Coopération de modèles de temps

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1 Coopération de modèles de temps Gérard Berry Collège de France Chaire Algorithmes, machines et langages Cours 6, 19 mars 2014

2 Rappel : les trois modèles fondamentaux Synchrone temps conceptuellement nul (négligeable) simple, déterministe : circuits, logiciels embarqués Vibratoire temps prévisible (pas toujours rapide) électronique des circuits synchrones ordonnancement statique des logiciels synchrone (WCET) Asynchrone algorithmique distribuée générale Internet (TCP/IP) Chacun de ces modèles est localement compositionnel, mais que dire de la composition de modèles différents? G. Berry, Collège de France 19/03/2014 2

3 Dans la vie courante Synchrone dans la même pièce, au téléphone Vibratoire le télégraphe (il faut taper le message) le pneumatique, le train (Suisse) Asynchrone plus ou moins prévisible : le courrier, Internet imprévisible : toute caisse de retraite Continu / discret : téléphone / lettre G. Berry, Collège de France 19/03/2014 3

4 19/03/ Principaux modes de communication medium type impression adressage courrier 1 1 asynchrone physique courriel 1 1 asynchrone logique télégramme, pneu 1 1 vibratoire physique SMS 1 1 vibratoire logique téléphone 1 1 (n?) synchrone physique chat / tél Internet 1 1 (n?) synchrone logique tableau d affichage 1 n asynchrone physique site web, mass-mailing 1 n asynchrone logique théâtrophone 1 n synchrone physique radio / télévision 1 n synchrone logique tweet 1 n vibratoire logique réunion (parole) n n synchrone physique audio / vidéo conf. n n synchrone logique forum internet n n asynchrone logique

5 19/03/ Quelques outils de simulation pour simuler par outil courriel courrier réexpédition tableau d affichage courrier / courriel envoi en masse tableau d affichage téléphone répondeur courriel téléphone répondeur avec appel à distance téléphone radio walkie-talkie, appel VHF site web radio CNN, France-info, BFM forum radio CB des taxis radio asynchrone streaming On peut simuler l asynchrone par le synchrone ou le vibratoire, mais pas vraiment l inverse sans l informatique!

6 19/03/ L apport de l informatique Passage à l adressage logique dissociation du temps et de l espace Accélération majeure du mode asynchrone téléchargement >> bibliothèque Possibilité de simuler le vibratoire / (presque) synchrone par l asynchrone «best effort» vibratoire : streaming son et vidéo synchrone : téléphone par Internet point dur : la mesure des performances du réseau Exemple d erreur hélas fréquente : vouloir synchroniser freins et suspension d une voiture avec de l asynchrone

7 19/03/ L apport du télégraphe ( ) Mécanique puis électrique Chappe (1794, Paris Lille) Wheatstone (1838, Londres Birmingham) Morse (1843, Baltimore Washington) doublement vibratoire : télégraphe + pneumatique! Fantastique raccourcissement des délais exemple Angleterre / USA, Inde ou Australie, Portugal / Macao, etc. Progrès technologiques rapides et massifs manuel électrique, millions de km de lignes, pneumatique, etc. Explosion de nouvelles applications information, commerce, politique, cœur, etc. Changement technique et mental extraordinaire déclaré deuxième invention fondamentale après la roue! The Victorian Internet, Tom Standage, Berkley Books, NY

8 19/03/ Mais aussi Discours éthérés plus de guerres, victoire de la démocratie, etc. Tricheries San Francisco : paris gagnants sur les courses de New York Retour de l Histoire : la France a été en avance... puis en retard, pour le Télégraphe Chappe (1794) et le Minitel ( )!

9 19/03/ En biologie Systèmes asynchrones réactions chimiques de construction des protéines dans les cellules cf. BioCham, séminaire de F. Fages au Colloque 2008 : Systèmes vibratoires commande du cœur circulation sanguine propagation de l influx nerveux rythmes neuronaux alpha, beta, theta, gamma, circadien vision et audition, contrôle du mouvement réplication de l ADN (40 nucléotides / s), transcription de l ARN idem pour les plantes, rythme des saisons et du jour Systèmes intermédiaires système immunitaire (croissance exponentielle des lymphocytes) système hormonal Coopération de systèmes continus et discrets : potentiels d action, battement de cœur, saccades oculaires, etc.

