Mises en œuvre distribuées de programmes synchrones Pascal AubryEnvironnement de Programmation...

Mises en œuvre Mises en œuvre distribuées de distribuées de

programmes synchronesprogrammes synchrones

Pascal Aubry

Environnement de Programmation pour Applications Temps-Réel

http://perso. univ-rennes1.fr/pascal.aubryhttp://perso. univ-rennes1.fr/pascal.aubry

DistributionDistribution

• Pourquoi ?Pourquoi ?– délocalisation géographique (répartition)délocalisation géographique (répartition)– gain de performance (parallélisme)gain de performance (parallélisme)– tolérance aux fautes (redondance)tolérance aux fautes (redondance)

• Comment ?Comment ?– parallélisme intrinsèque au langageparallélisme intrinsèque au langage– programmation impérative des communicationsprogrammation impérative des communications– parallélisation automatiqueparallélisation automatique– ......

Distribution du synchroneDistribution du synchrone

• Pour garder l’approche synchronePour garder l’approche synchrone– systèmes réactifssystèmes réactifs– cadre formelcadre formel

• automatisation des transformationsautomatisation des transformations• outils de validationoutils de validation

– approche algorithmiqueapproche algorithmique• indépendance vis-à-vis de l ’architectureindépendance vis-à-vis de l ’architecture

[Girault 94] (Lustre)[Girault 94] (Lustre)

[Caillaud 94] (automates)[Caillaud 94] (automates)

SignalSignal

• [Chéron 91] :[Chéron 91] :– Transformations syntaxiques de Transformations syntaxiques de

programmes Signalprogrammes Signal

• [Maffeïs 93] :[Maffeïs 93] :– ordonnancement de flots synchronesordonnancement de flots synchrones

• [Kountouris], [Machard] :[Kountouris], [Machard] :– temps d’exécution, O.S. temps-réeltemps d’exécution, O.S. temps-réel

• [Sorel 92] : Syndex[Sorel 92] : Syndex– adéquation algorithme architectureadéquation algorithme architecture

PréambulePréambule

méthodologieméthodologie

modèlemodèlethéoriethéorie

applicationapplication

correctioncorrection

intégrationintégration

PréambulePréambule

méthodologieméthodologie

applicationapplication

correctioncorrection

intégrationintégration

critères qualitatifs de la distributioncritères qualitatifs de la distribution

process JEU =

(RES,SIG) := ARBITRE(SIG_A,SIG_B) SIG_A := JOUEUR(SIG) SIG_B := JOUEUR(SIG)

end

IllustrationIllustration

A BSIG_A

Match nul

SIG SIG

signauxsignaux

répartitionrépartitioncalculcalcul

dépendancesdépendances

Répartition avec SyndexRépartition avec Syndex

compilateursourcesource

directivesdirectives

programmeprogrammedistribuédistribué

répartiteur

graphegraphe??

Plus convivial...Plus convivial...

compilateursourcesource



répartiteur

graphegraphe+

INTÉGRATION

INTÉGRATION

Le point de vue de Le point de vue de l’utilisateurl’utilisateur

machine

entréesentréesconfigurationconfiguration


environnement

tracetracesourcesource


Merci, chef.

Le point de vue de Le point de vue de l’utilisateurl’utilisateur

sourcesource

directivesdirectivestracetrace

ch’uis content

Mais au fait,comment ça marche

ton truc ?

Euh…je sais pas, chef.

SS

CORRECTION

CORRECTION

(modèle)(modèle)

– Les calculs effectués correspondent-ils aux calculs Les calculs effectués correspondent-ils aux calculs spécifiés ?spécifiés ?

Les corrections Les corrections obligatoiresobligatoires

• la correction fonctionnellela correction fonctionnelle

– la mémoire nécessaire à l’exécution est-elle bornée ?la mémoire nécessaire à l’exécution est-elle bornée ?

• la correction spatialela correction spatiale



– le temps de réponse du système est-il borné ?le temps de réponse du système est-il borné ?




• la correction temporellela correction temporelle



– une partie du programme s’exécute-t-elle infiniment une partie du programme s’exécute-t-elle infiniment plus vite qu’une autre ?plus vite qu’une autre ?

