Sémantique mécanisée et compilation vérifiée pour un langage synchrone à flots de données avec réinitialisation

Mechanized semantics and verified compilation for a dataflow synchronous language with reset

• Auteur / Autrice : Lélio Brun
• Direction : Marc Pouzet, Timothy Bourke
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 06/07/2020
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mathématiques de Paris centre (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : École normale supérieure (Paris ; 1985-....). Département d'informatique
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École normale supérieure (Paris ; 1985-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Équipe de recherche Parallélisme de Kahn synchrone (Paris)
• Jury : Président / Présidente : Xavier Leroy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marc Pouzet, Timothy Bourke, Xavier Leroy, Gerwin Klein, Xavier Thirioux, Jean-Louis Colaço, Emmanuel Ledinot, Pascal Raymond
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gerwin Klein, Xavier Thirioux

Mots clés

Mots clés contrôlés

Informatique

Mots clés libres

Langages synchrones à flots de données

Lustre

Scade

Compilation vérifiée

Sémantique mécanisée

Vélus

Assistants de preuve interactifs

Coq

Reset modulaire

Synchronous dataflow languages

Lustre

Scade

Verified compilation

Mechanized semantics

Vélus

Interactive theorem provers

Coq

Modular reset

Résumé

Les spécifications basées sur les schémas-blocs et machines à états sont utilisées pour la conception de systèmes de contrôle-commande, particulièrement dans le développement d'applications critiques. Des outils tels que Scade et Simulink/Stateflow sont équipés de compilateurs qui traduisent de telles spécifications en code exécutable. ls proposent des langages de programmation permettant de composer des fonctions sur des flots, tel que l'illustre le langage synchrone à flots de données Lustre. Cette thèse présente Vélus, un compilateur Lustre vérifié dans l'assistant de preuves interactif Coq. Nous développons des modèles sémantiques pour les langages de la chaîne de compilation, et utilisons le compilateur C vérifié CompCert pour générer du code exécutable et donner une preuve de correction de bout en bout. Le défi principal est de montrer la préservation de la sémantique entre le paradigme flots de données et le paradigme impératif, et de raisonner sur la représentation bas niveau de l'état d'un programme. En particulier, nous traitons le reset modulaire, une primitive pour réinitialiser des sous-systèmes. Ceci implique la mise en place de modèles sémantiques adéquats, d'algorithmes de compilation et des preuves de correction correspondantes. Nous présentons un nouveau langage intermédiaire dans le schéma habituel de compilation modulaire dirigé par les horloges de Lustre. Ceci débouche sur l'implémentation de passes de compilation permettant de générer un meilleur code séquentiel, et facilite le raisonnement sur la correction des transformations successives du reset modulaire.

Specifications based on block diagrams and state machines are used to design control software, especially in the certified development of safety-critical applications. Tools like Scade and Simulink/Stateflow are equipped with compilers that translate such specifications into executable code. They provide programming languages for composing functions over streams as typified by dataflow synchronous languages like Lustre. In this thesis we present Vélus, a Lustre compiler verified in the interactive theorem prover Coq. We develop semantic models for the various languages in the compilation chain, and build on the verified CompCert C compiler to generate executable code and give an end-to-end correctness proof. The main challenge is to show semantic preservation between the dataflow paradigm and the imperative paradigm, and to reason about byte-level representations of program states. We treat, in particular, the modular reset construct, a primitive for resetting subsystems. This necessitates the design of suitable semantic models, compilation algorithms and corresponding correctness proofs. We introduce a novel intermediate language into the usual clock-directed modular compilation scheme of Lustre. This permits the implementation of compilation passes that generate better sequential code, and facilitates reasoning about the correctness of the successive transformations of the modular reset construct.