10 19/03/ Exemple de synchronisations Sensations de simultanéité < 20ms (toucher, musique) Vision uniforme d une image malgré les saccades oculaires synchronisation vision (lèvres) / audition (voix) malgré des chemins neuronaux très différents impact du synchronisme temporel des potentiels d action sur l émission de potentiels d action (C. Rossant) coordination du mouvement (A. Berthoz)

11 19/03/ Mélanger les temps en informatique : beaucoup de travaux, souvent épars... Implémentation des langages et systèmes synchrones implémentations vibratoires sur circuits ou logiciels (WCET) domaines synchrones de Ptolemy (E. A. Lee, Berkeley) systèmes distribués fortement synchronisés (PTIDES, E. A. Lee) distribution de programmes synchrones sur infrastructures asynchrones Réseaux mixtes vibratoires / asynchrones TTP, FlexRay, Real-time Ethernet, etc. applications typiques: avionique, automobile, etc. Systèmes GALS (Globally Asynchronous Locally Synchronous) SoCs multi-horloges Orchestration synchrone d activités Web asynchrones en Hop / Hiphop (cours séminaire du 28 mai 2013)

12 Approximation asynchrone de logiques vibratoires / synchrones transmission asynchrone «best effort» de flots synchrone (streaming audio / vidéo, téléphone Internet) timestamps dans les algorithmes distribués asynchrones (L. Lamport) génération de sons en temps-réel avec OS asynchrone (Antescofo) Automatique répartie tolérante au temps cf. séminaire d Albert Benveniste (LTTA), 5 mars 2014 Simulation logicielle de phénomènes physiques relation entre temps d exécution (wall time) et temps du système simulé relations entre temps continus et discrets cf. cours du 19 mars, et exposés de K-J. Åström (19 mars 2014) et M. Pouzet (26 mars 2014) G. Berry, Collège de France 19/03/

13 19/03/ Le danger des méthodes «pragmatiques» Exemple typique : implémenter un langage conceptuellement parallèle par un ordonnancement forcé pour le rendre séquentiel, donc apparemment simple Langage IEEE 1131 pour automates programmables Statecharts (25+ sémantiques proposées) Stateflow (Matlab, associé à Simulink), cf. cours du 2 avril 2013 etc. Implémenter quelque chose, puis essayer de lui trouver une sémantique => Mauvaise compositionnalité, vérification formelle difficile, etc.

14 19/03/ Une question centrale : le déterminisme fonctionnel et temporel Dans quelle mesure est-il une contrainte du type d application? Si oui, le formalisme le respecte-t-il par construction? Eventuellement dans certaines parties du système et pas dans d autres? J aime bien l idée que les réactions de ma voiture à mes commandes restent relativement déterministes

15 Une grande tentative d unification : Ptolemy II, E.A. Lee et. al. (UC Berkeley) G. Berry, Collège de France 19/03/ Grand projet démarré en par Edward Lee à UC Berkeley, EECS Electrical Engineering and Computer Science Lab, à la suite de Ptolemy Classic (1980, avec J. Buck et. al.). Principe: modélisation et simulation de systèmes informatiques embarqués complexes, avec intégration de plusieurs modèles de calcul temporels ou non Attention particulière à la rigueur sémantique, et interface homme-machine élégante Logiciel Open Source (licence BSD), utilisé industriellement Livre papier ou PDF gratuit, exemples animés

16 La hiérarchie des modèles de calcul de Ptolemy G. Berry, Collège de France 19/03/ traités dans le livre

17 19/03/ Style d un modèle Ptolemy II définit le modèle de calcul global, ici Discrete Events acteurs hiérarchiques (modèles de calcul différents) générateur d entrées afficheur

18 19/03/ Synchronous Dataflow (SDF) m n lit m entrées, en produit n A 2 3 B A A A B B : 6 mémoires A A B A B : 4 mémoires A n p B A déclenché a fois, B b fois équation d équilibre : na pb A B 1 1 C ABCC A 1 1 B C

19 19/03/ Synchronous Dataflow (SDF) Messerchmitt & Lee (1987) : procédure pour décider s il y a un ordonnancement statique garantissant des buffers bornés et pour fournir l ordonnancement minimal. Taux de lecture ou production conditionnels, ou buffer non bornés changement de modèle: DDF Dynamic Dataflow Note : les modèles SDF et DDF n ont pas de temps propre, mais ils s intègrent dans les modèles temporels facilement pour SDF (un cycle par «unité de temps» plus difficilement pour DDF, car scheduling dynamique

20 19/03/ Application sonore SDF

21 19/03/ DFF, avec mémoire finie ou infinie switch et test dans le même sens switch et test inversés

22 19/03/ Automates finis hiérarchiques (FSM) Une vieille connaissance: ABRO R / A / B / / O loop abort { await A await B }; emit O; halt when R end loop