• l’équitél’équité





• l’équitél’équité



Propriétés classiquesPropriétés classiques

Les corrections Les corrections facultativesfacultatives

• la correction flot-de-donnéesla correction flot-de-données

– l’ordre d’observation des signaux est-il fidèle à l ’ordre l’ordre d’observation des signaux est-il fidèle à l ’ordre spécifié ?spécifié ?



– Les instants logiques peuvent-ils se chevaucher ?Les instants logiques peuvent-ils se chevaucher ?

• la correction synchronela correction synchrone



– l’exécution fait-elle des suppositions sur son l’exécution fait-elle des suppositions sur son environnement d’exécution ?environnement d’exécution ?


• la correction compositionnellela correction compositionnelle

spécificationimplémentationenvironnement

A

B

C

D

– l’exécution fait-elle des suppositions sur son l’exécution fait-elle des suppositions sur son environnement d’exécution ?environnement d’exécution ?





spécificationimplémentationenvironnement

A

B

C

D

CYCLECYCLE





Propriétés spécifiquesPropriétés spécifiques

entrées


observation

stratégiestratégie

implémentationdynamique

ordonnancementordonnancementenvironnementalenvironnemental

ordonnancementordonnancementstatique / dynamiquestatique / dynamique

descriptioninstantanéedistribuée

spécification

descriptioninstantanée

Le point de vue Le point de vue du du

programmeurprogrammeur

Les corrections Les corrections d'une mise en œuvre ...d'une mise en œuvre ...

• sont des propriétés sur les occurrences sont des propriétés sur les occurrences des signaux du programme.des signaux du programme.

• Les analyses de propriétés statiques ne Les analyses de propriétés statiques ne suffisent pas.suffisent pas.

NÉCESSITÉ

NÉCESSITÉ

D’UN MODÈLE

D’UN MODÈLE

DYNAMIQUE

DYNAMIQUE

entrées


observation





spécification

descriptioninstantanée comportement

inférence






entrées

observation

spécification


inférence






ordonnancementordonnancementdynamiquedynamique



ordonnancementordonnancementstatiquestatique



Le modèle Le modèle dynamiquedynamique

entrées

observation

spécification


inférence




Z := X when X>0 default Y when Y>0 default X$1

X ^= Y ^= Z

X init 1

Un exempleUn exemple


observation

inférence

comportement


entrées

observation

spécification


inférence




Z := X when X>0 default Y when Y>0 default X$1X ^= Y ^= ZX init 1

h1(when X>0)

X

Y

Z

h2(¬h1 when Y>0)

h3(¬h1 when ¬h2)

X

Y

Z

X$1 X

Y

Z




entrées

observation

spécification


inférence





h1(when X>0)

X

Y

Z

h2(¬h1 when Y>0)

h3(¬h1 when ¬h2)

X

Y

Z

X$1 X

Y

Z

X$1 X

Y

Zh

¬h1

h3

Un exempleUn exempleobservation

spécification


inférence





( X, Y)

(-1, 2)( 3, 7)( 0,-1)( 2, 0) ...

entrées

X$1 X

Y

Zh

¬h1

h3




spécification


inférence





entrées

X$1 X

Y

Zh

¬h1

h3

(-1, 2)( 3, 7)( 0,-1)( 2, 0) ...

-1

2

2

3

3

7

2

2

0

0

3

-1

1

Z

X

Y

État initial :

Instants : 1 2 3 4 ...

comportement


spécification


inférence





entrées

X$1 X

Y

Zh

¬h1

h3

(-1, 2)( 3, 7)( 0,-1)( 2, 0) ...

comportement

Une mise en œuvreUne mise en œuvremono-processeurmono-processeur

séquentielleséquentielle


ordonnancementordonnancementstatique statique Une mise en œuvreUne mise en œuvre

mono-processeurmono-processeurséquentielleséquentielle


spécification


inférence


entrées

X$1 X

Y

Zh

¬h1

h3

(-1, 2)( 3, 7)( 0,-1)( 2, 0) ...

comportement

(-1, 2)( 3, 7)( 0,-1)( 2, 0) ...

X$1 X

Y

Zh1

h2

h3

1

Z

X

Y

État initial :

3

3

7

2

2

0

0

3

-1

-1

2

2

Instants : 1 2 3 4 ...

