On the Scott-continuity of tagged signal processes

Process networks are frequently used to model signal processing and multimedia applications. It is important to ensure that a process network has a uniquely defined behavior in order to correctly model such deterministic systems. Furthermore, a constructive procedure to determine this unique behavior is necessary for its simulation and execution. By the Kahn principle, the unique behavior of a process network is known to be the least fixed point of the network functional when every process computes a Scott-continuous function. The Kahn principle is used in a recent timed extension of the least fixed point semantics of Kahn process networks, using the tagged signal model. In this extension, processes compute a function from input signals to output signals, where a signal is defined as a partial function from a down set of tags to a set of values. However, it is often tedious to formally prove that a tagged signal process is Scott-continuous. This paper presents theorems on Scott-continuity that simplify such proofs. Thus, a general theorem on the necessary and sufficient conditions for the Scott-continuity of tagged signal processes is proven. Scott-continuity is then proven for broad classes of processes, namely the classes of exactly causal processes and of domain-warping processes, which include stateless processes, delays as well as a subset of discrete-event processes

Kahn Process Networks and a Reactive Extension

Kahn and MacQueen have introduced a generic class of determinate asynchronous data-flow applications, called Kahn Process Networks (KPNs) with an elegant mathematical model and semantics in terms of Scott-continuous functions on data streams together with an implementation model of independent asynchronous sequential programs communicating through FIFO buffers with blocking read and non-blocking write operations. The two are related by the Kahn Principle which states that a realization according to the implementation model behaves as predicted by the mathematical function. Additional steps are required to arrive at an actual implementation of a KPN to take care of scheduling of independent processes on a single processor and to manage communication buffers. Because of the expressiveness of the KPN model, buffer sizes and schedules cannot be determined at design time in general and require dynamic run-time system support. Constraints are discussed that need to be placed on such system support so as to maintain the Kahn Principle.We then discuss a possible extension of the KPN model to include the possibility for sporadic, reactive behavior which is not possible in the standard model. The extended model is called Reactive Process Networks. We introduce its semantics, look at analyzability and at more constrained data-flow models combined with reactive behavior

CPO Semantics of Timed Interactive Actor Networks

AbstractWe give a denotational framework for composing interactive components into closed or open systems and show how to adapt classical domain-theoretic approaches to open systems and to timed systems. For timed systems, prior approaches are based on temporal logics, automata theory, or metric spaces. In this paper, we base the semantics on a CPO with a prefix order, as has been done previously for untimed systems. We show that existence and uniqueness of behaviors are ensured by continuity with respect to this prefix order. Existence and uniqueness of behaviors, however, do not imply that a composition of components yields a useful behavior. The unique behavior could be empty or smaller than expected. We define liveness and show that appropriately defined causality conditions ensure liveness and freedom from Zeno conditions. In our formulation, causality does not require a metric and can embrace a wide variety of models of time

Journées Francophones des Langages Applicatifs 2018

National audienceLes 29èmes journées francophones des langages applicatifs (JFLA) se déroulent en 2018 à l'observatoire océanographique de Banyuls-sur-Mer. Les JFLA réunissent chaque année, dans un cadre convivial, concepteurs, développeurs et utilisateurs des langages fonctionnels, des assistants de preuve et des outils de vérification de programmes en présentant des travaux variés, allant des aspects les plus théoriques aux applications industrielles.Cette année, nous avons sélectionné 9 articles de recherche et 8 articles courts. Les thématiques sont variées : preuve formelle, vérification de programmes, modèle mémoire, langages de programmation, mais aussi théorie de l'homotopieet blockchain

Profilage, caractérisation et partitionnement fonctionnel dans une plate-forme de conception de systèmes embarqués

