A synchronous functional language with integer clocks

par Adrien Guatto

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Albert Henri Cohen et de Marc Pouzet.

  • Titre traduit

    Un langage synchrone fonctionnel avec horloges entières


  • Résumé

    Cette thèse traite de la conception et implémentationd’un langage de programmation pour les systèmes detraitement de flux en temps réel, comme l’encodagevidéo. Le modèle des réseaux de Kahn est bien adaptéà ce domaine et y est couramment utilisé. Dans cemodèle, un programme consiste en un ensemble deprocessus parallèles communicant à travers des filesmono-producteur, mono-consommateur. La force dumodèle réside en son déterminisme.Les langages synchrones fonctionnels comme Lustresont dédiés aux systèmes embarqués critiques. Un programmeLustre définit un réseau de Kahn synchronequi peut être exécuté avec des files bornées et sans blocage.Cette propriété est garantie par un système detypes dédié, le calcul d’horloge, qui établit une échellede temps globale à un programme. Cette échelle detemps globale est utilisée pour définir les horloges, sé-quences booléennes indiquant pour chaque file, et àchaque pas de temps, si un processus produit ou consommeune donnée. Cette information sert non seulementà assurer la synchronie mais également à générerdu logiciel ou matériel à état fini.Nous proposons et étudions les horloges entières, unegénéralisation des horloges booléennes autorisant desentiers naturels arbitrairement grands. Les horlogesentières décrivent la production ou consommation deplusieurs valeurs depuis une même file au cours d’uninstant. Nous les utilisons pour définir la constructiond’échelle de temps locale, qui peut masquer despas de temps cachés par un sous-programme au contexteenglobant.Ces principes sont intégrés à un calcul d’horloge pourun langage fonctionnel d’ordre supérieur. Nous étudionsses propriétés et prouvons en particulier que lesprogrammes bien typés ne bloquent pas. Nous compilonsles programmes typés vers des circuits numériquessynchrones en adaptant le schéma de générationde code dirigé par les horloges de Lustre. L’informationde typage contrôle certains compromis entre temps etespace dans les circuits générés.


  • Résumé

    This thesis addresses the design and implementationof a programming language for real-time streaming applications,such as video decoding. The model of Kahnprocess networks is a natural fit for this area and hasbeen used extensively. In this model, a program consistsin a set of parallel processes communicating via singlereader, single writer queues. The strength of the modellies in its determinism.Synchronous functional languages such as Lustre arededicated to critical embedded systems. A Lustre programdefines a synchronous Kahn process network, thatis, which can be executed using finite queues and withoutdeadlocks. This is enforced by a dedicated type system,the clock calculus, which establishes a global timescale throughout a program. The global time scale isused to define clocks: per-queue boolean sequences indicating,for each time step, whether a process producesor consumes a token in the queue. This information isused both for enforcing synchrony and for generatingfinite-state software or hardware.We propose and study integer clocks, a generalizationof boolean clocks featuring arbitrarily big natural numbers.Integer clocks model the production or consumptionof several values from the same queue in the courseof a time step. We then rely on integer clocks to definethe local time scale construction, which may hide timesteps performed by a sub-program from the surroundingcontext.These principles are integrated into a clock calculus fora higher-order functional language. We study its properties,proving among other results that well-typed programsdo not deadlock. We adjust the clock-directedcode generation scheme of Lustre to generate finite-statedigital synchronous circuits from typed programs. Thetyping information controls certain trade-offs betweentime and space in the generated circuits.


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