Une mise en œuvreUne mise en œuvremono-processeurmono-processeur

séquentielleséquentielle


spécification


inférence


entrées

X$1 X

Y

Zh

¬h1

h3

(-1, 2)( 3, 7)( 0,-1)( 2, 0) ...

comportement

(-1, 2)( 3, 7)( 0,-1)( 2, 0) ...

X$1 X

Y

Zh1

h2

h3

1

Z

X

Y

État initial :

3

3

7

2

2

0

0

3

-1

-1

2

2

Instants : 1 2 3 4 ...

Résultats :Résultats :

correction fonctionnelle :correction fonctionnelle :correction spatiale :correction spatiale :correction temporelle :correction temporelle :équité :équité :correction synchrone :correction synchrone :correction flots-de-données :correction flots-de-données :correction compositionnelle :correction compositionnelle :

(-1, 2)( 3, 7)( 0,-1)( 2, 0) ...

X$1 X

Y

Zh1

h2

h3

1

Z

X

Y

État initial :

3

3

7

2

2

0

0

3

-1

-1

2

2

Instants : 1 2 3 4 ...

Résultats :Résultats :

X

Y

S

X$1

X

Y

Z

h3

¬h

hS

correction fonctionnelle :correction fonctionnelle :correction spatiale :correction spatiale :correction temporelle :correction temporelle :équité :équité :correction synchrone :correction synchrone :correction flots-de-données :correction flots-de-données :correction compositionnelle :correction compositionnelle : C’est dommage...C’est dommage...

• Préservation du formalisme Signal Préservation du formalisme Signal – intégration, récupérationintégration, récupération– validation (correction fonctionnelle)validation (correction fonctionnelle)

• modularitémodularité

MéthodologieMéthodologied’implémentatiod’implémentatio

nnparallèleparallèle

• compilationcompilation



PP (| C | Q |) (| C | Q |)

contrôlecontrôle calculcalcul

[Besnard 92][Besnard 92]

calculs du calculs du processeur 1processeur 1

calculs du calculs du processeur nprocesseur n

QQ (| Q (| Q11 | ... | Q | ... | Qnn |) |)

• répartition des donnéesrépartition des données

– au niveau du sourceau niveau du source• distribution qualitativedistribution qualitative• grâce aux pragmas de Signal V4grâce aux pragmas de Signal V4

– au niveau du grapheau niveau du graphe• distribution quantitativedistribution quantitative• nombreux algorithmes possiblesnombreux algorithmes possibles

process JEU =

topology "MASTER,cheyenne.irisa.fr"topology "PL_A, guernica.irisa.fr"topology "PL_B, megalo.irisa.fr"

run_on {a} "PL_A"run_on {b} "PL_B"

m:: (RES,SIG) := ARBITRE(SIG_A,SIG_B)a:: SIG_A := JOUEUR(SIG)b:: SIG_B := JOUEUR(SIG)

end



PP (| C | Q |) (| C | Q |)compilationcompilation

QQ (| Q (| Q11 | ... | Q | ... | Qnn |) |)répartition des donnéesrépartition des données

nœuds de nœuds de communicationcommunicationdu processeur ndu processeur n

nœuds denœuds decommunication communication du processeur 1du processeur 1

• communication des donnéescommunication des données




QQ (| Q (| Q11 | ... | Q | ... | Qnn |) |) | (| Qle| (| Qle11 | ... | Qle | ... | Qlenn |) |)

h1

hn

X

Y1

Yn


nœuds de nœuds de communicationcommunicationdu processeur ndu processeur n

nœuds denœuds decommunication communication du processeur 1du processeur 1

• communication des donnéescommunication des données




QQ (| Q (| Q11 | ... | Q | ... | Qnn |) |) | (| Qle| (| Qle11 | ... | Qle | ... | Qlenn |) |)

X

Y1

Yn

Xch1

hnhc


contrôle descontrôle descalcul ducalcul du

processeur nprocesseur n

contrôle descontrôle descalculs ducalculs du

processeur 1processeur 1

• répartition du contrôlerépartition du contrôle




CC (| C (| C11 | ... | C | ... | Cnn |) |)

QQ (| Q (| Q11 | ... | Q | ... | Qnn |) | (| Qle |) | (| Qle11 | … | Qle | … | Qlenn |) |)communication des donnéescommunication des données

