Des systèmes à base de composants aux implémentations cadencées par le temps : une approche correcte par conception

Abstract

In hard real-time embedded systems, design and specification methods and their associated tools must allow development of temporally deterministic systems to ensure their safety. To achieve this goal, we are specifically interested in methodologies based on the Time-Triggered (TT) paradigm. This paradigm allows preserving by construction number of properties, in particular, end-to-end real-time constraints. However, ensuring correctness and safety of such systems remains a challenging task. Existing development tools do not guarantee by construction specification respect. Thus, a-posteriori verification of the application is generally a must. With the increasing complexity of embedded applications, their a-posteriori validation becomes, at best, a major factor in the development costs and, at worst, simply impossible. It is necessary, therefore, to define a method that allows the development of correct-by-construction systems while simplifying the specification process.High-level component-based design frameworks that allow design and verification of hard real-time systems are very good candidates for structuring the specification process as well as verifying the high-level model.The goal of this thesis is to couple a high-level component-based design approach based on the BIP (Behaviour-Interaction-Priority) framework with a safety-oriented real-time execution platform implementing the TT approach (the PharOS Real-Time Operating System). To this end, we propose an automatic transformation process from BIPmodels into applications for the target platform (i.e. PharOS).The process consists in a two-step semantics-preserving transformation. The first step transforms a BIP model coupled to a user-defined task mapping into a restricted one, which lends itself well to an implementation based on TT communication primitives. The second step transforms the resulting model into the TT implementation provided by the PharOS RTOS.We provide a tool-flow that automates most of the steps of the proposed approach and illustrate its use on an industrial case study for a flight Simulator application and a medium voltage protection relay application. In both applications, we compare functionalities of both original, intermediate and final model in order to confirm the correctness of the transformation. For the first application, we study the impact of the task mapping on the generated implementation. And for the second application, we study the impact of the transformation on some performance aspects compared to a manually written version.Dans le domaine des systèmes temps-réel embarqués critiques, les méthodes de conception et de spécification et leurs outils associés doivent permettre le développement de systèmes au comportement temporel déterministe et, par conséquent, reproductible afin de garantir leur sûreté de fonctionnement. Pour atteindre cet objectif, on s’intéresse aux méthodologies de développement basées sur le paradigme Time-Triggered (TT). Dans ce contexte, nombre de propriétés et, en particulier, les contraintes temps-réel de-bout-en-bout, se voient satisfaites par construction. Toutefois, garantir la sûreté de fonctionnement de tels systèmes reste un défi. En général, les outils de développement existants n’assurent pas par construction le respect de l’intégralité des spécifications, celles-ci doivent, en général, être vérifiées à posteriori. Avec la complexité croissante des applications embarquées, celle de leur validation à posteriori devient, au mieux, un facteur majeur dans les coûts de développement et, au pire, tout simplement impossible. Il faut, donc, définir une méthode qui, tout en permettant le développement des systèmes corrects par constructions, structure et simplifie le processus de spécification. Les méthodologies de conception de haut niveau à base de composants, qui permettent la conception et la vérification des systèmes temps-réels critiques, présentent une solution ultime pour la structuration et la simplification du processus de spécification de tels systèmes.L’objectif de cette thèse est d'associer la méthodologie BIP (Behaviour-Interaction-Priority) qui est une approche de conception basée sur composants avec la plateforme d'exécution PharOS, qui est un système d'exploitation temps-réel déterministe orienté sûreté de fonctionnement. Le flot de conception proposé dans cette thèse est une approche transformationnelle qui permet de conserver les propriétés fonctionnelles des modèles originaux de BIP. Il est composé essentiellement de deux étapes. La première étape, paramétrée par un mapping de tâche défini par l'utilisateur, permet de transformer un modèle BIP en un modèle plus restreint qui représente une description haut niveau des implémentations basées sur des primitives de communication TT. La deuxième étape permet la génération du code pour la plateforme PharOS à partir de ce modèle restreint.Un ensemble d'outils a été développé dans cette thèse afin d'automatiser la plupart des étapes du flot de conception proposé. Ceci a permis de tester cette approche sur deux cas d'étude industriels ; un simulateur de vol et un relais de protection moyenne tension. Dans les deux applications, on vise à comparer les fonctionnalités du modèle BIP avec celles du modèle intermédiaire et du code généré. On fait varier les stratégies de mapping de tâche dans la première application, afin de tester leur impact sur le code généré. Dans la deuxième application, on étudie l'impact de la transformation sur le code généré en comparant quelques aspects de performance du code générer avec ceux d'une version de l'application qui a été développée manuellement