23 19/03/ Automates finis hiérarchiques (FSM) Une vieille connaissance: ABRO en Ptolemy II Fortement inspiré des SyncCharts de C. André Transitions synchrones sur événements

24 19/03/ SR : Synchronous-Reactive Models Similaire aux langages synchrones Lustre, Signal etc. Utilise la sémantique constructive d Esterel sous forme de point fixe dans une logique à 3 valeurs, cf prochain cours du 26 mars 2014 Peut accueillir des sous-modèles variés et servir d orchestrateur, comme les FSMs cf. cours / séminaire HipHop vs. Hop, 28 mai 2013

25 19/03/ SR : de Simone Round-Robin Scheduler Cf. cours 1, 2014 Ptolemy II implémente la sémantique constructive (en mode interprétation) NB: erreur dans le livre : Esterel possède aussi le mode interprétation, pas seulement le mode compilation

26 DE : Discrete Events Models G. Berry, Collège de France 19/03/ o1 o2 o3 o4 o5 o6 o7 temps superdense temps constructif i1 i2 i3 i4 i5 i6 modèle de temps superdense timestamp (t,n) où t est flottant double et n entier t est une valeur dans le temps du modèle n est un index pour les événements de temps t (t,n) fortement synchrone avec (t,n ) si t t et n n (t,n) faiblement synchrone avec (t,n ) si t t Scheduling ordre des timestamps ordre topologique priorités (pour les timestamps fortement synchrones restants) i7 cf. cours 1, 2013

27 19/03/ Temps superdense : le pendule de Newton Conservation de la quantité de mouvement dans les chocs la quantité de mouvement saute de bille en bille en temps 0 Ptolemy : de microstep en microstep Alternative : le temps non-standard, cf. séminaire de M. Pouzet, 26 mars 2014

28 19/03/ DE démo : un serveur avec FIFO

29 19/03/ DE démo : le même sans fil Liaison par nom

30 19/03/ Un serveur plus complexe

31 19/03/ Modèle mixte continu / discret + Zénon

32 Continuous : attention à Zénon et au test de fin! G. Berry, Collège de France 19/03/

33 19/03/ Conclusion Faire coopérer des modèles de temps n est pas si simple et mérite d être étudié de près. On trouve des tas de solutions ad-hoc dans la vie courante Mais le problème n est pas encore assez reconnu et étudié en informatique Quelques travaux importants : relation synchrone / vibratoire, coopération synchrone / asynchrone, implémentations d algorithmes d automatique, simulateurs continus / discrets Et une grande tentative d unification globale, Ptolemy II

34 19/03/ Quelques références Real Time Programming: PSpecial urpose or General Purpose Languages G. Berry. Information Processing 89, G.X. Ritter (Ed.), Elsevier Science Publishers B.V., North-Holland (1989) The Victorian Internet Tom Standage, Berkley Books, New York (1998) System Design, Modeling, and Simulation using Ptolemy II Claudius Ptolemaeus, Editor (2014) téléchargable avec toutes les démos animées: PTIDES: A Programming Model for Distributed Real-Time Embedded Systems P. Derler, T. Huining Feng, E.A. Lee, S. Matic, H.D.Patel, YangZ hao, Jia Zou Report EECS , EECS Department, University of California, Berkeley On the Schedulability of Real-Time Discrete Event Systems E. Matsikoudis, C. Stergiou, E.A. Lee. Proc EMSOFT 2013.

35 Ptides (E. Lee et. al) : Programming Temporally Integrated Distributed Systems G. Berry, Collège de France 19/03/ Les acteurs spécifient les calculs les messages portent des timestamps précis

36 19/03/ Synchronisation d horloges synchro d horloge bornée (PTP) la synchronisation donne un sens global aux timestamps messages traités dans l ordre des timestamps

37 19/03/ Synchronisation d horloges capteurs acteurs timestamp = date de mesure timestamp temps limite actuateurs acteurs

38 19/03/ Interprétation temps-réel des timestamps capteurs acteurs timestamp = date de mesure timestamp temps limite actuateurs acteurs

39 19/03/ Maîtrise des latences La latence globale des capteurs aux actionneurs est calculable, ce qui rend la correction et la performance du système analysable maîtrise des latences par calcul des timestamps retour au monde physique actuateurs : timestamps date de l action

40 19/03/ Conséquence : déterminisme! hypothèse : délai des capteurs borné s Note : Il faut des bornes aux interfaces réseau pour garantir l ordre temporel indépendamment de l ordre d exécution des acteurs. hypothèse: erreur d horloge bornée e délai du réseau borné d application: latence d2 un événement de timestamp t peut être sorti au temps t + s + d + e d2

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