Optimizations for faster execution of Esterel programs

• Auteur / Autrice : Dumitru Potop-Butucaru
• Direction : Gérard Berry, Robert de Simone
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique Temps Réel, Automatique et Robotique
• Date : Soutenance en 2002
• Etablissement(s) : Paris, ENMP
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication (Nice ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de mathématiques appliquées (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Halbwachs, Albert Benveniste, Michael Mendler, Etienne Closse, Stephen A. Edwards

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes embarqués (informatique)

Esterel (langage de programmation)

Mots clés libres

Systèmes embarqués

Systèmes réactifs

Langages synchrones

Esterel

Analyse statique

Compilation

Simulation

Optimisation de code

Sémantique opérationnelle

Machines de Mealy

Circuits digitaux

Causalité

Embedded systems

Reactive systems

Synchronous languages

Static analysis

Compilation

Simulation

Optimization

Operational semantics

Mealy machines

Digital circuits

Causality

Résumé

Esterel est un langage de spécification utilisé dans le développement de systèmes embarqués. Sa sémantique formelle permet des traductions en automates explicites ou en circuits digitaux synchrones, donnant lieu à deux implantations logicielles dont les propriétés essentielles sont héritées du modèle correspondant. Ces méthodes de compilation sont donc sémantiquement complètes, mais en contrepartie n’arrivent pas à générer du code efficace (à la fois compact et rapide) pour des modèles de taille conséquente. Pour cette raison, de nouvelles techniques ont été proposées récemment pour la génération de code C efficace, consistant essentiellement dans la simulation directe des opérations réactives du programme Esterel. Ces nouvelles techniques doivent être conciliées maintenant avec les aspects spécifiques à la sémantique d’Esterel qui sont la causalité constructive et la cyclicité. Elles doivent aussi être munies de techniques adaptées d’analyse et d’optimisation. Pour atteindre ces objectifs, nous proposons une nouvelle technique de compilation dont la puissance découle de l’utilisation d’un nouveau format intermédiaire, nommé GRC. La représentation GRC d’un programme Esterel se compose d’une représentation de l’état hiérarchique du programme et d’un graphe déstructuré de flot de contrôle. Les deux composants, séparés au niveau syntaxique, sont sémantiquement interdépendants. Le nouveau format permet la représentation de tout programme Esterel. Il est un bon support pour des algorithmes d’optimisation efficaces à ce niveau et pour des algorithmes d’implantation (ordonnancement et encodage) efficaces. Notre travail apporte les contributions suivantes : - une définition précise de la sémantique du langage Esterel avec données ; - la définition du format GRC et de la correspondance formelle entre le code GRC et les circuits générés à partir d’Esterel ; - la caractérisation, au niveau du code GRC, de la classe de programmes Esterel générant des circuits cycliques ; - le développement d’un compilateur Esterel-C qui utilise GRC comme unique format intermédiaire. Le prototype traite actuellement les programmes Esterel dont la représentation GRC est acyclique. Le code C est obtenu dans ces cas par une planification statique du graphe de flot de contrôle GRC. Le compilateur implémente un bon nombre de techniques d’optimisation, en partie originales. Une comparaison entre notre prototype et les autres compilateurs montre l’intérêt de l’approche.

Esterel is a design language for reactive embedded systems. It enjoys a full-fledged formal operational semantics, and can customarily be compiled into either explicit Finite State Machines or Digital Sequential Circuit models, thereby providing implementation codes with very distinctive flavors. While being semantically complete, the model-based techniques do not support the generation of efficient (fast and small) code for large specifications. For this reason, new compilation schemes were proposed for the generation of efficient sequential ( C) code. Consisting essentially in direct actual simulation of the language reactive features, the new approach now needs to be accommodated with similar semantic issues as the previous ones (FSM- and circuit-based). Such issues include dealing with the whole class of constructively causal programs, or performing optimization and analysis of this level. To this end, we propose here a new format/model (named GRC) for the intermediate representation of Esterel programs. The new format has formal constructive semantics, being able to represent all the Esterel programs. It describes with separate (but interdependent) structures the hierarchic state of the Esterel program and its destructured control flow. Thus, it is a good support for both (1) efficient low-cost optimizations based on static analysis that use high-level structural information and (2) low-level control flow optimizations. Finally, the format is a good starting point for efficient scheduling algorithms. Our contribution consists in the following : - The precise definition of the semantics of the full Esterel language ; - The definition of the GRC format (including the formal correspondence between its semantics and the “circuit” semantics) ; - A characterization, at GRC level, of the programs that are translated into cyclic circuits ; - The development of an optimizing GRC-based prototype C code generator. The prototype is currently able to compile the programs whose GRC representation is acyclic. Sequential code is generated in these cases by statically scheduling the acyclic GRC flowgraph. The compiler includes novel optimization algorithms, based on static analysis, and an efficient state encoding technique. The results are encouraging, as our prototype seems to compare well against existing compilers.