Techniques d'analyse et d'optimisation pour la synthèse architecturale de systèmes temps réel embarqués distribués : problèmes de placement, de partitionnement et d'ordonnancement

Analysis and optimization techniques for the architectural synthesis of real time embedded and distributed systems

• Auteur / Autrice : Asma Mehiaoui
• Direction : Jean-Philippe Babau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 16/06/2014
• Etablissement(s) : Brest
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Santé, information-communication et mathématiques, matière (Brest, Finistère)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Ingénierie dirigée par les modèles pour les Systèmes Embarqués
• Jury : Président / Présidente : Laurent Pautet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Philippe Babau, Laurent Pautet, Emmanuel Grolleau, Frédéric Mallet, Laurent Lemarchand, Sara Tucci-Piergiovanni
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Emmanuel Grolleau, Frédéric Mallet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ingénierie dirigée par les modèles

Temps réel (informatique)

Mots clés libres

Systèmes temps réel critiques distribués

Optimisation

Analyse des temps de réponse

Programmation linéaire en nombres entiers

Exploration de l’espace des architectures

Ingénierie dirigée par les modèles

Critical distributed real-time systems

Optimization

Response time analysis

Mixed integer linear programming

Design space exploration

Model-driven engineering

Résumé

Dans le cadre industriel et académique, les méthodologies de développement logiciel exploitent de plus en plus le concept de “modèle” afin d’appréhender la complexité des systèmes temps réel critiques. En particulier, celles-ci définissent une étape dans laquelle un modèle fonctionnel, conçu comme un graphe de blocs fonctionnels communiquant via des échanges de signaux de données, est déployé sur un modèle de plateforme d’exécution matérielle et un modèle de plateforme d’exécution logicielle composé de tâches et de messages. Cette étape appelée étape de déploiement, permet d’établir une architecture opérationnelle du système nécessitant une validation des propriétés temporelles du système. Dans le contexte des systèmes temps réel dirigés par les évènements, la vérification des propriétés temporelles est réalisée à l’aide de l’analyse d’ordonnançabilité basée sur l’analyse des temps de réponse. Chaque choix de déploiement effectué a un impact essentiel sur la validité et la qualité du système. Néanmoins, les méthodologies existantes n’offrent pas de support permettant de guider le concepteur d’applications durant l’exploration de l’espace des architectures possibles. L’objectif de ces travaux de thèse consiste à mettre en place des techniques d’analyse et de synthèse automatiques permettant de guider le concepteur vers une architecture opérationnelle valide et optimisée par rapport aux performances du système. Notre proposition est dédiée à l’exploration de l’espace des architectures en tenant compte à la fois des quatre degrés de liberté déterminés durant la phase de déploiement, à savoir (j) le placement des éléments fonctionnels sur les éléments de calcul et de communication de la plateforme d’exécution, (ii) le partitionnement des éléments fonctionnels en tâches temps réel et des signaux de données en messages, (iii) l’affectation de priorités d’exécution aux tâches et aux messages du système et (iv) l’attribution du mécanisme de protection des données partagées pour les systèmes temps réel périodiques. Nous nous intéressons principalement à la satisfaction des contraintes temporelles et celles liées aux capacités des ressources de la plateforme cible. De plus, nous considérons l’optimisation des latences de bout-en-bout et la consommation mémoire. Les approches d’exploration architecturale présentées dans cette thèse sont basées sur la technique d’optimisation PLNE (programmation linéaire en nombres entiers) et concernent à la fois les applications activées périodiquement et celles dont l’activation est pilotée par les données. Contrairement à de nombreuses approches antérieures fournissant une solution partielle au problème de déploiement, les méthodes proposées considèrent l’ensemble du problème de déploiement. Les approches proposées dans cette thèse sont évaluées à l’aide d’applications génériques et industrielles.

Modern development methodologies from the industry and the academia exploit more and more the ”model” concept to address the complexity of critical real-time systems. These methodologies define a key stage in which the functional model, designed as a network of function blocks communicating through exchanged data signals, is deployed onto a hardware execution platform model and implemented in a software model consisting of a set of tasks and messages. This stage so-called deployment stage allows establishment of an operational architecture of the system, thus it requires evaluation and validation of the temporal properties of the system. In the context of event-driven real-time systems, the verification of temporal properties is performed using the schedulability analysis based on the response time analysis. Each deployment choice has an essential impact on the validity and the quality of the system. However, the existing methodologies do not provide supportto guide the designer of applications in the exploration of the operational architectures space. The objective of this thesis is to develop techniques for analysis and automatic synthesis of a valid operational architecture optimized with respect to the system performances. Our proposition is dedicated to the exploration of architectures space considering at the same time the four degrees of freedom determined during the deployment phase, (i) the placement of functional elements on the computing and communication resources of the execution platform, (ii) the partitioning of function elements into real time tasks and data signals into messages, (iii) the priority assignment to system tasks and messages and (iv) the assignment of shared data protection mechanism for periodic real-time systems. We are mainly interested in meeting temporal constraints and memory capacity of the target platform. In addition, we are focusing on the optimization of end-to-end latency and memory consumption. The design space exploration approaches presented in this thesis are based on the MILP (Mixed Integer Linear programming) optimization technique and concern at the same time time-driven and data-driven applications. Unlike many earlier approaches providing a partial solution to the deployment problem, our methods consider the whole deployment problem. The proposed approaches in this thesis are evaluated using both synthetic and industrial applications.