Développement de systèmes temps réel en SDL · 2003. 1. 27. · – définition d ’interfaces...

GDR - STRQDS – Paris Janvier 2003

[email protected] L3i - INSA

Développement de systèmes temps réelen SDL

Jean-Philippe Babau

Centre d'Innovation en Télécommunication et Intégration de Services

CITI / INSA de Lyon



Complexité des systèmes embarquésCorrection (QoS)

Concept du génie logicielTechniques Formelles

Approche orientée/basée objetLangages formels



Plan

• Langage SDL et développement

• Architecture type

• Introduction de la concurrence– Génération – Correction

• Vérification



Développement

• Couvrir l’ensemble du cycle de développement– Spécification, conception, implémentation– Tests, preuves

• Continuité– correction– conception incrémentale

• Formalismes connus, normalisés– UML – MSC– SDL – C, RTOS



SDL : Specification and Description Language

• Langage formel– Sémantique définie (SDL 88, SDL 92, SDL 96, SDL2000)

• Langage des télécom (ITU)

• Langage graphique ou textuel• Machines à états finis

• Outils– ObjectGéode, Tau de Télélogic– Edition– Vérification/Validation/test (MSC)– Génération de code– SDL2IF (CADP : parcours de graphe, bisimulation, test)



SDL - Éléments de base

� Système� Procédure

� Bloc� Signal

� Process � État



SDL - Propriétés

- Exécution parallèle des process

- Etats : pas de hiérarchie, pas d ’états concurrents

- Communication par signal(paramètres)- Gestion en FIFO sauf si signal prioritaire

- Un signal non attendu est perdu sauf si sauvegarde du signal

- Hypothèse du "Run To Completion"

- Spécifications temporelles (timer)- Instants ordonnés



Modélisation d'un système réactif

System

RégulationSensor Actuatorcanal1 canal2

Input CommandIT

Output

ComSE

Bloc

Process

E

Action

S

Idle

Idle

Idle



Développement

Architecture communicante(machines, réseaux, protocoles)

Modèle d'exécution (RTOS)

Propriétés fonctionnelles, comportementales, de QoS(temps réel, …)

Analyse Vérifications,Génération de tests

correctionArchitecture fonctionnelle et comportementale, contraintes temporelles

Vérifications,tests

Conception

correctionPlacement

correctionImplémentation

VérificationAnalyse RMA

Génération de code



PROSEUS

- Modèles d’architecture de systèmes temps réel

- Approche basée objet (UML)

- Modélisation en couche

- 2 niveaux- Sans architecture matérielle- Avec architecture matérielle



Décomposition d'un système• Activités génériques

– Régulation• Acquisition, Traitement, Commande

– Mise à jour de données pour la régulation• Acquisition, Mémorisation de la donnée• Mode pull, mode push

– Trace• Suivi

• Blocs– Type en SDL– Classe en UML

• Communication– Asynchrone (signal : message)– Synchrone (appel direct de procédure pour la consultation de données)



Contraintes temps réel

• Activation– Périodique : timer– Quasi périodique : dmin– Une activation i défini un événement en entrée du système (ei)

• Délais– Délai simple

• Écart maximum entre la fin des actions déclenchées par un événement en entrée et la date d’arrivée de cet événement

– Délai bout-en-bout• Écart maximum entre la date de production d’un événement en sortie

et la date d’arrivée d’un événement en entrée– Logique temps réel

• @(fi, j) - @(ei, j) < di (fi : fin des actions)• @(sk, j) - @(ei, j) < dik (sk : message envoyés vers un actionneur)



Décomposition d'un système

ICapteur Contrôle IActionneur

ISortie



Exemple : contrôle d'un réseau ferroviaire

system trains

chgt cmd

onoff

MA

NCirinfo

ICapteurs Trains IAlimentation

PanneauNumCircuit

EtatCircuit

TOPHorloge IAfficheurs



Interface, exemple du Joystick

(1) (2) (3)

(1) (2) (3)



Actions

• Procedure SDL– Méthode– Spécification– Signature

• Task SDL– Gestion des PID

DemService()