RÉSUMÉ La complexité architecturale des systèmes embarqués augmente constamment et ceux-ci comprennent maintenant plusieurs processeurs, bus, périphériques et accélérateurs matériels. Les méthodologies présentement utilisées par l'industrie pour la conception des systèmes embarqués n'arrivent pas à suivre cette évolution. Des méthodologies de niveau système ont été proposées pour hausser le niveau d'abstraction de la conception des systèmes embarqués. Une telle méthodologie comporte une plate-forme virtuelle qui permet d'allouer des composants, d'y assigner la fonctionnalité de l'application et de simuler l'architecture résultante à un niveau transactionnel. Une méthodologie de niveau système peut accélérer la conception des systèmes embarqués en partant d'une spécification exécutable, en explorant automatiquement l'espace de conception et en synthétisant une architecture optimisée pour l'application. Cependant, les méthodologies de niveau système existantes ont plusieurs lacunes. Elles supposent typiquement que l'application est modélisée avec un modèle de calcul restrictif et n'automatisent pas la synthèse des modules de l'application vers des blocs matériels. Elles n'intègrent pas un profilage non-intrusif de l'application ou d'une architecture qui l'implémente. Leurs méthodes d'estimation n'automatisent pas la caractérisation de l'application ou de la plate-forme. Ces méthodologies considèrent séparément les problèmes de l'allocation des processeurs, de l'assignation des tâches aux processeurs et du choix d'une topologie de communication. Nous présentons une méthodologie de niveau système pour la conception, l'exploration architecturale et la synthèse des systèmes embarqués basée sur la technologie Space Code- sign� et sa plate-forme virtuelle SPACE. Cette méthodologie répond aux problématiques soulevées car elle combine un modèle de calcul plus expressif, une méthode de synthèse matérielle automatisée des modules d'une spécification SystemC, un profilage non-intrusif au niveau système, une méthode de caractérisation automatisée de l'application et du système d'exploitation temps-réel (RTOS), ainsi que des heuristiques pour une formulation unifiée du problème d'exploration architecturale. Ainsi, nous avons défini pour notre méthodologie un nouveau modèle de calcul, les réseaux de processus temps-réel (RTPN) qui sont une extension des réseaux de processus Kahn. Cette extension permet de modéliser des aspects importants du traitement temps-réel tels que la scrutation, les senseurs échantillonnés, les périphériques d'entrée/sortie et les contraintes temps-réel. La sémantique dénotationnelle des RTPN est définie afin de vérifier si le raffinement d'une spécification exécutable SystemC vers une implémentation concrète est fonctionnellement correct. Notre méthodologie inclut une méthode automatisée de raffinement des communications transactionnelles vers des protocoles précis au cycle et à la broche près ainsi que la génération automatique de blocs matériels pour les modules de l'application. Cette méthode permet, conjointement avec une méthode de génération de code embarqué incluant un RTOS, de générer une implémentation de l'application qui peut être simulée avec la plate-forme virtuelle ou synthétisée et exécutée sur la cible finale. Une nouvelle méthode de profilage au niveau système est appliquée à une telle simulation, ce qui permet d'extraire non-intrusivement des données sur la performance des modules, des processeurs, du RTOS, des bus et des mémoires. Une nouvelle méthode automatisée permet de caractériser, par des simulations profilées, à la fois la fonctionnalité de l'application et les implémentations logicielles et matérielles de ses modules. Les périphériques et les bus de la plate-forme virtuelle ont également été caractérisées et une nouvelle méthode automatise la caractérisation du RTOS. Ces caractérisations configurent un simulateur de performance à haut niveau qui estime précisément et très rapidement la performance d'un ensemble d'architectures pour l'application en tenant compte de la contention sur les bus et de l'ordonnancement des tâches sur les processeurs. Cette caractérisation mène également à une estimation précise et rapide des besoins en ressources matérielles. Nous présentons une formulation du problème d'exploration architecturale qui combine le partitionnement logiciel/matériel, l'allocation des processeurs, l'assignation des tâches aux processeurs et le choix d'une topologie de communication. L'exploration architecturale évalue les architectures selon des critères de performance et de coût matériel à l'aide de notre méthode d'estimation. Nous présentons pour la première fois une analyse combinatoire de ce problème et sa formulation comme un problème de recherche locale, pour la résolution duquel nous définissons des heuristiques basées sur un recuit simulé adaptatif et sur une recherche tabou réactive. L'architecture retenue par l'exploration architecturale peut ensuite être