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Introduction à SCADE®
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Introduction
SCADESCADE : : SSafety-afety-CCritical ritical AApplicationpplication D Development evelopment EEnvironmentnvironment● environnement de développement pour les systèmes
critiques, en particulier dans le domaine de l’embarqué➢ avionique (Airbus, Eurocopter) : leader de facto➢ nucléaire (Schneider Electrics, CEA) ➢ automobile (standard émergent)
● développé initialement par le laboratoire Verimag de Grenoble à partir des travaux de recherche avec Lustre
● maintenant commercialisé par la société Esterel Technologies
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Historique
Esterel TechnologiesEsterel Technologies● en 1984, premiers éléments du langage Esterel (issu des
travaux pour construire un robot mobile pour un concours organisé par une revue de microélectronique)
● groupe de recherche autour de Gérard Berry pour le développement d’Esterel
➢ utilisation du langage par des sociétés (AT&T Bell Labs, Bertin, Dassault)
● V4 du compilateur Esterel en 1994➢ implémentation des programmes sur des FPGA, ou par soft
● en 1997, intégration du langage graphique SyncCharts (proche des StateCharts)
➢ utilisé par Dassault, Thales, Thomson CSF➢ logiciel Esterel Studio, développé par Simulog➢ en 1999, création de Esterel Technologies
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Historique
SCADESCADE● Lustre développé dans les années 1980 (P. Caspi, N.
Halbwachs, laboratoire IMAG)● en 1986, utilisé par Merlin Gérin (maintenant Scheider
Electric) pour le contrôle des centrales nucléaires (outil Saga)
➢ développement avec Verilog● rapprochement avec Aérospatiale (maintenant Airbus) qui
utilise un outil analogue (SAO)● Verilog, en partenariat avec Merlin Gérin et Aérospatiale,
développe un outil commun : SCADE● en 1993, Verilog et IMAG créent un laboratoire commun :
Verimag● SCADE racheté par Telelogic en 1999, puis par Esterel
Technologies en 2001● en 2015, Esterel Technologies racheté par ANSYS
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SCADE aujourd’hui● environnement de développement basé sur Lustre et
Esterel➢ le langage textuel de SCADE est basé sur Lustre V3➢ utilisé pour sauvegarder les modèles (fichiers .saofd)
● ESTEREL SCADE SuiteTM est le standard pour la création d’applications critiques embarquées
➢ qualifié pour le standard DO-178B/ED-12B (niveau A) pour l’avionique et les applications militaires
➢ certifié pour le standard IEC 6158 (niveau 3) pour les équipements lourds et la production d’énergie
➢ conforme au standard EN 60128 (niveau 3/4) pour les applications ferroviaires
➢ compatible avec le standard IEC 60880 pour le nucléaire● associé maintenant à ESTEREL SCADE DisplayTM , un
environnement de développement graphique pour concevoir et vérifier des applications telles que les systèmes d’affichage de cockpit ou de tableaux de bord
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Standard DO-178B/ED-12B
● document produit par la RTCA (DO-178B, USA) et EUROCAE (ED-12B, Europe) pour fournir des lignes directrices précisant la façon de produire du code pour les applications aéronautiques (1ère version en 1992)
➢ complémentaire du document ARP 4754 qui spécifie le processus de conception des systèmes de pilotage et de modification des systèmes existants
System life-cycle processes (ARP 4754)System safety assessment process
Software life-cycle processes (DO-178B)part of implementation processees, for ARP 4754
System requirementsallocated to software
Software level(s)
Design constraintsHardware definitions
Fault containmentboundaries
Error sourcesidentified/eliminated
Software requirements& architecture
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● les lignes directrices spécifient :➢ les objectifs pour chaque phase du cycle de vie du code➢ la description des activités et des considérations quant à la
conception pour atteindre ces objectifs➢ la description des preuves montrant que ces objectifs ont
été atteints
Standard DO-178B/ED-12B
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Standard DO-178B/ED-12B
● DO-178B et ARP 4654 définissent en commun les niveaux de criticité pour les systèmes, leurs composants et le code :
➢ Niveau A : Problème catastrophique - Sécurité du vol ou atterrissage compromis - Crash de l'avion
➢ Niveau B : Problème majeur entraînant des dégâts sérieux voire la mort de quelques occupants
➢ Niveau C : Problème sérieux entraînant un dysfonctionnement des équipements vitaux de l'appareil
➢ Niveau D : Problème pouvant perturber la sécurité du vol➢ Niveau E : Problème sans effet sur la sécurité du vol
● l’approche est orientée objectif : on formule les objectifs et on vérifie qu’ils ont été atteints
➢ mais les méthodes précises à utiliser ne dont pas données (le cycle de vie du développement n’est même pas spécifié)
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Standard DO-178B/ED-12B
● approche proposée par DO-178B :➢ s’assurer que les objectifs appropriés sont définis, e.g.
