Approches Synchrones et Asynchrones pour la conception de systèmes temps réel critiques

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1 Approches Synchrones et Asynchrones pour la conception de systèmes temps réel critiques F. Boniol ONERA-CERT Dépt. Traitement de l Information 2, av. Edouard Belin, Toulouse d'études et de Recherches de Toulouse 1

2 Introduction Constat 1 : L école Française des langages réactifs synchrones (Esterel, Lustre, Signal) et asynchrone (Electre ) est importante et reconnue Constat 2 : De plus en plus d utilisations industrielles significatives des langages synchrones (avionique, nucléaire, ASIC ) Constat 3 : Les systèmes industriels conçus (en partie) en Lustre ou Esterel sont globalement asynchrones Paradoxe? d'études et de Recherches de Toulouse 2

3 Plan Introduction Anatomie d un système temps réel critique (avionique) paradigme Globalement Asynchrone Localement Synchrone nature et localisation de l asynchronisme et du synchronisme dans un système temps réel critique Langages synchrones principes généraux Lustre : flots de données synchrones Esterel : flots de contrôle synchrones Discussion : Lustre versus Esterel versus Electre Conclusion d'études et de Recherches de Toulouse 3

4 Anatomie d un système temps réel critique : vue globale Un système (avionique) = ensemble de fonctions communicantes implantées sur une architecture distribuée Calculateurs faiblement couplés pas d horloge commune, pas de mécanisme de synchronisation d horloge Fonctions faiblement couplées communication par diffusion de 1 vers n, entrées consommées = dernières valeurs produites Nature des échanges inter-fonctions échanges de flots de données semi-continus mémorisation dans un tampon à écrasement local à la fonction consommatrice de la dernière valeur reçue échanges d événements (ponctuels) mémorisation dans une FIFO locale à la fonction consommatrice de toutes les occurrences reçues non traitées Communications non synchronisantes d'études et de Recherches de Toulouse 4

5 Anatomie d un système temps réel critique : vue globale Système globalement asynchrone possibilités de dérives d horloges entre les calculateurs possibilités de gigue dans l exécution des fonctions et des communications absence de synchronisation entre les données et les fonctions nécessité de mémorisation des données Exemple avionique A340 = plus de 20 systèmes faiblement couplés Système Commande de vol A340 = 12 calculateurs faiblement couplés d'études et de Recherches de Toulouse 5

6 Anatomie d un système temps réel critique : vue locale Chaque calculateur implémente : des fonctions cycliques des fonctions apériodiques du type E;CS (pas d acquisition asynchrone en cours de traitement) des processus interface environnement (protocoles ) un séquenceur pilotant l activation des fonctions cycliques et apériodiques en fonction des signaux reçus, du mode courant (un OS temps réel) donnée semi-continue Séquenceur donnée semi-continue événement F i F j événement Protocole... d'études et de Recherches de Toulouse 6

7 Anatomie d un système temps réel critique : vue locale F k = E;CS (acquisition gelée au début de l exécution) revient à figer l environnement de F k pendant son exécution revient à bloquer le temps du point de vue de F k hypothèse de localité synchrone approche synchrone pour la description des F k L asynchronisme est géré par le séquenceur mémorisation des signaux reçus pendant l exécution des F k gestion de l exécution des F k approche asynchrone pour le séquenceur Monde asynchrone Séquenceur F i F j Protocole... Approche combinée asynchrone / synchrone SDL, Electre... Séquenceur, protocoles... Lustre, Esterel, Signal... Fonctions cycliques, aprériodiques... d'études et de Recherches de Toulouse 7

8 Approche synchrone : principes généraux Principe simplificateur premier : un processus synchrone est un processus du type E;CS qui fige les valeurs de ses signaux d entrée au début de son exécution et pour toute la durée de celle-ci Par principe de modularité les valeurs des signaux internes ou de sortie (calculées dans la partie CS) sont figées au fur et à mesure qu elles sont élaborées assignation unique déterminisme revient à geler le temps du point de vue de chaque signal élimination du temps du point de vue interne (c est comme si tout était calculé instantanément et immédiatement - le «comme si» étant géré concrètement par le compilateur du langage) d'études et de Recherches de Toulouse 8

