CP1 - Revisão e homogeneização de conhecimentos sobre redes de computadores
CP2 - Introdução às redes de computadores para sistemas críticos
CP3 - Conceitos de redes de tempo-real
CP4 - Conceitos de redes de alta fiabilidade
CP6 - Conceitos sobre rede sem fios
CP7 - Protocolos para sistemas fiáveis

ECTS

2,5

Período

2º semestre

Responsável

Carlos J. Pereira Freitas

Teórico-prática

2 horas

O principal objetivo da unidade curricular é dotar os formandos dos conhecimentos essenciais sobre boas praticas e referenciais relevantes ao nível da gestão de projetos. Sendo este um domínio amplo, será dado especial enfoque a duas abordagens principais: abordagens baseadas no modelo em cascata, mais convencionais, e abordagens ágeis, adequados a cenários onde se pretende concretizar resultados de forma gradual (incremental).
Para além da abordagem aos conceitos fundamentais a nível a teórico, será igualmente trabalhada a aplicação pratica em contexto simulado, recorrendo a ferramentas referenciais.
Assume-se como objetivo facilitar aos alunos a aplicação dos conceitos em ambiente real de trabalho.
No final da disciplina os alunos deverão ser capazes de:
OB1: Identificar as principais áreas de conhecimento e grupos de processos previstos no PMBoK® Guide.
OB2: Criar uma estrutura de decomposição do projeto em atividades (WBS).
OB3: Criar e manter um plano de projeto no Microsoft Project.
OB4: Descrever as principais diferenças entre abordagens de gestão de projeto convencionais e abordagens ágeis.
OB5: Propor uma implementação duma abordagem ágil como o Scrum.
OB6: Identificar os principais papeis no contexto do Scrum.
OB7: Criar e manter um backlog de produto ou projeto no contexto do Scrum.
OB8: Acompanhar o progresso das equipas, detetando desvios potenciais e necessidades de re-alinhamento.
OB9: Promover sessões efetivas de planeamento com equipas ágeis.
OB10: Enumerar as principais diferenças entre Scrum e Kanban.
OB11: Identificar alternativas para escalar as abordagens ágeis à medida que o numero de equipas cresce.

CP1: Introdução à gestão de projectos. Principais abordagens.
CP2: Introdução ao PMBOK®: grupos de processos e áreas de conhecimento.
CP3: Project management plan e WBS.
CP4: Microsoft Project® hands-on Lab.
CP5: Abordagens ágeis vs tradicionais.
CP6: Agile Manifesto e principais abordagens ágeis.
CP7: Scrum®: Visão geral, papeis e artefactos.
CP8: Scrum®: Cerimónias e boas praticas.
CP9: Scrum®: Gestão de backlog de Produto/Projecto.
CP10: Scrum®: Estimação.
CP11: Scrum®: Acompanhamento de progresso.
CP12: Kanban e Scrumban.
CP13: Agile em Escala.

ECTS

8

Período

2º semestre

Responsável

Filipe de Faria Pacheco

Prática laboratorial

16 horas

No final desta unidade curricular, o estudante deverá ser capaz de desenvolver aplicações e sistemas críticos considerando os seus requisitos funcionais e não-funcionais aplicando conhecimentos de unidades curriculares anteriores (e mais especificamente de FVOCA, RTOSP, SYOSY e PMDEV).
Em particular, o estudante deverá ser capaz de:
CO1. Perceber os conceitos e princípios associados a sistemas críticos;
CO2. Elicitar e analisar requisitos de um sistema crítico;
CO3. Desenhar sistemas críticos através da seleção e aplicação de conhecimento adquirido nas unidades curriculares anteriores;
CO4. Utilizar modelos e práticas do estado da arte para implementar um sistema crítico .