synthétisée vers une implémentation finale dans un flot de conception RTL bien établi. La méthodologie dans son ensemble est appliquée à trois études de cas : un système de guidage d'un astromobile, un décodeur JPEG avec détection de peau et un encodeur/décodeur WiMAX. ----------ABSTRACT Embedded systems have increasingly complex architectures and are now composed of several processors, buses, peripherals and hardware accelerators. Embedded system design methodologies currently used in industry are not keeping up with this evolution. System-level methodologies have been proposed in order to raise the level of abstraction of embedded system design. Such a methodology includes a virtual platform in which components can be allocated while application tasks can be bound to allocated components for a transaction-level simulation of the resulting architecture. A system-level methodology can accelerate embedded system design by using an executable specification, automating design space exploration and synthesizing an optimized architecture for the application. However, current system-level methodologies have several shortcomings. They typically assume that the application is modeled with a restrictive model of computation and do not automate the synthesis of hardware blocks from application modules. They do not support a non-intrusive profiling of the application or of an architecture implementing the application. Their estimation methods do not automate the characterization of the application or of the platform. These methodologies consider processor allocation, task binding to processors and the choice of a communication topology to be separate problems instead of being different aspects of a single problem. We present a system-level methodology for the design, architectural exploration and synthesis of embedded systems based on the Space Codesign� technology and its SPACE virtual platform. This methodology tackles these problems by combining a more expressive model of computation, a method for the automated synthesis of hardware blocks from a SystemC specification's modules, a non-intrusive system-level profiling, a method for the automated characterization of the application and of the real-time operating system (RTOS), as well as heuristics for a unified formulation of the architectural exploration problem. We have thus defined for our methodology a novel model of computation, called real-time process networks (RTPN), which is an extension of Kahn process networks. This extension enables the modeling of important aspects of real-time processing, such as polling, sensor sampling, input/output peripherals and real-time constraints. We define the denotational semantics of RTPNs, which is used to verify the functional correctness of a refinement from a SystemC executable specification to a concrete implementation. Our methodology includes an automated refinement from transaction-level communications to cycle- and pin-accurate protocols as well as an automated generation of hardware blocks from application modules. This method enables, when combined with an embedded software generation method which includes a RTOS, the generation of an implementation of the application, which can be simulated with the virtual platform or synthesized and executed on the final target. A novel profiling method is applied to such simulations in order to non-intrusively extract data on the performance of modules, processors, RTOS, buses and memories. A novel automated method characterizes, through profiled simulations, both the application functionality and the software and hardware implementations of its modules. The devices and buses of the virtual platform have also been characterized and a novel method automates the characterization of the RTOS. These characterizations configure a high-level performance simulator for an accurate and very fast estimation of the performance of several candidate architectures for the application, taking into account bus contention and task scheduling on processors. This characterization also powers a fast and accurate estimation of required hardware resources. A formulation of the architectural exploration problem is given such that it combines hardware/software partitioning, processor allocation, task binding on processors and the selection of a communication topology. This architectural exploration evaluates architectures for criteria of performance and hardware cost with our estimation method. We present for the first time a combinatorial analysis of this problem and its formulation as a local search problem, for which heuristics based on adaptative simulated annealing and reactive tabu search are defined. The architecture selected by the architectural exploration can then be synthesized towards a final implementation in a well-established RTL design flow. The methodology as a whole has been applied to three case studies: a rover guiding system, a JPEG decoder with skin detection and a WiMAX encoder/decoder