AttenteReponse

R DemService () **

Ce signe veut dire que les messages * (soit tous sauf Rmessage() ) sont

conservés dans la queue sans être traités

Traitements amonts

Traitements avals

Méthode1

Message1

Réponse1

Etat1

Etat2



Exemple : Joystick



Architecture matérielle

- Machines et liens de communication- PC, Microcontrôleurs- Liaison série, CAN

- Modélisation du réseau- Connecté/déconnecté- Fautes- Temps de réponse



Exemple : robot mobilesystem robotMat

cPL

rqPC

repSR

cLM

rqSR

repMC1

cMCrqMC1

infoCAN

cCM

rqCAN

infoMC2

cMR

rqMC2

infoR

cPC

coeff,onoff

info

cEL

chgt_LS,fautes_LS

cEC

chgt_CAN,fautes_CAN

Liaison_Serie_Hertzienne

CAN

Robot

MC1

PC

MC2



Modélisation du réseau



Architecture logicielle

• Placement– Processus

• Processus de communication– proxy

• dissocier la communication• réaction

– logiciel de communication



Exemple : robot mobile

block PC

cPC

cPC cPL

cPC

cT

vit_rot

cC

cmd

CMO

onoff

cMC

coeff

cS

info

csC

rqPCrepSR

cGCS

requete

cSIreponse

cC2

chgt_etat

IJoystick

Panneau

CoeffVitesse

ONOFF com_LS

Robot proxy_Imoteurs



Simulation

Prototype SDL

Acteur SDL

ApplicationSDL

Simulateur Géode

Application

Acteur réel/émulé

Interface

Module spécifiqueIHM



Vérification

• Simulation (ObjectGéode)– Test– Pas à pas, aléatoire– Simulation exhaustive

• Point d'arrêt sur conditions (états, valeurs)• Preuve sur les états• Tests sur les données

• Diagramme de séquence (formalisme MSC)

• Autres outils– CADP (IF, Aldebaran, TGV) de Verimag– Agatha du CEA



Développement

Architecture fonctionnelle et comportementale, contraintes temporelles


Vérifications,Génération de tests

correction



correctionPlacement

correction

Modèle d'exécution (RTOS)VérificationAnalyse RMA




Génération de code : ObjectGeode

• Machine virtuelle qui s ’appuie sur l'OS (VRTX)– tâches, boîtes aux lettres, sémaphores, socket …

• Architecture– placement statique des process SDL sur des machines– mono processus – communication par socket– définition d ’interfaces (tâches, composants)

• Comportement– États et transitions entièrement gérés– Actions sur les transitions en langage cible (C,C++)



Introduction de la concurrence : ObjectGeode

• Tâche– une par bloc– une par process– une par instance de process (selon l'OS cible)

• Une tâche dédiée aux timers– gère une structure de données de tous les timers en attente– set (timerID,temps,liste de PIDs, paramètres)– reset(timerID)– timeout : « plus faible » timer, envoi de messages aux instances en

attente

• Affectation des priorités– un niveau de priorité par défaut (200 sous VRTX), à modifier



Définition du modèle d'exécution

• Objectifs– Limiter le nombre de tâches– Affiner les performances temps réel

• Gestion des priorités• Taille des sections critiques

• Tâche– Regroupement des activités par bloc

• Régulation, MAJ, Trace– Une tâche par bloc

• Section critique– Signaux liés à deux activités reçus par un même process– Appel "externe" de procédure exécutée par l'appelant



Définition du modèle d'exécution

• Communication– Les signaux définissent les points de préemption

• Priorités– Selon la période (RM) ou le délai(DM) de l'activité Régulation ou MAJ– Priorité basse pour le Suivi– Héritage de priorité

• Optimisations– Regroupement d'activités

• Même période et délai

• Analyse RMA



Développement (travail d'Ahmad Alkhodre)

Architecture fonctionnelle et comportementale, contraintes temporelles


Vérifications,Génération de tests

correction



correctionPlacement

correction

Modèle d'exécution (RTOS)VérificationAnalyse RMA




Conception Modèle Validation

CADP

vérification

RT logic tools

Constraints model

SDL UML SA-RT

RT Logic

SDL Time Petri Net

KRONOS

RT Logic

IF

Modèle Sémantique

Execution model

SDL ROOM

UML-RT CODARTS

SDL IF

Modèle Sémantique

SDL*: SDL with preemption

AldebaranBisimulation

vérification

CADP

RT logic tools

CodeGeneration

CodeGeneration

Implementation

RTOS (VxWoks, Win32)

Preemptive

OSEK Time

Non preemptive

RMA analysis

Temporal propertyverification



Constraint model• Logique événement/condition/action

• Activations– Interruption IT, TOP– Messages– Echéance

• Modélisation de l'environnement externe– IT(dmin, dmax), IT (n, dmax), …

• Actions– Traitements – Gestion du temps

• Filtrage• Réaction



Sémantique

• Activation des actions– La modélisation n'intègre pas la priorité– La modélisation n'intègre pas la préemption