CP1. Análise de casos de uso propostos pela indústria
CP2. Conceitos e princípios de sistemas críticos
CP3. Análise de sistemas críticos e seus requisitos
CP4. Aplicação das melhores práticas no desenho de sistemas críticos
CP5. Aplicação das melhores práitcas na implementação e teste de sistemas críticos

ECTS

6,5

Período

2º semestre

Responsável

Paulo Baltarejo Sousa

Teórica

2 horas

Prática laboratorial

3 horas

Esta disciplina aborda Sistemas Operativos de Tempo-Real (SOTR). Abrange os conceitos e princípios base dos SOTR, nomeadamente aqueles que permitem garantir os requisitos de tempo-real. Esta disciplina também aborda a programação para SOTR, device drivers, políticas de escalonamento, mecanismos de sincronização e outros.
No final deste curso, o aluno deve dominar as tecnologias de suporte e operação dos SOTRs mais comuns e ser capaz de aplicar esse conhecimento na programação de novas funcionalidades nos SOTRs.
Após completar com sucesso a UC, o estudante deverá ser capaz de:
- CO1 - Entender os conceitos e princípios básicos SOTR assim como as arquiteturas.
- CO2 - Avaliar os mecanismos implementados para suportar os requisitos de tempo-real.
- CO3 - Aplicar mecanismos dos SOTRs para garantir que as restrições de tempo-real das aplicações.
- CO4 ? Integrar /implementar novas funcionalidades de tempo-real nos SOTR.

- P1. Introdução aos SOTR, ferramentas e frameworks.
- P2. Gestão de tarefas e de recursos.
- P3. Concorrência, problemas e soluções.
- P4. Programação para SOTR.
- P5. Tópicos de SOTR abordados/implementados fora do core do sistema operativo.

ECTS

6,5

Período

2º semestre

Responsável

António Barros

Teórica

2 horas

Prática laboratorial

3 horas

Esta unidade curricular tem como objectivo fornecer aos estudantes uma compreensão sólida sobre a integração de sistemas complexos, com foco em arquitecturas orientadas a sistemas. São abordadas tecnologias como middlewares de comunicação, computação distribuída e mecanismos para garantir requisitos críticos de tempo real e segurança. No final, os estudantes estarão aptos a aplicar conceitos, utilizar ferramentas relevantes, e conceber, implementar e avaliar sistemas de sistemas confiáveis.
Os resultados de aprendizagem (CO) da unidade curricular são os seguintes:
- CO1: Aplicar os principais conceitos de Sistemas de Sistemas.
- CO2: Utilizar as plataformas, frameworks e middlewares de Sistemas de Sistemas mais relevantes.
- CO3: Projetar e implementar sistemas de sistemas críticos confiáveis.
- CO4: Avaliar projetos de sistemas de sistemas.

P1: Conceitos de Sistemas de Sistemas (SoS).
P2: Integração SoS.
P3: Comunicações Orientadas a Serviços.
P4: Middlewares orientados a mensagens (MQTT, CoAP, AMQP, etc).
P5: Estruturas (IoT-A, Fiware, Arrowhead, etc).
P6: Comunicações em tempo-real e críticas à segurança (DDS).
P7: Virtualização e contentorização.

ECTS

6,5

Período

2º semestre

Responsável

Luís Miguel Pinho

Teórica

2 horas

Prática laboratorial

3 horas

Ao obter aprovação nesta UC, o aluno deve ser capaz de:
CO1. Compreender o processo de V&V de aplicações críticas no sentido de garantir a correção de propriedades funcionais e não-funcionais dos sistemas e seus componentes.
CO2. Compreender as vantagens e desvantagens da utilização de diferentes métodos de V&V de software, compreender os seus pontos fortes e fracos, e o seu papel complementar ao garantir a correção de aplicações.
CO3. Aplicar anotações em programas imperativos simples com contratos formais, incluindo pré- e pós-condições, e variantes e invariantes de ciclos, de forma a realizar testes, análise de fluxo e verificação de programas com contratos;
CO4. Aplicar, de forma adequada, metodologias de análise estática, máquinas de estados e ferramentas de verificação de modelos, de forma a verificar aplicações críticas.

CP1. O processo de verificação e validação de aplicações críticas
CP2. Abordagens baseadas em contratos para a verificação estática e dinâmica de aplicações críticas.
CP3. Especificação formal e verificação de modelos de sistemas críticos: princípios e ferramentas.

