[PDF] THÈSE SUR LOPTIMISATION DES SYSTÈMES DISTRIBUÉS

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THÈSE

présentée à l'université de ROUEN

U.F.R de Sciences

pour obtenir le titre de

Docteur en sciences

Spécialité

INFORMATIQUE INDUSTRIELLE

par

Rémy KOCIK

SUR L'OPTIMISATION DES SYSTÈMES DISTRIBUÉS

TEMPS RÉEL EMBARQUÉS : APPLICATION AU

PROTOTYPAGE RAPIDE D'UN VÉHICULE

ÉLECTRIQUE AUTONOME

Soutenue le 22 mars 2000 devant le jury composé de :

Jean-Pierre ELLOYRapporteur

Bernard ESPIAURapporteur

Samuel BOUTINExaminateur

Pierre MICHÉExaminateur

Michel PARENTExaminateur

Jacques LABICHEDirecteur de thèse

Yves SORELResponsable de recherche

ii iii

REMERCIEMENTS

Je tiens tout particulièrement à remercier Yves Sorel, Directeur de Recherche à l'INRIA, qui

m'a encadré tout au long de cette thèse. Je lui suis reconnaissant pour la disponibilité dont il a fait

preuve et pour la conance qu'il m'a accordée. Ma reconnaissance va également à Michel Parent qui m'a accueilli au sein de son projet, ainsi

qu'à Jacques Labiche qui m'a régulièrement encouragé et m'a permis de m'inscrire en thèse.

Je tiens aussi à remercier vivement:

- Monsieur Jean-Pierre Elloy, Directeur de Recherche à l'IRCyN, - Monsieur Bernard Espiau, Directeur de Recherche à l'INRIA, pour m'avoir fait l'honneur d'être les rapporteurs de cette thèse, - Monsieur Samuel Boutin, Ingénieur de Recherche chez Renault, - Monsieur Pierre Miché, Professeur à l'université de Rouen, pour avoir accepté de participer au jury. Un grand merci également à tous les autres membres de l'équipe SynDEx, Thierry Grandpierre, Christophe Lavarenne et Annie Vicard qui, à travers les discussions que nous avons eues, m'ont apporté de nombreuses idées qui m'ont permis d'avancer dans mon travail. Je remercie Chantal Chazelas, pour m'avoir soulagé de nombreuses tâches administratives et Georges Ouanounou pour l'aide et les nombreux services qu'il m'a rendu.

Que ma famille soit remerciée pour m'avoir soutenue et m'avoir permis de réaliser mes études

dans les meilleures conditions.

Enn, je tiens particulièrement à remercier Catherine, ma femme, qui m'a supporté tout au long

de cette thèse et qui m'a délesté de nombreuses tâches quotidiennes an que je puisse me consacrer

pleinement à ma thèse, souvent au détriment de ses propres études. Je remercie aussi Héléna pour

