Architectures logicielles pour les systèmes embarqués temps réel

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1 ETR 07 4 septembre 2007 Architectures logicielles pour les systèmes embarqués temps réel Jean-Philippe Babau, Julien DeAntoni 1/31

2 Plan Architectures logicielles pour les systèmes embarqués Modèles à composants Langages et formalisation Mise en œuvre Style architectural Qinna : gestion dynamique de contrats de QoS Déploiement SAIA : indépendance vis-à-vis des entrées/sorties Conclusion 2/31

3 Les spécificités des systèmes embarqués temps réel Systèmes fortement contraints Contraintes temporelles Contraintes d embarquabilité Sûreté de fonctionnement Systèmes critiques Systèmes enfouis Développement Ressources limitées et spécifiques Systèmes prédictibles Systèmes dédiés Importance de l implémentation pour respecter les contraintes 3/31

4 Les architectures Principes généraux des architectures Organisation du système Structure gros grain, «programming in the large» Une application = un assemblage de composants, soit une configuration Améliorer la maîtrise du développement Séparation des préoccupations Aide au choix dans le découpage d un problème en sous-problèmes Masquage de détails non pertinents à un haut niveau d analyse Détection et isolement de parties défaillantes Qualité accrue attendue : réutilisation, interopérabilité, documentation Assurer la correction des architectures : analyse de performances Approche analytique (RMA) Simulation exhaustive, preuves Simulation 4/31

5 Architecture logicielle à composants Modèle de programmation à composants Composants Interfaces Connecteurs Niveau de description des configurations Outils pour la conception Style architectural Langages (ADL, UML et modèles) Mise en oeuvre Intergiciel ou compilation Validation 5/31

6 Les composants Composant : brique de base Primaire et/ou composite Comportement Spécification de haut niveau Code exécutable, code interprétable ou compilable Abstraction du code Comportement temporel (durées, ) Propriétés extra fonctionnelles du code (nom d auteur, numéro de version, ) Dépendances du code (librairies, ) Choix d une description Guidée par l objectif : déploiement, composition, analyse Combinaison de plusieurs descriptions Assurer la cohérence des vues aspects temporels : WCET ou WRT? Budgets temporels? 6/31

7 Les interfaces Interface : permet d accéder aux comportements du composant Rôle : fonctionnel ou configuration ou synchronisation (Flot de données/controle et Entrée / Sortie) Vs (client/serveur (opération) et Fournis / Requis) Appel bloquant Vs appel asynchrone Spécification comportementale Contrats Niveau 1 : signature de l appel Niveau 2 : comportement (pré / post condition sur les paramètres d appel) Niveau 3 : protocole d appel Toujours open() avant read() Niveau 4 (QoS) : contraintes quantifiées et/ou temporisées Nombre d appels Fréquence d appel Retards, échéances Niveau de description Composition (CBSE) : tout est contractualisé (fourni/requis) au niveau des interfaces Assemblage : tout est spécifié au niveau des interfaces et des composants 7/31

8 Les connecteurs Connecteurs : spécifier les communications entre les interfaces Lien logique Fil entre interfaces homogènes Connecteur complexe Comportement Pour lier des interfaces hétérogènes Adapter des contrats Programmable ou configurable Composant simple ou composite Librairies prédéfinies Langage spécifique Contrats Établissement à la connexion QoS rarement traité au niveau du connecteur 8/31

9 Niveau de description de la configuration Embarqué temps réel Architecture technique Souvent fixée : processeur, RTOS, synchrone, Pas toujours explicitée Architecture logique Budget temporel ou performances inconnues Déploiement Généralement fixé Architecture opérationnelle architecture logique Temps mesurés Analyses de performance V Architecture technique V Déploiement Architecture logique V Architecture opérationnelle V V Aspect essentiel Intégration dans le processus de développement Sémantique du temps Vs Abstraction de l architecture technique 9/31 V Implémentation V Machine/exécutif/code

10 Langages ADL : langage de description d architectures Outil de description d assemblages Graphique / textuel, informel / formel UML Standard de modélisation ADL : UML2, profil UML Modèles (IDM ou MDE) Concepts, liens entre les concepts Modèles, méta-modèles, transformations de modèles MOF, ecore Outils : éditeurs, transformations de modèles, 10/31

