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Coopération de modèles de temps Gérard Berry Collège de France Chaire Algorithmes, machines et langages

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Présentation au sujet: "Coopération de modèles de temps Gérard Berry Collège de France Chaire Algorithmes, machines et langages"— Transcription de la présentation:

1 Coopération de modèles de temps Gérard Berry Collège de France Chaire Algorithmes, machines et langages Cours 6, 19 mars 2014

2 19/03/ G. Berry, Collège de France Rappel : les trois modèles fondamentaux Synchrone –temps conceptuellement nul (négligeable) –simple, déterministe : circuits, logiciels embarqués Vibratoire –temps prévisible (pas toujours rapide) –électronique des circuits synchrones –ordonnancement statique des logiciels synchrone (WCET) Asynchrone –algorithmique distribuée générale –Internet (TCP/IP) Chacun de ces modèles est localement compositionnel, mais que dire de la composition de modèles différents ?

3 Synchrone –dans la même pièce, au téléphone Vibratoire –le télégraphe (il faut taper le message) –le pneumatique, le train (Suisse) Asynchrone – plus ou moins prévisible : le courrier, Internet – imprévisible : toute caisse de retraite Continu / discret : téléphone / lettre 19/03/ G. Berry, Collège de France Dans la vie courante

4 19/03/20144 G. Berry, Collège de France Principaux modes de communication mediumtypeimpressionadressage courrier 1 asynchronephysique courriel 1 asynchronelogique télégramme, pneu 1 vibratoirephysique SMS 1 vibratoirelogique téléphone 1 1 (n?) synchronephysique chat / tél Internet 1 1 (n?) synchronelogique tableau daffichage 1 n asynchronephysique site web, mass-mailing 1 n asynchronelogique théâtrophone 1 n synchronephysique radio / télévision 1 n synchronelogique tweet 1 n vibratoirelogique réunion (parole) n synchronephysique audio / vidéo conf. n synchronelogique forum internet n asynchronelogique

5 19/03/ G. Berry, Collège de France Quelques outils de simulation pour simulerparoutil courrielcourrierréexpédition tableau daffichagecourrier / courriel envoi en masse tableau daffichagetéléphonerépondeur courrieltéléphonerépondeur avec appel à distance téléphoneradiowalkie-talkie, appel VHF site webradioCNN, France-info, BFM forumradioCB des taxis radioasynchronestreaming On peut simuler lasynchrone par le synchrone ou le vibratoire, mais pas vraiment linverse sans linformatique !

6 Passage à ladressage logique –dissociation du temps et de lespace Accélération majeure du mode asynchrone –téléchargement >> bibliothèque Possibilité de simuler le vibratoire / (presque) synchrone par lasynchrone « best effort » –vibratoire : streaming son et vidéo –synchrone : téléphone par Internet –point dur : la mesure des performances du réseau 19/03/ G. Berry, Collège de France Lapport de linformatique Exemple derreur hélas fréquente : vouloir synchroniser freins et suspension dune voiture avec de lasynchrone

7 Mécanique puis électrique –Chappe (1794, Paris Lille) –Wheatstone (1838, Londres Birmingham) –Morse (1843, Baltimore Washington) –doublement vibratoire : télégraphe + pneumatique ! 19/03/ G. Berry, Collège de France Lapport du télégraphe ( ) Changement technique et mental extraordinaire déclaré deuxième invention fondamentale après la roue ! The Victorian Internet, Tom Standage, Berkley Books, NY Fantastique raccourcissement des délais –exemple Angleterre / USA, Inde ou Australie, Portugal / Macao, etc. Progrès technologiques rapides et massifs –manuel électrique, millions de km de lignes, pneumatique, etc. Explosion de nouvelles applications – information, commerce, politique, cœur, etc.

8 19/03/20148 G. Berry, Collège de France... Mais aussi Retour de lHistoire : la France a été en avance... puis en retard, pour le Télégraphe Chappe (1794) et le Minitel ( ) ! Discours éthérés – plus de guerres, victoire de la démocratie, etc. Tricheries –San Francisco : paris gagnants sur les courses de New York

9 Systèmes asynchrones –réactions chimiques de construction des protéines dans les cellules cf. BioCham, séminaire de F. Fages au Colloque 2008 : 19/03/ G. Berry, Collège de France En biologie Systèmes vibratoires –commande du cœur circulation sanguine –propagation de linflux nerveux –rythmes neuronaux alpha, beta, theta, gamma, circadien –vision et audition, contrôle du mouvement –réplication de lADN (40 nucléotides / s), transcription de lARN –idem pour les plantes, rythme des saisons et du jour Coopération de systèmes continus et discrets : potentiels daction, battement de cœur, saccades oculaires, etc. Systèmes intermédiaires –système immunitaire (croissance exponentielle des lymphocytes) –système hormonal

