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

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.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

A Mixed Integer Linear Programming formulations for optimizing timing performance during the deployment phase in real-time systems design

Following the standard development methodologies for the real-time systems, the designer has to deploy functions exchanging signals information onto an execution platform. The deployment consists of the three stages i.e. (i) the placement of functions and signals on a distributed network of nodes, (ii) the partitioning of these functions and signals in fixed-priority tasks and messages, respectively, and (iii) the tasks and messages scheduling (i.e. tasks and messages priority assignment). As the design choices at each stage highly influence the timing performance of the system, in the present report, we are interested in supporting designers in their choices during the three stages. To achieve that, we use the Mixed Integer Linear Programming (MILP) technique. Therefore, we first give a MILP formulation which deals with the three stages at the same time; it is called one-step MILP formulation. Then, we face the high complexity of the one-step MILP formulation by decomposing it into two less complex MILP formulations; we call that two-step MILP formulation. The first MILP formulation treats the placement of functions and exchanged signals to nodes and buses, respectively. The second MILP formulation determines the partitioning of functions (resp. signals) in tasks (resp. messages) and assigns priorities to each partition

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

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

Optimizing the Deployment of Distributed Real-Time Embedded Applications

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Extending response-time analysis for the automatic synthesis of functional graphs into fixed-priority distributed systems

International audienceIn this paper, we extend traditional response time analysis to a functional data flow graph (functional graph for brevity) mapped into a set of tasks. Different tasks synchronization semantics can be considered, depending on the way tasks synchronize on inputs consumed and outputs produced by functions in the functional graph. We study three different synchronization semantics and we give the appropriate response time analysis for functional graphs mapped into a set of preemptible fixed-priority tasks distributed over a priority-based network. Our response time analysis extension is needed to integrate response time constraints in an automatic approach for tasks synthesis. In this paper, for each semantics, the corresponding analysis is integrated in a tasks synthesis approach based on mathematical programming. Each semantics is evaluated against the minimum response time that can be obtained running task synthesis over a set of synthetic functional graphs. Finally, different sematics are considered and evaluated for an automotive case study

An Optimization Approach for the Synthesis of AUTOSAR Architectures

International audienceSynthesis of automotive architectures is a complex problem that needs an automated support. AUTOSAR, standard for the specification of automotive architectures, defines a synthesis process of software components and their connections in a set of fixed-priority OS tasks distributed over a network of ECUs. During the synthesis process software components are allocated on ECUs. Since each component encapsulates a set of so-called runnable entities, synthesis completes by partitioning runnable entities in OS tasks with assigned fixed priorities. This paper proposes an optimization approach for the synthesis of AUTOSAR architectures based on genetic algorithms and mixed integer linear programming techniques. Optimization criteria consider end-to-end timing responses and memory consumption

Optimizing the deployment of tree-shaped functional graphs of real-time system on distributed architectures

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Multi-objective exploration of architectural designs by composition of model transformations

International audience<p>Designing software architectures and optimizing them based on extra-functional properties (EFPs) require to identify appropriate design decisions and to apply them on valid architectural elements. Software designers have to check whether the resulting architecture fulfills the requirements and how it positively improves (possibly conflicting) EFPs. In practice, they apply well-known solutions such as design patterns manually. This is time-consuming, error-prone, and possibly sub-optimal. Well-established approaches automate the search of the design space for an optimal solution. They are based model-driven engineering techniques that formalized design decisions as model transformations and architectural elements as components. Using multi-objective optimizations techniques, they explore the design space by randomly selecting a set of components and applying to them variation operators that include a fixed set of predefined design decisions. In this work, we claim that the design space exploration requires to reason on both architectural components as well as model transformations. More specifically, we focus on possible instantiations of model transformations materialized as the application of model transformation alternatives on a set of architectural components. This approach was prototyped in RAMSES, a model transformation and code generation framework. Experimental results show the capability of our approach (i) to combine evolutionary algorithms and model transformation techniques to explore efficiently a set of architectural alternatives with conflicting EFPs, (ii) to instantiate, and select transformation instances that generate architectures satisfying stringent structural constraints, and (iii) to explore design spaces by chaining more than one transformation. In particular, we evaluated our approach on EFPs, architectures, and design alternatives inspired from the railway industry by chaining model transformations dedicated to implement safety design patterns and software components allocation on a multi-processor hardware platform.</p

DPMP: A Software Pattern for Real-Time Tasks Merge

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