11 Style architectural Bonnes pratiques Types de composants et de connecteurs, contraintes d assemblage ADL design pattern qui est la solution à un problème pattern qui est un motif que l on retrouve souvent Modèle minimal pour appliquer le style Objectif qualitatif Propriété de qualité suite à l application du style architectural Style en couche : faible couplage, indépendance vis-à-vis d une plateforme Domaines des IHM : PAC, Modèle / vue / contrôleur : réutilisation du contrôle Objectif quantitatif L application du style assure que la propriété pourra être évaluée Tâches périodiques indépendantes : analyse RMA possible 11/31

12 Mise en oeuvre Intergiciel Composants et/ou connecteurs Identifiable à l exécution Gestion dynamique Installation / désinstallation Modification d un composant Adaptation au contexte Compilation Pas de composants à l exécution Adapté aux systèmes critiques non évolutifs Librairies Mises en œuvre d un style architectural 12/31

13 Validation Propriétés Non chiffrables (qualité logicielle) Vs chiffrables (sécurité, QoS) Composables (mémoire) Vs émergentes (échéance) Propriétés temporelles Temps logique (sûreté, vivacité) Composition de propriétés Temps physique Analyse par morceaux «analyse ordonnançabilité monoprocesseur puis analyse bout en bout» Problématique complexe de la dérivation de contraintes temporelles Sémantique opérationnelle temporisée RdP, UPPAAL, Kronos, IF, 13/31

14 Architecture logicielle à composants Modèle de programmation à composants Composants, interfaces, connecteurs Niveau de description des configurations Outils pour la conception Style architectural Langages (ADL, UML et modèles) Mise en oeuvre Intergiciel ou compilation Validation Méthodes 14/31

15 Qinna : un style architectural pour la gestion dynamique de la qualité de service Systèmes embarqués communicants Ajout / retrait de composants Système adaptable (applications, ressources) Gestion sure des ressources Composants à l exécution Architecture opérationnelle Gestion de contrats de niveau 4 (contraintes quantifiées et/ou temporisées) play decode Contrat fonct. decode Video Contrat de QoS BON 25 i/sec 25 i/sec Deco 15/31

16 Modèle de composants Modèle de composants Fractal de France Télécom R&D Tout est composant Interface : services fournis et requis Connecteur : fil logique Composition : basée sur les contrats Signature / pré-post / protocole / Qualité de Service Établissement du contrat à la connexion Mise en oeuvre Think : implémentation C de Fractal pour l embarqué Gestion dynamique des composants à l exécution play decode Contrat fonct. decode Video Contrat de QoS BON 25 i/sec 25 i/sec Deco 16/31

17 Composants et QoS QoS Comportement : discrétisation par mode de fonctionnement (configuration locale) Contrats sur les interfaces en terme de QoS fournie / requise Niveau de QoS contractualisé Enveloppes de QoS Gestion des contrats ou négociation Gestion dynamique : tout changement entraîne une recherche de solution Composants pour l établissement, le suivi et l adaptation Séparation des préoccupation F-Component, QoSComponent, QoSBroker, QoSManager, QoSDomain, QoSObserver Généricité types abstraits 17/31

18 Comportement Table de mapping par service et par composant Établie a priori Discrétisation des niveaux Compromis granularité / nombre d opérations Établissement d un contrat : recherche du niveau de contractualisation maximal vis-à-vis de QoSRequises possibles Niveau de contractualisation QoS fournie Contrainte Locale QoSLocale Requise QoSService Requis 1 Rapide % CPU 2 Moyen % CPU 3 Lent % CPU 18/31

19 Composants pour la gestion des contrats Composant à gérer du point de vue QoS QoSComponent 1..N 1..N Applicatif (Video) Service (Decodeur) OS (Thread) Ressource (Memoire, CPU) 1 Test d admission, Réservation Mapping, Mécanismes Adaptation, Maintenance QoSComponentBroker 1 1 QoSComponentManager 1..N 0..N QoSComponentObserver 0..N Politique Observation Politiques adaptation, maintenance 1 QoSDomain 1 19/31

20 Gestion dynamique de la QoS Suivi des contrats Changement Demande / Arrêt d un F-component Modification : demande d une application ou état d une ressource Recherche d un contrat acceptable Parcours de l arbre défini par les QoSManager Test d admission par appel des QoSBrokers Bilan Compromis gaspillage de QoS / adaptations Confiance Contrôle de ce qui est alloué par le QoSComponent : niveau ressources Impact de la période d observation en terme de retards 20/31