“avoir fait ses nuits" très rapidement et surtout pour son sourire charmeur. iv

TABLE DES MATIÈRES v

TABLE DES MATIÈRES

Remerciementsiii

Introductionxi

I Problématique des systèmes temps réel embarqués 1

1 Lois de commandes discrètes 3

1.1 Systèmeautomatisé.................................. 3

1.1.1 Système.................................... 3

1.1.2 Processus ................................... 4

1.1.3 Loisdecommande,systèmedecommande ................. 4

1.2 Modèledeloidecommande ............................. 4

1.2.1 Décomposition du processus en sous-processus . . ............. 4

1.2.2 Structure boucle fermée d'une loi de commande . ............. 5

1.2.3 Stabilité . ................................... 7

1.3 Systèmedecommandeàcalculateur......................... 7

1.3.1 Structure d'un système bouclé à calculateur................. 8

1.3.2 Conséquences de la discrétisation du processus . . ............. 9

1.3.2.1 Choix d'une période d'échantillonnage . ............. 9

1.3.2.2 Modèle pseudo-continu de la loi de commande échantillonnée . . 9

1.3.2.3 Influence du temps de calcul sur le comportement du système

automatisé............................. 10

1.3.2.4 Influence delapériode d'échantillonnage sur ledimensionnement

desloisdecommande....................... 10

1.3.2.5 Borne minimale sur la période d'échantillonnage . . ....... 11

2 Systèmes temps réel embarqués 13

2.1 Application, système informatique, environnement................. 13

2.1.1 Système réactif, système contrôlé...................... 15

2.1.2 Exempledesystèmeréactif ......................... 15

vi TABLE DES MATIÈRES

2.1.3 Systèmetempsréel.............................. 15

2.2 Architecturematérielled'uneapplicationtempsréel................. 16

2.2.1 Calculateur.................................. 17

2.2.1.1 ASICetFPGA........................... 17

2.2.1.2 Microprocesseurs, microcontrôleurs . . ............. 17

2.2.1.3 Médiasdecommunication..................... 17

2.2.2 Transducteurs................................. 18

2.2.2.1 Capteur .............................. 18

2.2.2.2 Actionneur............................. 18

3 Conception des systèmes temps réel embarqués 21

3.1 Spécificitédessystèmestempsréelembarqués.................... 21

3.2 Maîtrise des coûts matériels .............................. 22

3.2.1 Architecturecentralisée ........................... 23

3.2.2 Architecture multi-calculateur ........................ 24

3.2.3 Architecture faiblement distribuée...................... 24

3.2.4 Architecture fortement distribuée...................... 25

3.2.5 Hétérogénéité................................. 26

3.3 Maîtrise des coûts liés au développement du logiciel................ 26

3.3.1 Cycle de développement d'un système temps réel . ............. 27

3.3.2 Réduction du cycle de développement . ................... 28

II Spécification des applications 33

4 Besoins de spécification 37

4.1 Spécification des Algorithmes............................ 38

4.1.1 Algorithmes de commande . . ........................ 39

4.1.2 Algorithmes de contrôle........................... 39

4.1.2.1 Modificationdeparamètres.................... 40

4.1.2.2 Séquencement........................... 40

4.1.2.3 Changementdemodes....................... 41

4.2 Spécificationdescontraintestemporelles....................... 41

4.2.1 Contraintedecadence ............................ 41

4.2.2 Contraintedelatence............................. 41

4.3 Spécificationdescontraintesmatérielles....................... 42

5 Méthodes et outils de spécification existants 45

5.1 Caractéristiquesdeslangagesdespécification .................... 46

