Introduction

Approche synchrone
Pascal Raymond
Verimag-CNRS
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Domaine : Systèmes embarqués réactifs
Généralités
• Interaction permanente avec leur environnement
6= tranformationnels (e.g. compilateurs)
• Contraintes de temps de réponse
6= interactif (e.g. IHM, browser etc)
L’environnement est (en partie) le monde physique
• Ressouces limitées (mémoires, puissance de calcul etc)
Exemple
• Contrôle/commande, embarqué dans les transports (critiques)
• De plus en plus : partout ! (téléphonie, appareils ménagers etc)
Domaine : Systèmes embarqués réactifs
Exemple
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Fonctionnement schématique
capteurs
opérateur
Système réactif
(hard+soft+OS)
actionneurs
autres S.R.
• Environnement : interface avec le monde physique, opérateur
humain, autres sytèmes réactifs...
• Le “programme” : un logiciel particulier, sur un système
d’exploitation et une architecture particuliers ...
Beaucoup de problèmes !
⇒ On se concentre sur la fonctionnalité du système
Domaine : Systèmes embarqués réactifs
Fonctionnement schématique
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Exécution d’un système réactif
Entrées Réaction du système
Sorties
Réaction de l’environnement
• Entrées/sorties “informatiques” (booléens, entiers, flotants ...)
• Exécution = séquence de réactions
E0
E1
E2
E3
temps
S0
Exécution d’un système réactif
S1
S2
S3
Fonctionnement schématique
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Temps-réel ?
E0
E1
E2
E3
temps
S0
S1
S2
S3
• les E et les S alternent dans le temps
• i.e., le programme répond à Ei avant que n’arrive Ei+1
• i.e., le programme ne rate aucun changement significatif
Exécution d’un système réactif
Temps-réel ?
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Temps-réel et fonctionnalité
• fonctionnalité : le programme calcule les bonnes sorties
dépend essentiellement de la conception
• temps-réel : le programme calcule assez vite
Dépend aussi de l’architecture matérielle. Relatif à l’environnement
considéré :
? Quelques dizièmes de seconde pour un humain.
? Quelques millièmes de seconde pour certains processus
physiques.
? N.B. Les conraintes temps-réel sont fournies par un spécialiste
du domaine.
Exécution d’un système réactif
Temps-réel et fonctionnalité
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Fonctionnalité
On s’intéresse essentiellement à la fonctionnalité (et donc au soft)
Déterminisme
• Une séquence d’entrées donnée produit toujours la même séquence
de sorties
• Conséquence immédiate :
Si est parfaitement déterminée par la séquence E1 , E2 , ..., Ei
• i.e. ∀i Si = φ(E1 , E2 , ..., Ei )
Contrainte supplémentaire : mémoire bornée
• ∃M0 , g Si = f (Mi , Ei ) Mi+1 = g(Mi , Ei )
Fonctionnalité
Contrainte supplémentaire : mémoire bornée
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Réalisation d’un programme réactif simple
Identifier ...
• Les entrées E , les sorties S
• La mémoire interne nécessaire M , avec sa valeur initiale M0
Définir ...
• La fonction de sortie Si = f (Mi , Ei )
• La fonction de transition Mi+1 = g(Mi , Ei )
• N.B. identique aux circuits dit séquentiels.
Puis implémenter le tout par un programme
Réalisation d’un programme réactif simple
Définir ...
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Implémentation simple : “event-driven”
Système(E, S)
mémoire M
M := M0
boucle
attendre(E)
S = f(M, E)
M = g(M, E)
écrire(S)
fin boucle
f
E
S
M
g
Temps-réel ?
temps de calcul < temps de réaction de l’environnement
Réalisation d’un programme réactif simple
Implémentation simple : “event-driven”
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Implémentation (encore plus) simple : échantillonnage
Système(E, S)
mémoire M
M := M0
à chaque période faire
lire(E)
S = f(M, E)
M = g(M, E)
écrire(S)
fin
Temps-réel ?
