Mthodes de simulation logicielle pour Esterel

1
Méthodes de simulation logicielle pour Esterel

• Dumitru Potop-Butucaru

2
Sommaire

• Généralités
• Le simulateur Esterel v3 et le format LC
• Lapproche CNET
• Le compilateur Synopsis
• Une nouvelle approche (la mienne)

3
Historique

• 1984 L. Cosserat, first SOS rules, simulateur
  v2
• 1988 G. Gonthier, better SOS rules, state
  encoding, simulateur v3, format LC
• 1991 G. Berry, compilation en circuits
• 1995 sémantique constructive
• 1999 Le compilateur Synopsys
  méthodes classiques de compilation (S. Edwards)
• 1999 Le compilateur CNET simplification
  statique de la sémantique v3 (V. Bertin, E.
  Closse, D. Weil, etc.)
• 2002 J. Potop combinaison de techniques en
  circuits et de méthodes classiques de compilation

4
Généralités

• Langages séquentiels traditionnels(e.g. C)
• flot dexécution, compteur de programme
• Parallélisme et synchronisation
• plusieurs threads dexécution
• points dattente, ordonnancement
• Synchronie
• réaction à labsence (décision de déblocage par
  analyse du code pas encore exécuté)

5
Généralités

• Parallélisme et synchronisation
• ordonnancement
• dynamique
• statique
• notion de programme acyclique
• limite la classe de programmes corrects
• Synchronie
• comment décider labsence dun signal?
• dynamiquement fonctions de potentiel appelées a
  lexécution
• statiquement acyclicité gt pas besoin de
  fonctions de potentiel

6
Généralités

• Sémantique dEsterel
• règles SOS
• fonctions de potentiel pour déterminer labsence
  dun signal
• Versions
• v3 fonctions de potentiel simples
• v5 sémantique naturelle en circuits,
  propagation dinformations dans du code
  pas encore exécuté

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Solutions implémentées

• Simulateur Esterel v3
• ordonnancement dynamique, avec files
• fonctions de potentiel
• Nouvelles approches
• ordonnancement statique
• code acyclique
• réincarnation
• pas de calculs dynamiques de potentiels

8
Le simulateur Esterel v3

• Ordonnancement dynamique utilisant 2 files
• file de threads bloqués attendent la
  stabilisation dun signal
• file de threads non-bloqués qui attendent dêtre
  exécutés
• quand la file dexécution est vide on appelle des
  fonctions de potentiel qui débloquent des threads.

9
Le simulateur Esterel v3

• Format intermédiaire pour accélérer la
  simulation IC/LC
• ICintermediate code
• LCfully linked IC

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Le format IC syntaxe

• Elements de structure
• les points darrêt
• la hiérarchisation des points darrêt (arbre de
  reconstruction)
• Le graphe de flot de contrôle, greffé sur larbre
  de reconstruction

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Le format IC exemple 1
module ex input S output O abort pause
emit O pause when S end module
RETURN
start
WATCH DOG
S
T
F
0 Return 0 1 Pause (2) lt4gt 1 2 Emit 1
(3) 3 Pause (0) lt4gt 2 4 Watchdog 5 lt0gt 5
Present 0 (0,4)
O
PAUSE
PAUSE
12
Le format IC exemple 2
module ex2 output O1,O2,O3 signal S in emit
O1 present S then emit O2 end pause
emit S pause end signal emit O3 end module
13
Le format IC exemple 3
RETURN
start
module ex3 output O loop trap T in
pause exit T loop
emit O pause end loop end
trap end loop end module
PARALLEL
FORK
T
O
PAUSE
PAUSE
14
Le format IC exemple 4
start
RETURN
module ex4 output O loop signal S in
present S then emit O end pause emit
S end signal end loop end module
reset S
S
F
T
O
S
PAUSE
15
Le compilateur CNET

• Identifie les points dattente ou des threads
  peuvent être bloqués (instructions pause et
  tests).
• Ordonne statiquement les points dattente
• Exécution parcours de la liste des points
  dattente
• Problème caractériser les programmes acceptés
  par le compilateur