✔ niveau de criticité du développement du code✔ standards de conception
➢ définir des procédures pour la vérification des objectifs, e.g.
✔ vérifier que l’indépendance des activités correspond au niveau de criticité du développement
✔ vérifier que les standards de conception sont satisfaits et que la conception est complète, précise et traçable
➢ définir des procédures pour vérifier que les procédures de vérification précédemment définies sont exécutées correctement, e.g.
✔ vérifier que les remarques des revues des documents de conception ont bien été prises en compte
✔ vérifier que les tests montrant que le contenu du cahier des charges est rempli ont été effectués
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L’outil SCADE
● la satisfaction du standard est très contraignante pour les développeurs (« rendement » en termes de lignes de code produites par jour typiquement 4 fois plus faible que pour des applications non critiques
● des outils pour aider à satisfaire le standard sont essentiels
● fournit l’ensemble des fonctionnalités réclamées par les standards pour le codage d’applications critiques :
➢ modélisation de l’application➢ vérification du modèle➢ génération de code certifié
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modélisation de l’application
● architecture typique d’un système temps réel embarqué critique :
Contrôleur
Gestion des entrées-sorties
Systèmed’exploitation
Pilotes
Matériel
composantsde bas niveau
composantsde bas niveau
gestion des données
gestion des données
applicationinteragissant
avec
applicationinteragissant
avec
environnementenvironnement
lois de contrôle,algorithmes,
logique d’accès aux « modes »,etc...co
mpl
exe
!
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● SCADE propose un langage rigoureux pour saisir les besoins en matière de calcul et de logique
➢ équations de flot de données pour le calcul➢ machines à états pour la logique
➢ la fonction principale de SCADE est appeléede façon cyclique
➢ code développémanuellement pourl’interfaçage avec les couches logicielles debas niveau et le matériel
modélisation de l’application
Lustre
Esterel
Gestion des entrées-sorties
Systèmed’exploitation Pilotes
Matériel
Contrôleur
Fonction SCADE
Co
de
man
uel
Co
de
man
uel
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Modélisation avec SCADE
● utilise 2 formalismes de spécifications :➢ des machines à états finis pour les modes de
fonctionnement et les transitions➢ des diagrammes de flots de données pour les algorithmes
de contrôle● s'appuie sur ESTEREL et LUSTRE
● Les illustrations qui suivent proviennent du manuel
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Modélisation avec SCADE
● les blocs de base sont les "opérateurs"➢ représentés graphiquement
➢ ou textuellement
➢ pré-définis dans le langage➢ ou définis par l'utilisateur à l'aide d'opérateurs
✔ permet de construire des structures très complexes
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Modélisation avec SCADE
● diagrammes de flots de données pour les contrôles continus
➢ traitements périodiques du signal● opérateurs entre lesquels circulent des flots de données
● les opérateurs sont ➢ modulaires (comportement indépendant du contexte)➢ fortement typés
✔ chaque donnée a un type✔ la cohérence des types est vérifiée
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Modélisation avec SCADE
● SCADE permet de vérifier les timings et la causalité➢ circuits récursifs➢ exemple
délai avecvaleur initiale
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Modélisation avec SCADE
● SCADE permet de vérifier que les flots de données sont initialisés correctement (essentiel dans le développement d'applications critiques)
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Modélisation avec SCADE
● les contrôles « discrets » permettent de réagir aux événements externes asynchrones
➢ alarmes➢ capteurs « discrets »➢ interfaces homme-machine
● modélisés par des machines à états finis● incluant des opérateurs de flots de données
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Modélisation avec SCADE
● modèle de calcul basé sur une boucle
➢ calcul non interruptible dès que les capteurs ont été lus➢ tous les opérateurs ont une horloge basée sur une horloge
maître (cf Lustre)➢ les machines à états finis utilisent aussi une approche
cyclique✔ passage d'événements entre machines✔ communication entre machines et opérateurs
● l'identité des comportements du modèle séquentiel généré et des spécifications initiales est garanti par des méthodes formelles