10 19/03/ G. Berry, Collège de France Exemple de synchronisations Sensations de simultanéité < 20ms (toucher, musique) Vision uniforme dune image malgré les saccades oculaires synchronisation vision (lèvres) / audition (voix) malgré des chemins neuronaux très différents impact du synchronisme temporel des potentiels daction sur lémission de potentiels daction (C. Rossant) coordination du mouvement (A. Berthoz)

11 19/03/ G. Berry, Collège de France Mélanger les temps en informatique : beaucoup de travaux, souvent épars... Implémentation des langages et systèmes synchrones – implémentations vibratoires sur circuits ou logiciels (WCET) – domaines synchrones de Ptolemy (E. A. Lee, Berkeley) – systèmes distribués fortement synchronisés (PTIDES, E. A. Lee) – distribution de programmes synchrones sur infrastructures asynchrones Réseaux mixtes vibratoires / asynchrones – TTP, FlexRay, Real-time Ethernet, etc. – applications typiques: avionique, automobile, etc. Systèmes GALS (Globally Asynchronous Locally Synchronous) – SoCs multi-horloges – Orchestration synchrone dactivités Web asynchrones en Hop / Hiphop (cours séminaire du 28 mai 2013)

12 19/03/201412G. Berry, Collège de France Simulation logicielle de phénomènes physiques –relation entre temps dexécution (wall time) et temps du système simulé –relations entre temps continus et discrets cf. cours du 19 mars, et exposés de K-J. Åström (19 mars 2014) et M. Pouzet (26 mars 2014) Approximation asynchrone de logiques vibratoires / synchrones – transmission asynchrone « best effort » de flots synchrone (streaming audio / vidéo, téléphone Internet) –timestamps dans les algorithmes distribués asynchrones (L. Lamport) –génération de sons en temps-réel avec OS asynchrone (Antescofo) Automatique répartie tolérante au temps – cf. séminaire dAlbert Benveniste (LTTA), 5 mars 2014

13 Exemple typique : implémenter un langage conceptuellement parallèle par un ordonnancement forcé pour le rendre séquentiel, donc apparemment simple –Langage IEEE 1131 pour automates programmables –Statecharts (25+ sémantiques proposées) –Stateflow (Matlab, associé à Simulink), cf. cours du 2 avril 2013 –etc. 19/03/ G. Berry, Collège de France Le danger des méthodes « pragmatiques » Implémenter quelque chose, puis essayer de lui trouver une sémantique => Mauvaise compositionnalité, vérification formelle difficile, etc.

14 19/03/ G. Berry, Collège de France Une question centrale : le déterminisme fonctionnel et temporel Dans quelle mesure est-il une contrainte du type dapplication ? Si oui, le formalisme le respecte-t-il par construction ? Eventuellement dans certaines parties du système et pas dans dautres? Jaime bien lidée que les réactions de ma voiture à mes commandes restent relativement déterministes

15 19/03/ G. Berry, Collège de France Une grande tentative dunification : Ptolemy II, E.A. Lee et. al. (UC Berkeley) Grand projet démarré en par Edward Lee à UC Berkeley, EECS Electrical Engineering and Computer Science Lab, à la suite de Ptolemy Classic (1980, avec J. Buck et. al.). Principe: modélisation et simulation de systèmes informatiques embarqués complexes, avec intégration de plusieurs modèles de calcul temporels ou non Attention particulière à la rigueur sémantique, et interface homme-machine élégante Logiciel Open Source (licence BSD), utilisé industriellement Livre papier ou PDF gratuit, exemples animés

16 19/03/ G. Berry, Collège de France La hiérarchie des modèles de calcul de Ptolemy traités dans le livre

17 19/03/ G. Berry, Collège de France Style dun modèle Ptolemy II définit le modèle de calcul global, ici Discrete Events générateur dentrées afficheur acteurs hiérarchiques (modèles de calcul différents)

18 19/03/ G. Berry, Collège de France Synchronous Dataflow (SDF) mn lit m entrées, en produit n 23 A B A A A B B : 6 mémoires A A B A B : 4 mémoires np A B A déclenché a fois, B b fois équation déquilibre : na pb 2 1 A C B ABCC 2 1 A C B

19 19/03/ G. Berry, Collège de France Synchronous Dataflow (SDF) Messerchmitt & Lee (1987) : procédure pour décider sil y a un ordonnancement statique garantissant des buffers bornés et pour fournir lordonnancement minimal. Taux de lecture ou production conditionnels, ou buffer non bornés changement de modèle: DDF Dynamic Dataflow Note : les modèles SDF et DDF nont pas de temps propre, mais ils sintègrent dans les modèles temporels facilement pour SDF (un cycle par « unité de temps » plus difficilement pour DDF, car scheduling dynamique

20 19/03/ G. Berry, Collège de France Application sonore SDF

21 19/03/ G. Berry, Collège de France DFF, avec mémoire finie ou infinie switch et test dans le même sens switch et test inversés

22 19/03/ G. Berry, Collège de France Automates finis hiérarchiques (FSM) Une vieille connaissance: ABRO A /A / B /B / R /R / / O/ O loop abort { await A || await B }; emit O ; halt when R end loop