5.1.1 Impératifversusdéclaratif .......................... 46

5.1.1.1 Langages impératifs, flot de contrôle . . ............. 47

5.1.1.2 Langages déclaratifs, flot de données . . ............. 47

5.1.1.3 Exemple.............................. 48

5.1.2 SynchroneversusAsynchrone........................ 48

5.1.2.1 LangagesSynchrones....................... 49

5.1.2.2 Langagesasynchrones....................... 49

5.2 Outils basés sur une approche non-formelle de la spécification........... 50

5.2.1 MathWorks.................................. 50

TABLE DES MATIÈRES vii

5.2.1.1 Matlab............................... 50

5.2.1.2 Simulink.............................. 51

5.2.1.3 Stateow.............................. 52

5.2.1.4 Générationautomatiquedecode ................. 52

5.2.2 Autres outils................................. 52

5.2.2.1 MATRIXx............................. 53

5.2.2.2 ASCET-SD ............................ 53

5.2.2.3 SCILAB,SCICOS......................... 55

5.3 Outils basés sur une approche formelle de la spécication, méthodologie AAA . . 56

5.3.1 Langagesynchrones ............................. 56

5.3.2 Electre .................................... 57

5.3.3 Statemate Magnum .............................. 57

5.3.4 SyncCharts/Esterel.............................. 58

5.3.5 ORCCAD ................................... 58

5.3.6 SILDEX ................................... 58

5.3.7 Méthodologie AAA, SynDEx ........................ 61

5.4 Synthèsedel'étatdel'art:versl'outilidéal ..................... 63

5.4.1 Approcheformelle.............................. 63

5.4.2 Spécicationhiérarchiséegraphiqueettextuelle............... 65

5.4.3 Multi-formalisme . .............................. 65

5.4.4 Spécicationdescontraintestemporelles .................. 68

5.4.5 Simulation .................................. 68

5.4.6 Vérication.................................. 69

5.4.7 Implantation ................................. 69

5.4.8 Validation................................... 70

6 Évolution de la méthodologie AAA 71

6.1 Spécification hiérarchique à l'aide de librairies . ................... 72

6.2 Spécificationd'unensembledecontraintestemporelles............... 72

6.2.1 Graphesfactorisés .............................. 72

6.2.2 Spécification de contraintes temporelles à l'aide de graphes factorisés . . . 73

6.2.2.1 Contraintesdecadence ...................... 73

6.2.2.2 Contraintesdelatence....................... 74

6.3 Multi-formalisme de spécification . . ........................ 78

6.3.1 Rappelssurlesautomates .......................... 79

6.3.2 Unification dans un formalisme flot de données, d'une spécification multi-

formalisme:étatdel'art ........................... 80

6.3.2.1 SignalGTi............................. 80

6.3.2.2 Transformationd'ArgosenDC.................. 81

6.3.2.3 Transformation d'un automate deMealy en processus Signal dans

l'outilSildex............................ 83

6.3.3 Etude d'une transformation autorisant une implantation efficace sur un cal-

culateur distribué . .............................. 84

6.3.3.1 Calculdel'étatcourant ...................... 85

6.3.3.2 Calculdestransitionssortantesd'unétat ............. 86

6.3.3.3 Calcul des sorties . ........................ 86

6.3.3.4 ImplantationdelatransformationdansSynDExv5........ 87

viii TABLE DES MATIÈRES

6.3.3.5 Exemple.............................. 88

6.3.4 Implantation multi-processeurs du graphe ot de données obtenu par notre

transformation ................................ 89 III Implantation, mise en oeuvre des applications 93