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vérification du modèle
● but de la vérification :➢ conformité du modèle établi avec les spécifications
contenues dans le cahier des charges➢ absence de fonctions non intentionnelles, sans rapport avec
le contenu du cahier des charges● plusieurs phases dans le processus de vérification
➢ revue du modèle➢ simulation➢ couverture structurelle➢ vérification formelle➢ prédiction des performances
● à chaque étape, SCADE fournit des outils spécifiques
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vérification du modèle
● revue du modèle➢ vérification que chaque élément d’un modèle SCADE est en
rapport direct avec une ou plusieurs exigences fournies en entrée de la phase de conception du modèle
➢ l’outil « SCADE Suite Requirements Management GatewayTM » gère la traçabilité des exigences à travers SCADE
➢ calcule également le pourcentage de couverture des exigences par le modèle
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vérification du modèle
● simulation➢ vérification fonctionnelle à l’aide de l’outil « SCADE Suite
SimulatorTM »➢ SCADE garantit que les résultats de la simulation du
modèle sont identiques à ceux qui seront obtenus plus tard par le code généré à partir du modèle sur la cible
➢ outil complémentaire « SCADE Suite Rapid PrototyperTM »
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vérification du modèle
● couverture structurelle➢ mesure de combien ce logiciel a été testé➢ permet d’identifier des parties de ce logiciel qui n’ont jamais
est testées➢ outil « SCADE Suite Model Test CoverageTM » (requis par
les normes comme DO-178B ou EN-50128)➢ peut mettre en évidence
✔ les éventuelles insuffisances des tests✔ des contradictions dans les exigences ou des parties du
modèle qui ne sont pas accessibles, et qui sont donc inutiles
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vérification du modèle
● développement « traditionnel »
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vérification du modèle
● développement « SCADE »
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vérification du modèle
● vérification formelle➢ vient en complément des tests de simulation
✔ avec les tests, on ne peut pas être sûr à 100% que le modèle est correct (il peut manquer des scénarios d’exécution dans l’ensemble des tests)
➢ utilise l’outil « SCADE Suite Design VerifierTM » associé au plugin Prover Plug-InTM de Prover TechnologyTM (analogue à LESAR dans Lustre)
✔ l’utilisateur fournit un ensemble de propriétés de sûreté qui doivent être vérifiées (décrites dans le formalisme de SCADE)
✔ Design Verifier effectue une analyse mathématique et exhaustive de l’ensemble des comportements possibles du système
✔ si la propriété n’est pas vérifiée par un des scénarios, Design Verifier fournit un point de départ pour une nouvelle simulation conduisant à une erreur, qui peut alors être plus facilement corrigée
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vérification du modèle
● prédiction des performances➢ utilise l’outil « SCADE Suite Timing and Stack VerifierTM » ➢ pour le code qui sera généré pour la cible, donne
✔ une estimation du temps d’exécution maximal du code C✔ sa consommation maximale d’espace mémoire sur la pile
➢ intègre une technique d’analyse statique développée par Absint avec l’outil aiT
✔ repose à la fois sur le modèle SCADE de l’application et sur un modèle du processeur cible qui permettra d’évaluer les performances
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génération de code certifié
● la phase de codage suivant la conception est entièrement automatisée
● utilise le générateur de code certifié « SCADE Suite KCGTM »
● le code produit est➢ traçable par rapport au modèle fourni en entrée➢ lisible➢ conforme à la norme ISO-C➢ indépendant de la cible➢ comportement déterministe
✔ pas d’allocation dynamique de mémoire✔ pas d’opérations arithmétiques sur les pointeurs
● KCG a été développé avec le même niveau d’exigence que celui attendu pour le code produit
➢ certifié niveau A de DO-178B➢ pas de nouvelle vérification nécessaire au niveau du code
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Conclusion
● l'utilisation de SCADE permet➢ de réduire de moitié les coûts de certification➢ de réduire de 70% à 90% les coûts de développement,
certification et tests➢ *de réduire de 65% à 75% le temps de mise au point d'un
logiciel➢ de supprimer les erreurs de codage et les tests unitaires
● maintenant le standard de facto de l'avionique
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présentation du TD