ECTS

2,5

Período

1º semestre

Responsável

Luis Lino Ferreira

Teórica

2 horas

Esta disciplina visa a apresentação de diferentes casos sobre a utilização de tecnologias para sistemas críticos.
No final da unidade curricular, o aluno deve ser capaz de analisar um sistema computacional crítico, identificar os seus requisitos e propor um plano de implementação e validação, tendo como conteúdo técnico a utilização de todo o conhecimento adquirido nas diversas unidades curriculares do Mestrado. O aluno deverá também se capaz de aprofundar um determinado tema.

Esta unidade curricular consiste na apresentação, análise crítica e discussão de um conjunto de casos de estudo, a serem propostos por empresas associadas a este mestrado ou investigadores na área. Os casos de estudo serão baseados em todo o conteúdo adquirido pelos alunos ao longo da frequência das várias unidades curriculares do Mestrado.

ECTS

6,5

Período

1º semestre

Responsável

Nuno Pereira

Teórica

2 horas

Prática laboratorial

3 horas

A UC aborda princípios fundamentais de segurança como modelação de ameaças e sistemas criptográficos e progride para domínios especializados incluindo segurança de sistemas embebidos/IoT, segurança web e áreas emergentes como a segurança de sistemas de IA.
No final desta UC, o estudante deverá ser capaz de:
CO1. Analisar modelos de ameaças e vulnerabilidades de segurança em diferentes sistemas computacionais e plataformas (Análise - Bloom Level (BL) 4)
CO2. Aplicar princípios criptográficos e mecanismos de segurança para projetar sistemas de software seguros e dispositivos embebidos (Aplicação - BL 3)
CO3. Avaliar defesas de segurança e contramedidas contra ataques baseados na web e ameaças emergentes (Avaliação - BL 5)
CO4. Criar relatórios de avaliação de segurança e conceber e implementar soluções práticas de segurança para ambientes computacionais do mundo real (Criação - BL 6)

A UC aborda as seguintes áreas principais:
P1. Fundamentos de Segurança: Princípios de modelação de ameaças, sistemas criptográficos, segurança do ciclo de vida de software gestão de risco da cadeia de fornecimento e a relação entre confiabilidade e segurança em sistemas críticos;
P2. Segurança de Sistemas: Segurança de sistemas embebidos/IoT, ataques de canal lateral, mecanismos de isolamento e design seguro de sistemas;
P3. Segurança Web: Modelos de segurança web, vetores de ataque comuns, estratégias defensivas e desenvolvimento seguro de aplicações web;
P4. Tecnologias Emergentes: Segurança de sistemas de IA, considerações de segurança VR/AR e desafios de segurança em plataformas computacionais de próxima geração.

ECTS

8

Período

1º semestre

Responsável

Luís Miguel Pinho

Teórico-prática

16 horas

No final desta unidade curricular, o aluno deve ser capaz de:
CO1. Identificar e definir os blocos científicos base para elaboração de uma proposta de tese;
CO2. Fazer revisões de literatura e identificar as informações científicas fundamentais que precisam de fazer parte de uma formulação de uma proposta de investigação;
CO3. Mostrar a capacidade de escrever críticas científicas;
CO4. Escrever uma proposta de tese científica, incluindo introdução do estado da arte, abordagem e métodos e planeamento temporal.

O programa expõe os melhores princípios para a revisão de literatura, redação de trabalhos científicos e propostas de investigação, bem como criar e organizarconteúdo científico para formular o estado da arte e identificar os elementos fundamentais de uma nova proposta científica.
Paralelamente, cada aluno, individualmente, será orientado pelo orientador de tese de mestrado selecionado e redigirá o seu plano de tese.

ECTS

6,5

Período

1º semestre

Responsável

Luís Miguel Pinho

Teórica

2 horas

Prática laboratorial

3 horas

Pretende-se que os alunos aprendam a analisar e compreender sistemas avançados de gestão de tarefas concorrentes, explorar a execução paralela, analisar e desenvolver aplicações concorrentes e paralelas e adquirir conhecimentos sobre plataformas e tecnologias avançadas.
Os objetivos específicos da unidade curricular emanam dos resultados pretendidos e do conhecimento no contexto do domínio dos sistemas computacionais críticos, mapeando do objetivo geral acima para um conjunto de três objetivos específicos:
CO1. Paradigmas e linguagens de programação para sistemas críticos: fornecer aos alunos os requisitos e desafios específicos que são colocados em paradigmas e linguagens de programação para desenvolver sistemas ciber-físicos para aplicações críticas.
CO2. Programação funcional: apresentar o paradigma de programação funcional como uma abordagem para programação de código concorrente e paralelo livre de efeitos colaterais, reduzindo a complexidade da programação e aumentando sua confiabilidade.
CO3. Programação paralela e concorrente: fornecer aos alunos as estratégias, metodologias e ferramentas necessárias para desenvolver algoritmos e aplicações concorrentes e paralelas, com modelos de programação imperativos e funcionais.