temps de calcul < période
et période ad hoc pour un environnement connu
Réalisation d’un programme réactif simple Implémentation (encore plus) simple : échantillonn
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Système réactif complexe
Découper le problème
• Gros système : beaucoup d’entrées/sorties
• Conception “mono-bloc” impossible
• Solution classique : conception parallèle et hiérarchique
S1a
S2
S1
S1b
S3
environnement
Fonctionnement attendu : chaque sous-système se comporte
localement comme un système “temps-réel”
Système réactif complexe
Découper le problème
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Parallélisme de description
• Le parallélisme peut être imposé (système réparti),
• ou seulement “logique” (parallélisme de description)
i.e., l’architecture est centralisée
Implémentation par processus concurrents
Le parallélisme de description devient parallélisme d’exécution :
• Un “processus” par sous-système
• Communication/ordonnancement réalisés par l’exécutif
? Primitives systèmes (OS temps-réel)
? Primitives du langage (langages multi-tâches, par ex ADA)
⇒ Problème : fonctionnement global “imprévisible”
Système réactif complexe
Implémentation par processus concurrents
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Problèmes liés à l’implémentation multi-tâches
L’ordonnancement dynamique est par nature non-prévisible :
• Les temps de calculs sont difficiles (impossibles) à cerner
• L’ordre des communications est difficile à maı̂triser :
On peut l’influencer (priorités, communications bloquantes),
mais ça reste très “artisanal” :
? difficulté de mise au point (inversion de priorité)
? risque de blocage,
? temps de réaction toujours (sinon plus) imprévisibles.
En bref :
⇒ indéterminisme
⇒ ne respecte pas le critère temps-réel
Système réactif complexe
Problèmes liés à l’implémentation multi-tâches
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Approche synchrone
Concilier les avantages
• d’une conception modulaire et parallèle
• du déterminisme et de l’aspect temps-réel de l’implémentation
mono-bloc
f
E
S
E
Compilateur
Approche synchrone
S
M
g
Concilier les avantages
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Hypothèse de synchronisme
Idéalement (conception)
• Communication non bloquante en temps nul (diffusion synchrone)
• Réaction en temps nul
• Composition triviale : 0 + 0 = 0 (modularité “idéale”)
• En particulier, les sorties sont simultanées aux entrées
• D’où un temps logique discret (le rythme des entrées)
E0
E1
E2
E3
temps logique discret
S0
S1
Hypothèse de synchronisme
S2
S3
Idéalement (conception)
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Concrètement (exécutable)
Réaction simple (pas d’itération non bornée) et mémoire bornée :
⇒ il existe une borne au temps de réaction (wcet)
⇒ évaluable pour un couple soft/hard donné
∆0
δ0
∆1
δ1
∆2
δ2
δ3
temps
• soit δmax un majorant des δi (pour l’implémentation considérée),
• soit ∆min un minorant des ∆i (cf. le spécialiste du domaine)
• l’hypothèse synchrone est valide si δmax < ∆min
Hypothèse de synchronisme
Concrètement (exécutable)
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Quoi de neuf ?
Classique dans le domaine des circuits
• Circuit séquentiels (i.e. clockés, avec portes et registres)
• Machine de Mealy (automates) synchrones communicants
particulièrement adapté à la conception de la partie contrôle
• N.B. On reste dans le monde synchrone jusqu’à l’implémentation
(placement/routage).
Mais aussi en automatique
• Équations aux différences finies, réseaux analogiques
• Schémas à relais, schémas ladder, grafcet
Moins classique dans le logiciel
Quoi de neuf ?
Mais aussi en automatique
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Les langages synchrones
Approches
• étendre des langages existants (reactive-C, Jester, sugar-cube,
reactive-ml)
• définir de nouveaux langages ad hoc (c’est ce qu’on va étudier)
Principes communs
• Synchronisme (temps discret)
• Langage “bridés” (pas d’allocation dynamique ni d’itération non
bornée)
• Parallélisme de description
• Compilation vers du code séquentiel simple
Les langages synchrones
Principes communs
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Différents styles
• Flot de données déclaratif :
? textuel (Lustre, Signal, Lucid-Synchrone), ou graphique (Scade)
? style de programmation inspiré des “block-diagrams”
• Impératif séquentiel :
? textuel (Esterel, SL), ou graphique (SynchCharts)
? style de programmation inspiré des systèmes de transitions
(machines de Moore/Mealy)
Les langages synchrones
Différents styles
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Diffusion des langages synchrones
• Au niveau R&D, un peu partout où on fait de l’embarqué
(avionique, nucléaire, automobile, ascenceur, téléphonie, etc)
• En opérationnel, dans les domaines (très) critiques :
? Avionique (Airbus, Dassault, Eurocopter)
? Centrales nucléaires (Schneider Electric, EdF)
? Circuits (TI)
Les langages synchrones
Diffusion des langages synchrones