7 Problématique de l'implantation 97

7.1 Contraintesd'implantation .............................. 97

7.1.1 Exempledidactique.............................. 97

7.1.2 Contraintes d'ordonnancement ........................ 98

7.1.2.1 Cyclicité.............................. 98

7.1.2.2 Dépendances de données . . ................... 99

7.1.2.3 Contraintestemporelles:latence,cadence ............ 99

7.1.3 Contraintes de distribution . . ........................ 100

7.2 Stratégiesd'implantation............................... 102

7.2.1 Stratégies d'ordonnancement . ........................ 103

7.2.1.1 Modèlesdetâche ......................... 103

7.2.1.2 Ordonnancement préemptif, non-préemptif............ 103

7.2.1.3 Ordonnancement en ligne, hors ligne . . ............. 103

7.2.1.4 Ordonnanceur à priorités statiques, à priorités dynamiques . . . . 104

7.2.2 Stratégies de distribution........................... 105

7.2.2.1 Architecture distribuée faiblement synchronisée . . ....... 105

7.2.2.2 Architecture distribuée fortement synchronisée.......... 106

8 Outils d'implantation 107

8.1 ImplantationavecunOStempsréel ......................... 108

8.1.1 Normalisationd'OS ............................. 108

8.1.1.1 Norme SCEPTRE . ........................ 108

8.1.1.2 OSEK/VDX............................ 110

8.1.2 Exécutifs commerciaux............................ 114

8.2 Générationautomatiqued'exécutif.......................... 115

8.2.1 Langagessynchrones............................. 115

8.2.2 Méthodologie AAA............................. 115

9 Evolution de AAA 119

9.1 Implantation multi-contraintes............................ 119

9.1.1 Contraintes d'implantation d'un algorithme spécifié par un graphe factorisé 119

9.1.1.1 Dépendances de données . . ................... 120

9.1.1.2 Contraintesdecadence ...................... 121

9.1.1.3 Contraintesdelatence....................... 121

9.1.1.4 Contraintes de périodicité, jitter.................. 121

9.1.2 Proposition d'une méthode d'ordonnancement hors ligne pour l'implanta-

tion d'une spécification multi-contrainte ................... 122

9.1.2.1 Respect des dépendances de données . . ............. 122

9.1.2.2 Condition d'ordonnançabilité ................... 123

9.1.2.3 Respect des contraintes de périodicité sur les entrées-sorties . . . 124

9.1.2.4 Minimisation du jitter....................... 125

TABLE DES MATIÈRES ix

9.1.2.5 Priseencomptedestempsd'exécution.............. 126

9.1.2.6 Priseencomptedescontraintesdelatence ............ 127

9.1.2.7 Algorithme d'ordonnancement proposé . ............. 127

9.1.2.8 Générationdecode ........................ 129

9.1.2.9 Prise en compte de la distribution................. 131

9.2 Miseaupointdesloisdecommandesàl'aided'espions............... 131

9.2.1 Principe de l'espionnage........................... 132

9.2.2 Intervalle d'espionnage............................ 134

9.2.3 Cas de l'espionnage de signaux conditionnés................ 135

9.2.4 Priseencomptedesressourcesmémoire................... 138

IV Application 141

10 Contexte du projet 145

10.1Lavoitureindividuellepublique ........................... 145

10.2LeprogrammePraxitèle ............................... 146

10.3LeCyCab....................................... 147

10.4 Utilisations envisagées . . .............................. 148

11 Architecture matérielle du CyCab 149

11.1 Mécanique....................................... 149

11.1.1 Coque . . ................................... 149

11.1.2 Châssis . ................................... 150

11.1.2.1 Motorisation............................ 150

11.1.2.2 Direction.............................. 150

11.1.2.3 Freinage.............................. 152

11.2Architectureélectroniqueembarquée......................... 152

11.2.1 Processeurs.................................. 153

11.2.2 Médiasdecommunication.......................... 153

11.2.3 Capteurs ................................... 153

11.2.4 Actionneurs.................................. 154

11.3Architectured'unnoeud ............................... 154

11.3.1 Module de calcul . .............................. 155

11.3.2 Module interface entrées-sorties....................... 156

11.3.3 Module de puissance............................. 156

11.4Remarques ...................................... 157

12 Description des applications 159

12.1 Conduite manuelle sécurisée............................. 159

12.1.1 Loidecommandelongitudinale ....................... 160

12.1.2 Loidecommandelatérale .......................... 162

12.2Suividevéhicule ................................... 162

12.2.1 Lacibleactive ................................ 163

12.2.2 Lacaméra................................... 163

12.2.3 Calculs de positionnement . . ........................ 164

12.2.4 Calculdelaconsignelongitudinale ..................... 165

12.2.5 Calculdelaconsignelatérale ........................ 165

x TABLE DES MATIÈRES

12.3Localisation...................................... 166

12.4Téléopération..................................... 167

12.4.1 Principe.................................... 168

12.4.2 Chaînedetraitementvidéo.......................... 169

12.4.3 Chaîne de traitement des données numériques................ 170

13 Réalisation du logiciel avec SynDEx 173

13.1 Spécification de la conduite manuelle sécurisée ................... 173

13.1.1 Graphed'architecture............................. 173

13.1.1.1 Sémantiquedugraphed'architecture ............... 173

13.1.1.2 Graphe d'architecture de l'application suivi de véhicule CyCab . 174

13.1.2 Graphe d'algorithme............................. 174

13.1.2.1 Sémantique du graphe d'algorithme................ 174

13.1.2.2 Graphe d'algorithme de l'application conduite manuelle sécurisée 175

13.2Adéquation ...................................... 179

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