9 Approche synchrone : principes généraux D un point de vue mathématique soit F un processus synchrone soit α 1, α n les signaux (entrée, sortie, interne) de F Notons F S 0 S 1 S 2 S N-1 S N (S i = valuation d un sous ensemble de {α 1, α n }) Alors, une activation de F avec le stimulus S 0 (valuation des signaux d entrée de F) (S i ) i=1..n est une suite croissante convergente (les valeurs des signaux sont progressivement figées au cours de l exécution et dès qu elles sont calculées) S N est complet (tout signal a été calculé) simplifie de la programmation interne de F mais nécessite un environnement à dynamique lente ou une interface aynchrone / synchro d'études et de Recherches de Toulouse 9

10 Approche synchrone : principes généraux Trois langages : LUSTRE pour la programmation de processus opérant majoritairement sur des flots semi-continus ESTEREL pour la programmation de processus opérant majoritairement sur des événements Signal pour la programmation de processus opérant majoritairement sur des flots semi-continus d'études et de Recherches de Toulouse 10

11 Approche synchrone : Lustre Notion de base : flot de donnée Programme Lustre = réseau d opérateurs produisant et consommant des flots de données à chaque cycle d activation αobs Conv angle_courant Cobs K SCADE - + Cgain + + Ccmd pre Origine : Vérimag (Grenoble) Distribution commerciale : SCADE - Verilog Telelogic Utilisations indutrielles : Airbus, Schneider Electric 0 Lust Node asserv (αobs : real) returns (Ccmd : re var Cobs, Cgain : real; let Ccmd = (0 pre(ccmd)) + Cgain ; Cgain = K * ((0 pre(ccmd)) - Cobs; Cobs = Conv_angle_courant(αobs); tel. d'études et de Recherches de Toulouse 11

12 Approche synchrone : Esterel Notion de base : signal (absent ou présent) valué Programme Esterel = automate hiérarchique et parallèle Module foo: input I, J; output 0; Origine : INRIA Distribution commerciale : Esterel Studio - Simulog Utilisations indutrielles : Dassault Aviation signal S in [ loop await 2 I; emit S; end loop await [J and S]; emit O; ] end module I I J and I / O d'études et de Recherches de Toulouse 12

13 Discussion : Lustre versus Esterel LUSTRE = ESTEREL langages synchrones qui permettent la description du comportement d un système / d une tâch sous la forme d un ensemble d actions à réaliser à chaque instant en réponse aux sollicitations de l environnement et en fonction des réactions passées Mais LUSTRE ESTEREL ESTEREL = description sous forme procédurale on décrit le «comment» sous forme algorithmique avec des points d arrêt (les états) le contrôle saute d un point d arrêt à un autre en fonction des signaux d entrée adapté aux systèmes / tâches pour lesquels la notion d état prédomine LUSTRE = description sous forme déclarative on décrit le «quoi» sous forme équationnelle chaque équation peut-être interprétée comme un processus à flots de données, i.e., activé chaque fois que toutes ses entrées sont présentes et définies le compilateur se comporte un «solveur» qui transforme les équations en algorithme adapté aux systèmes / tâches pour lesquelles la notion de variable d état prédomine d'études et de Recherches de Toulouse 13

14 Discussion : Esterel versus Electre ESTEREL = ELECTRE langages qui permettent la description du comportement d un système / d une tâche sous sous forme procédurale (états - événements - transitions) adaptés aux systèmes / tâches pour lesquels les notions d état et d événements prédominent Mais ESTEREL ELECTRE ESTEREL = hypothèse synchrone (gel du monde pendant l exécution) pas de mémorisation des signaux d entrée simultanéité des signaux reçus ou émis lors de la même exécution ELECTRE = description asynchrone mémorisation des signaux d entrée en attente de traitement non simultanéité de signaux d'études et de Recherches de Toulouse 14

15 Conclusion Un système temps critique (avionique, nucléaire ) est souvent Globalement Asynchrone Localement Synchrone (GALS) nécessité d une approche combinée asynchrone / synchrone possibilité de vérification formelle sur chaque partie synchrone et asynchrone (cf. exposé de O. Laurent) Recherche en cours : formalisation du couplage asynchrone / synchrone (SDL+Lustre, Electre+Lustre ) étude de la vérification formelle globale asynchrone / synchrone d'études et de Recherches de Toulouse 15