• Préemption à l'exécution– Correcte si l’exécution d’une action est indépendante de sa

possible préemption– Lecture au début, écriture à la fin

0 : A-B-C ou A-C-B ou C-A-B10 : A-B20 : -> 0

TOP-10->A->BTOP-20->C



Modélisation d'une machine

EnvironmentEXTERN Application

Data ProcessingSoftware

Clock

Net

IT_niv

COM

Update_A_n

TOP_p

REP MSG_net

MSG_loc

ANS

messages

machine



Interruption

-Environnement externe- interruption en rafale

Filtrage du dmin, vérification deadline

process Env_extern "rafale generatuer"

timer R;dcl CPT integer;dcl n integer := 3; dcl dmin time :=20;

/* n nombre d' IT dans le rafale */

SET (0,R)

idle

idle

R

SET (now +20, R)

CPT := n

CPT = 0

true

CPT := n

idle

false

IT(3,0,60)

CPT := CPT -1

IT(n,d2,d1)



Execution model

• Objectif– Définir le séquencement des actions– Définir l'ordre d'activation des actions (priorités)– Durées (RMA)

• Boite à outils– Basée sur un RTOS– "routine d'IT", "routine d‘alarme", "periodic task", "software task",

"polling server"– Bloc - Process type– Règles d'interconnexion

• ISR -> SW, AL -> PT, (tâche + AL) -> PS• tâche -> SW

• Constraint model -> Execution model– Placement des actions dans les blocs correspondants



Execution model : exemple

system test140103

can1

d_monitoring can2

TemporalException,STP

Terminate

can3

TIC_1

can4

Ext_event

can31TIC_2

can4

MSG_int_2

can12

d_monitoring

can21TemporalException,STP

Terminate

schedulerPriorityLevel = higest_priority

AL_1 PT_1

PriorityLevel = 120

Env_extern ISR_2

AL_2

PS_lecture

PriorityLevel = 150



La routine d'interruption(modèle sémantique)

- Overwritten Interrupt Routine- Masked Interrupt Routine- Stored Interrupt Routine.

Block type InterruptRoutin

can21

IT1

MSG_loc_1,d_monitoring

route1 IT1

d_monitoring

route3

MSG_loc_1

routine_it_masked

process routine_it_masque

DCL lev integer ,d1 deadline;dcl data integer;dcl time_IT time ;

wait_it

IT1(lev,d1)

time_IT:=now

Mask (lev)

at the code generation stage the SDL task Mask(lev) well be the mask OS primitive asintLevelSet() in VxWorks

MSG_loc_1(lev,data)

d_monitoring(time_IT,d1)

wait_it

Read(data)



Le serveur à scrutation (modèle sémantique)

Process PS

DCL to_do boolean,lev integer ;DCL data integer;

MSG_loc_1(lev,data)

to_do:= true

idle

busy

Terminate_Act

Terminate to scheduler

to_do:=false

idle

STP

to_do:=false

idle

idle

TOP_1

to_do

false

idle

true

busy

STP

to_do:=false

idle

UnMask (lev)

Action(data)



Correction des modèles

• Bisimulation faible– A.B est équivalent à A*B

• Interruptions– Constraint model : IT.A

• pour une IT, on a un déclenchement de A– Execution Model

• Renommage : IT(i) * A(i) A

IT

A(1)

A(2)

IT(1)IT(2)

A(1)



Correction des modèles

• Activation périodique– "une action A toutes les 10 ut et une action B toutes les 20

ut" équivalent à "toutes les 10 ut : A et une fois sur deux B"– redéfinition d'une base de temps unitaire

• Constraint model et excecution model

A

TOP10

AB ou BA

TOP10 ATOP10

B

TOP20

B

TOP10TOP10



Vérification d'implémentation(travail de Mostefa Belarbi)

• Modélisation de l'implémentation en IF– Application, services de l'OS (VxWorks), machines (IT, durées)– Propriétés locales aux éléments

• Un objet utilisé a été initialisé– Propriétés liées aux paramètres temporels

• Une boite aux lettres n'est jamais pleine• Ordonnancement

• Propriétés applicatives– Propriété SDL => observateur IF

Après une It, une action A est exécutée en 5 mset B est exécutée dans un délai de 10ms

– CADP de Verimag



Conclusion

• Modélisation de l'architecture en SDL– Principes de génie logiciel– Formalisation– Tests, preuves

• Introduction de la concurrence

• Correction des modèles

• Méthodologie formelle de développement des systèmes temps réel



Perspectives

• Métamodélisation– Architecture, modèle d'exécution, transformation de modèle

• Protocoles– Données et messages– CAN / TTCAN– Pull / push– Impact sur la Qos

• Correction des modèles suite au placement/protocoles

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