PO1. Programação Concorrente e Paralela em Sistemas de Memória Partilhada
PO2. Programação Paralela com OpenMP
PO3. Programação Paralela de Pequena Granularidade
PO4. Programação Funcional em Rust
PO5. Concorrência e Paralelismo em Rust
PO6. Programação Paralela em Sistemas de Tempo-Real

ECTS

6,5

Período

1º semestre

Responsável

Ricardo Severino

Teórica

2 horas

Prática laboratorial

3 horas

No final deste curso, o estudante deverá dominar as tecnologias e a operação de suporte dos sistemas autónomos inteligentes mais comuns e poder aplicar esse conhecimento no projeto de uma funcionalidade de um sistema autónomo inteligente.
Em particular, o estudante deve ser capaz de:
CO1. Entender os fundamentos da operação de sistemas autónomos.
CO2. Fazer escolhas de projeto de arquiteturas adequadas para atender aos requisitos da aplicação, em relação aos componentes do sistema mais utilizados em plataformas robóticas, incluindo sensores.
CO3. Entender e aplicar estratégias, estruturas e algoritmos de última geração empregues no desenvolvimento de sistemas autónomos inteligentes.
CO4. Analisar o impacto do desempenho de um sistema de comunicação na operação crítica de uma tarefa cooperativa.
CO5. Implementar um subsistema de uma aplicação de cooperação autónoma com preocupações críticas de segurança / missão.

PO1. Princípios: Introdução à história, conceitos e arquitetura de robótica e sistemas autónomos. Frameworks de desenvolvimento robótico e ferramentas de simulação. Cinemática e abordagens básicas de controle. Componentes e sistemas de hardware.
PO2. Sensores e percepção: Princípios de trabalho e uso dos sensores mais comuns. Fundamentos de visão computacional. Aplicação de redes neuronais para processamento e classificação de imagens.
PO3. Localização e mapeamento: Estratégias de localização: relativa e absoluta, mapas e técnicas de fusão sensorial, filtro Kalman, localização Monte-Carlo, filtros departículas, localização e mapeamento simultâneos.
PO4. Planeamento, navegação e controle: A*, Deep reinforcement learning, algoritmos de controlo PID e MPC.
PO5. Cooperação: Estratégias para resolução de problemas em sistemas cooperativos, incluindo alocação de tarefas, planeamento e coordenação. Revisão de sistemas de comunicação e aplicação em casos de uso de cooperação.

ECTS

30

Período

2º semestre

Responsável

Luís Miguel Pinho

Outra

4 horas

No final da unidade curricular, o estudante deve ser capaz de entregar uma dissertação de mestrado completa e defendê-la. Para conseguir isso, o estudante deve mostrar ser capaz de:
CO1. Elaborar e executar um projeto de dissertação significativo com base no plano aprovado;
CO2. Gerir a articulação dos objetivos de investigação e posicionar as atividades de investigação no contexto académico correto, definir questões científicas e evidências claramente, avaliar a solidez das questões científicas, das evidências, e dos resultados.
CO3. Execução do processo de investigação e estar ciente das obrigações e desafios da investigação
CO4. Organizar o documento da dissertação como uma narrativa de científica, na forma de manuscrito com vários capítulos, estruturada de acordo com as linhas que serão definidas no modelo de dissertação.
CO5. Descrever de forma clara e sucinta, escrita e oral, os resultados de investigação obtidos perante o júri de avaliação.

Trabalho autónomo supervisionado, de acordo com o plano de investigação de dissertação aprovado e aceite pelo Estudante, pelo Orientador (docente ou investigador doutorado ou especialista do ISEP) pelo Coorientador (no caso de existir) e pelo Supervisor da organização (se existir).