23 19/03/ G. Berry, Collège de France Automates finis hiérarchiques (FSM) Une vieille connaissance: ABRO en Ptolemy II Transitions synchrones sur événements Fortement inspiré des SyncCharts de C. André

24 Similaire aux langages synchrones Lustre, Signal etc. Utilise la sémantique constructive dEsterel –sous forme de point fixe dans une logique à 3 valeurs, cf prochain cours du 26 mars 2014 Peut accueillir des sous-modèles variés et servir dorchestrateur, comme les FSMs – cf. cours / séminaire HipHop vs. Hop, 28 mai /03/ G. Berry, Collège de France SR : Synchronous-Reactive Models

25 19/03/ G. Berry, Collège de France SR : de Simone Round-Robin Scheduler Cf. cours 1, 2014 Ptolemy II implémente la sémantique constructive (en mode interprétation) NB: erreur dans le livre : Esterel possède aussi le mode interprétation, pas seulement le mode compilation

26 modèle de temps superdense timestamp (t,n) où t est flottant double et n entier t est une valeur dans le temps du modèle n est un index pour les événements de temps t (t,n) fortement synchrone avec (t,n) si t t et n n (t,n) faiblement synchrone avec (t,n) si t t Scheduling ordre des timestamps ordre topologique priorités (pour les timestamps fortement synchrones restants) 19/03/ G. Berry, Collège de France DE : Discrete Events Models temps constructif o6 i7i5i1i2i6i4i3 o7o5o4o3o1o2 temps superdense cf. cours 1, 2013

27 19/03/ G. Berry, Collège de France Temps superdense : le pendule de Newton Conservation de la quantité de mouvement dans les chocs la quantité de mouvement saute de bille en bille en temps 0 Ptolemy : de microstep en microstep Alternative : le temps non-standard, cf. séminaire de M. Pouzet, 26 mars 2014

28 19/03/ G. Berry, Collège de France DE démo : un serveur avec FIFO

29 19/03/ G. Berry, Collège de France DE démo : le même sans fil Liaison par nom

30 19/03/ G. Berry, Collège de France Un serveur plus complexe

31 19/03/ G. Berry, Collège de France Modèle mixte continu / discret + Zénon

32 19/03/ G. Berry, Collège de France Continuous : attention à Zénon et au test de fin !

33 Faire coopérer des modèles de temps nest pas si simple et mérite dêtre étudié de près. On trouve des tas de solutions ad-hoc dans la vie courante Mais le problème nest pas encore assez reconnu et étudié en informatique Quelques travaux importants : relation synchrone / vibratoire, coopération synchrone / asynchrone, implémentations dalgorithmes dautomatique, simulateurs continus / discrets Et une grande tentative dunification globale, Ptolemy II 19/03/ G. Berry, Collège de France Conclusion

34 19/03/ G. Berry, Collège de France Quelques références The Victorian Internet Tom Standage, Berkley Books, New York (1998) Real Time Programming: PSpecial urpose or General Purpose Languages G. Berry. Information Processing 89, G.X. Ritter (Ed.), Elsevier Science Publishers B.V., North-Holland (1989) System Design, Modeling, and Simulation using Ptolemy II Claudius Ptolemaeus, Editor (2014) téléchargable avec toutes les démos animées: On the Schedulability of Real-Time Discrete Event Systems E. Matsikoudis, C. Stergiou, E.A. Lee. Proc EMSOFT PTIDES: A Programming Model for Distributed Real-Time Embedded Systems P. Derler, T. Huining Feng, E.A. Lee, S. Matic, H.D.Patel, YangZ hao, Jia Zou Report EECS , EECS Department, University of California, Berkeley

35 19/03/ G. Berry, Collège de France Ptides (E. Lee et. al) : Programming Temporally Integrated Distributed Systems les messages portent des timestamps précis Les acteurs spécifient les calculs

36 19/03/ G. Berry, Collège de France synchro dhorloge bornée (PTP) la synchronisation donne un sens global aux timestamps messages traités dans lordre des timestamps Synchronisation dhorloges

37 19/03/ G. Berry, Collège de France Synchronisation dhorloges timestamp temps limite timestamp = date de mesure capteurs acteurs actuateurs acteurs

38 19/03/ G. Berry, Collège de France Interprétation temps-réel des timestamps timestamp temps limite timestamp = date de mesure capteurs acteurs actuateurs acteurs

39 19/03/ G. Berry, Collège de France Maîtrise des latences La latence globale des capteurs aux actionneurs est calculable, ce qui rend la correction et la performance du système analysable maîtrise des latences par calcul des timestamps actuateurs : timestamps date de laction retour au monde physique

40 19/03/ G. Berry, Collège de France Conséquence : déterminisme ! délai du réseau borné d un événement de timestamp t peut être sorti au temps t + s + d + e – d2 hypothèse: erreur dhorloge bornée e hypothèse : délai des capteurs borné s application: latence d2 Note : Il faut des bornes aux interfaces réseau pour garantir lordre temporel indépen- damment de lordre dexécution des acteurs.


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