[Aubry, Machard 96][Aubry, Machard 96]


• communication du contrôlecommunication du contrôle




CC (| C (| C11 | ... | C | ... | Cnn |) |) | (| Cle | (| Cle11 | ... | Cle | ... | Clenn |) |)


CC (| C (| C11 | ... | C | ... | Cnn |) |)répartition du contrôlerépartition du contrôle

communicationcommunicationdu contrôle dudu contrôle duprocesseur nprocesseur n

communicationcommunicationdu contrôle dudu contrôle duprocesseur 1processeur 1

h, horloge produite sur et utilisée sur ;

on communique b de vers .

une horloge ne peut être communiquée de manière asynchrone.

r, une horloge plus rapide ;b := h default not r


• extraction des programmesextraction des programmes distribués distribués






CC (| C (| C11 | ... | C | ... | Cnn |) | (| Cle |) | (| Cle11 | … | Cle | … | Clenn |) |)communication du contrôlecommunication du contrôle

PP (| P (| P11 | ... | P | ... | Pnn |) |)

PPii (| Q (| Qii | Qle | Qleii | C | Cii | Cle | Cleii | | AbsAbs( P ) |)( P ) |)

Un exemple :

A

B

X

Y

A

B

X

Y









PP (| P (| P11 | ... | P | ... | Pnn |) |)


Un exemple :

D EC

A

B

X

Y









PP (| P (| P11 | ... | P | ... | Pnn |) |)


Un exemple :

B

D EC

A X

YB

CE Y

D









PP (| P (| P11 | ... | P | ... | Pnn |) |)


Un exemple :

B

D EC

A X

YB

CE Y

D

A C

E

X

D







PPii (| Q (| Qii | Qle | Qleii | C | Cii | Cle | Cleii | | AbsAbs( P ) |)( P ) |)extraction des programmes distribuésextraction des programmes distribués


• Schéma d’exécutionSchéma d’exécution– dans chaque instantdans chaque instant– entre les instantsentre les instants

P P

Schéma d’exécution dans Schéma d’exécution dans l’instantl’instant

PP22

PP11 PP33

La mise en œuvre mono-processeur séquentielleLa mise en œuvre mono-processeur séquentielle

est impossible car non compositionnelle.est impossible car non compositionnelle.

Il faut mettre en œuvre les processus Il faut mettre en œuvre les processus PPii

sans introduire de cyclesans introduire de cycle..

Problème 1 :Problème 1 :


Théorème 1Théorème 1

la mise en œuvre sur chaque processeur doit être compositionnelle.

P2

PP11 P3







PP22

PP11 PP33







PP22

PP11 PP33

Les mises en œuvre compositionnelles sont très Les mises en œuvre compositionnelles sont très coûteuses (ordonnancement dynamique).coûteuses (ordonnancement dynamique).





Une solution : Une solution : les lignéesles lignées..


AA

BB

CC

21 nœuds, 34 arcs : 7 lignées, 12 arcs21 nœuds, 34 arcs : 7 lignées, 12 arcs

séquentiel

séquentiel

séquentiel

séquentiel

séquentiel

séquentiel

séquentiel

séquentiel

séquentiel

séquentiel

séquentiel

séquentiel

séquentiel

séquentiel

Théorème 2Théorème 2

l’ordonnancement total des lignéesn’affecte pas la compositionnalité.

PP22

PP11 PPnn

non synchronisénon synchronisé

Sur chaque processeur :

Initialiserrépéter

exécuter l’instant courant

Schéma d’exécution entre Schéma d’exécution entre instantsinstants

PP22

PP11 PPnn

t

non synchronisénon synchronisé


1

1

2

2

3

3

4

4

5

5 7 8 9 10 11 12 136

6POUBELLEPOUBELLE

PP22

PP11 PPnn

fortement synchroniséfortement synchronisé


Initialiserrépéter

exécuter l’instant courantsignaler la fin de l’instant courantattendre la fin de l’instant courant ailleurs


PP22

PP11 PPnn

t

synchronisation

fortement synchroniséfortement synchronisé


1

1

2

2

3

3

4

4OKOK

PP22

PP11 PPnn

faiblement synchroniséfaiblement synchronisé


Initialisern = 1répéter

exécuter l’instant nsignaler la fin de l’instant nattendre la fin de l’instant n-1 ailleursn = n+1