21 Evaluation de Qinna Etudes de cas Ordonnancement Structures hiérarchiques, régisseur Pic de demande, de charge «saut(s)» selon la forme du pic, suivi périodique Variation d une ressource «Marches» prédéfinies, suivi événementiel Application vidéo 7 QoSComponent, processeur 200Mhz, 60 Mo de RAM Établissement et adaptation d un contrat : 4,38 ms et 1,08 ms Place : 749 ko, 1,5 % Utilisation Systèmes multimédias Adaptation, coûts raisonnables Systèmes temps réel Structuration et intégration des politiques de gestion de la QoS 21/31

22 Expérimentations et validation ARA de l ANR : REVE Architecture à composants pour l adaptation aux changements de contexte Contexte Etat des ressources Plateforme d exécution Mise en place de librairies Application à un viewer d images distantes Librairies C++, IF Validation Taux d utilisation des ressources Nombres d opérations d adaptation 22/31

23 Motif pour le déploiement Approche MDA à base de composants Plate-forme : PM+PIM+mapping -> PSM Plateforme abstraite Structuration à base de composants sémantique (IF), méta-modèles Par étape : E/S, communications, concurrence V Architecture technique V Architecture technique virtuelle architecture applicative n V mapping V Architecture n+1 V 23/31

24 Style architectural SAIA (Sensor Actuator Independant Architecture) Indépendance vis-à-vis des mécanismes d entrée/sortie Simulation/prototypage Portabilité sur cibles diverses Prise en compte de modifications (E/S, fonction) Respect de contraintes de QoS applicative Modèles de composants SA Model SAI Model control Comportement : automate temporisé Interfaces : flots d information en entrées / sorties ALM Niveau de description Architecture logique SASM 24/31

25 Style architectural SAIA (Sensor Actuator Independant Architecture) Principes Architecture en couches Plate forme abstraite (QoS aware) Type de composants et contraintes d assemblage Défini par un métamodèle Modèle de QoS pour les flots d information Eléments de SAIA SAIM : capteurs / actionneurs abstraits + loi de contrôle SAM : capteurs / actionneurs réels ou émulés ALM : connecteur complexe Formatage, interprétation, adaptation de QoS SA Model ALM SAI Model control 25/31

26 Contractualisation de la QoS Sémantique opérationnelle temporisée comportement (interprétation, fusion, adaptation, ), WCET, retard IF Evaluation de la QoS SAM + ALM : assemblage : observateurs ALM / SAIM : connexion : relation de satisfaction QoS fournie satisfait QoS requise SA Model ALM SAI Model control QoS Fournie (ALM) «satisfait» QoS Requise (SAIM) Intervalles : inclusion LTS : la QoS requise simule la QoS fournie 26/31

27 Expérimentations de SAIA Outil basé sur GME Méthode de mise en oeuvre Concours Runner Up of the martian Task design compétition, 4ème Cibermouse challenge Implémentation efficace Mise en place des taches selon une stratégie événementielle Maîtrise de la conception Réutilisation de modèles du SAIM Identification des composants Validation des contrats de QoS Outil de mise au point des paramètres de QoS Déploiement correct sur cible réelle 27/31

28 MDA et communications Architecture d un objet communicant Communication distante entre objets «A remotesend to B» «Abstract Platform» Famille des protocoles wireless / connexion oriented QoS générique IrDA Platform Abstract Communication Platform Mapping application «Concrete Platform» Irda / Bluetooth Communicating application «Mapping» Aspect fonctionnel : lien logique QoS : dérivation de contraintes, test d admission, négociation 28/31

29 Conclusion sur les architectures Modèle de composants Définir les concepts de base pour le domaine visé Sémantique opérationnelle temporisée Langages et modèles Unifier et relier les concepts par domaine / entre les domaines Styles architecturaux Définition de règles de structuration : configuration analysable et de qualité Mise en œuvre Intégration de la concurrence lors du déploiement (tâches, ordonnancement) Abstraction de l architecture technique Solutions hétérogènes : compilation + intergiciel 29/31

30 Conclusion sur les architectures Méthodes de mise en place des architectures Définition d étapes, liste de «bonnes questions», règles informelles Outils d aide à la décision guidée par la performance Contrat de QoS (niveau 4) Intégration des propriétés émergentes Hétérogénéité à la connexion SAIA : établie par construction d un connecteur complexe (assemblage) Qinna : négociation à l exécution Communications : négociation et configuration à l exécution Enveloppes de QoS 30/31

31 des questions!!!??? 31/31

32 Discussion 32/31

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