PP22

PPnn

t

faiblement synchroniséfaiblement synchroniséordre 1ordre 1


1

1 2

2

3

3

4

4

5

5

6

6

7

7

1OKOK

PP22

PPnn

t

faiblement synchroniséfaiblement synchroniséordre 2ordre 2


1

1 2

2

3

3

4

4 7

1

5

5

6

6 7 8OKOKMoniteurs d’interface plus complexesMoniteurs d’interface plus complexes

PP22

PP11 PPnn

t

problème :problème :la synchronisation faible n’est valable que pour une

petite classe de programmes.

pour les autres, il faut désynchroniser.

1 1

1

2

2

2 3

3

3


PP22

PP11 PPnn

t

1 1

1

2

2

2 3

3

3

1-désynchronisation1-désynchronisation

Sur chaque processeur, on autorise l’exécution simultanée de 2 instants logiques.


PP22

PP11 PPnn

t

1 1

1

2

2

2 3

3

3



4 4

4

2

5

5


OKOK

PP22

PP11 PPnn

t

1 1

1

2

2

2 3

3

3



4 4

4

2

5

5


PP22

PP11 PPnn

t

1 1

1

2

2

2 3

3

3



4 4

4

5

5

5 6

6

67


moniteurs d’interface plus complexesmoniteurs d’interface plus complexesordonnanceurs dynamiques plus complexesordonnanceurs dynamiques plus complexes

plus de mémoire nécessaireplus de mémoire nécessaire







PPii (| Q (| Qii | Qle | Qleii | C | Cii | Cle | Cleii | | AbsAbs( P ) |)( P ) |)extraction des programmes distribuésextraction des programmes distribués

synchronisation, désynchronisationsynchronisation, désynchronisation

application d’un schéma d’exécutionapplication d’un schéma d’exécution

répartition des données répartition des données

répartition du contrôlerépartition du contrôle

générique générique

génériquegénérique

synchronisation, désynchronisationsynchronisation, désynchronisation

application d’un schéma d’exécutionapplication d’un schéma d’exécution


BUILD_PROG

(compilation)

LOAD_PROG

(lancement)

pour chaque processeur pour chaque processeur : :

PROG_P_comm.c

communication

PROG_P_io.c

entréessorties

PROG_P_main.c

principal

PROG_P_body.c

itération

Signal

Mise en œuvre Mise en œuvre ::

prototypeprototype

PROG.SIG

source+

directives

MODULES

MODULES

GÉNÉRATEUR

GÉNÉRATEUR

LANCEUR

LANCEUR

Mise en œuvre Mise en œuvre ::

Extracteur

extracteurextracteur

P_STATE.SIG

état

P_DF.SIG

flots-de-données

P_BOOL.SIG

contrôle

P_NUM.SIG

calculs

P_CL_n .SIG

lignée n

P_CL_n-1.SIG

lignée n-1

P_CL_.SIG

lignée ...

P_CL_2 .SIG

lignée 2

P_CL_1 .SIG

lignée 1

PROG_n .SIG

programme n

PROG_n-1.SIG

programme n-1

PROG_.SIG

programme ...

PROG_2 .SIG

programme 2

PROC_1 .SIG

programme 1

PROG.SIG

quelconque

DISTRIB

UTION

DISTRIB

UTION

PARTITIO

NNEMENT

PARTITIO

NNEMENT

AUTOMATES

AUTOMATES

VÉRIFIC

ATION

VÉRIFIC

ATION

[Aubry, Machard 96][Aubry, Machard 96]

ConclusionConclusion

• Modèle mathématiqueModèle mathématique– dynamique (dynamique ( instantané) instantané)– corrélation avec l’existantcorrélation avec l’existant


• Modèle mathématiqueModèle mathématique

• MéthodologieMéthodologie– complète (du source au exécutifs)complète (du source au exécutifs)– modulairemodulaire




• MéthodologieMéthodologie

• Outils nouveauxOutils nouveaux– prototype de distributionprototype de distribution– extracteur de grapheextracteur de graphe– intégrés dans l’environnement Signalintégrés dans l’environnement Signal





• Outils nouveauxOutils nouveaux

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