16
CNET format intermediaire specifique
module ex input S abort pause emit O
pause when S end module
17
CNET format intermediaire specifique
ROOT
PauseOn
PauseOn
PauseOff
?S
-PauseOn
off
off
PauseOn
on
nothing
nothing
emit O
18
CNET ordonnancement statique
ROOT
PauseOn
ROOT
PauseOn
PauseOff
PauseOn
PauseOn
PauseOff
?S
-PauseOn
?S
-PauseOn
off
on
nothing
off
off
emit O
off
PauseOn
PauseOn
on
nothing
nothing
nothing
emit O
19
CNET interleaving encodage de parallel
module ex2 output O1,O2,O3 signal S in emit
O1 present S then emit O2 end pause
emit S pause end signal emit O3 end module
20
CNET interleaving encodage de parallel
ROOT
emit O3
on
on
count2
count0
on
on
on
on
emit O1
emit S
on
POn
count--
count--
?S
on
on
on
-POn
emit O2
POn
nothing
nothing
21
CNET interleaving encodage de parallel
emit O1
ROOT
emit O3
on
on
on
on
on
on
ROOT
count2
count2
count0
emit S
POn
on
on
on
on
on
emit O1
emit S
?S
emit O2
on
-POn
POn
POn
count--
count--
?S
on
nothing
count--
on
on
on
-POn
on
on
emit O2
nothing
count--
POn
on
on
nothing
nothing
count0
emit O3
22
CNET réincarnation
module ex3 output O loop trap T in
pause exit T loop
emit O pause end loop end
trap end loop end module
RETURN
start
PARALLEL
FORK
T
O
PAUSE
PAUSE
23
CNET réincarnation
ROOT
RETURN
start
on
on
exit0
exit2
on
on
PARALLEL
FORK
exit2
emit O
POn
T
on
POn
O
nothing
nothing
on
PAUSE
PAUSE
24
CNET réincarnation
ROOT
RETURN
start
on
on
exit0
exit2
on
on
PARALLEL
FORK
exit2
emit O
POn
T
on
POn
O
nothing
nothing
on
PAUSE
PAUSE
25
CNET réincarnation
ROOT
ROOT
on
on
on
on
exit0
exit2
exit0
exit2
on
on
on
on
exit2
emit O
POn
exit2
emit O
POn
POn
on
POn
nothing
nothing
on
nothing
nothing
on
on
POn
emit O
26
CNET réincarnation
ROOT
on
ROOT
on
on
exit0
exit2
on
nothing
exit2
on
on
POn
on
on
nothing
exit2
emit O
POn
emit O
POn
on
exit2
POn
POn
nothing
nothing
on
exit0
emit O
on
on
POn
emit O
27
CNET signal local
module ex4 output O loop signal S in
present S then emit O end pause emit
S end signal end loop end module
28
CNET signal local
ROOT
on
reset S
on
?S
-POn
on
emit O
on
POn
nothing
on
emit S
29
CNET signal local
ROOT
ROOT
on
on
reset S
on
nothing
emit S
on
on
?S
-POn
on
reset S
emit O
POn
on
on
POn
-POn
nothing
?S
emit O
on
on
emit S
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Le compilateur CNET

• Optimisations du graphe effacement darcs et de
  nuds
• Encodage détat pas optimisé par rapport a LC
  en général très redondant
• Parcours linéaire des points dattente a chaque
  instant
• Réencodage bas-niveau des traps qui restreint la
  classe de programmes représentables

31
Le compilateur Synopsys

• Exploite la hiérarchie du programme avec des
  algorithmes dordonnancement statique classiques
• Génère un code bien structuré basé sur de la
  propagation de contrôle structures de données
  distribuées localement dans le corps du
  programme.
• Représentation intermédiaire hiérarchique graphe
  de flot de contrôle concurrent (CCFG), avec
  encodage détat implicite
• Problème caractériser les programmes acceptés
  par le compilateur

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Le compilateur Synopsys

• Thread composante séquentielle a un niveau
  donne du CCFG
• Chaque thread a 2 entrées de contrôle (start et
  resume) et une sortie de contrôle
• Chaque thread a une variable qui définit létat
  local courant et une variable dans laquelle on
  calcule létat pour linstant suivant

33
Le compilateur Synopsys

• Exemple 1- un seul thread

start
resume
inactive
T
S
P1
P1
P2
O
0
P2
34
Le compilateur Synopsys

• Exemple 1- Greedy scheduling

start
resume
state_nextinactive if(start) state_nextP1
if(resume) if(state!0) if(!S)
switch(state) case P1
O1 state_next P2
break case P2 break
inactive
T
S
P1
P1
P2
O
0
P2
35
Le compilateur Synopsys

• Exemple 2- parallélisme, 3 threads

O1
S
F
S
0
0
O2
P2
P1
0
1
O3
36
Le compilateur Synopsys

• Exemple 2- Ordonnancement Greedy après édition de
  liens

O1
S
F
S
0
0
O2
P2
P1
0
1
O3
37
Le compilateur Synopsys

• Exemple 3 (réincarnation)

RETURN
module ex3 output O loop trap T in
pause exit T loop
emit O pause end loop end
trap end loop end module
start
PARALLEL
FORK
T
O
PAUSE
PAUSE
38
Le compilateur Synopsys

• Exemple 3 (réincarnation)

RETURN
start
PARALLEL
FORK
P1
2
O
T
O
P2
PAUSE
PAUSE
2
1
39
Le compilateur Synopsys

• Exemple 3 (réincarnation)

P1
2
O
P2
P1
2
O
2
P2
1
O
P1
2
P2
1
40
Le compilateur Synopsys

• Encodage performant (état et contrôle)
• Structure figée, optimisations difficiles

41
Nouvelle technique

• Nouveau format intermédiaire GRC
• proche du circuit pour la modélisation du flot de
  contrôle (sémantique constructive)
• optimisations a ce niveau (similaire au
  compilateur CNET)
• proche du compilateur Synopsys pour la
  représentation de létat
• Traduction GRC-C mixte planification
  statique/simulation constructive

42
Le format GRC LC simplifié

• Représentation de létat
• arbre de sélection LC, séparé du flot de contrôle
• Flot de contrôle
• expansion des nuds LC en opérations instantanées
  (fork, test, switch, synchronize, appel daction)
• sémantique constructive
• réincarnation

43
Le format GRC

• Arbre de sélection

0
ROOT
start

1
2
boot

WATCH DOG
3
4
S
T
F
O
PAUSE
PAUSE
44
Le format GRC

• Flot de contrôle

exit 1
enter 2
enter 3
1
exit 2
exit 0
(0)
T
S
exit 4
2
4
F
(2)
3
exit 3
emit O
enter 4
45
Génération de code

• Encodage détat hiérarchique, bitwise

bit 0 vie du programme (0gtprogramme
terminé) bit 1 choix entre premier instant(0) et
les autres(1), si bit01 bit 2 choix
entre les instructions pause, si bit11

0
1
boot

0
1
state110 gt programme actif,
pas premier instant,
première pause active state100 gt état
initial, premier instant
dexécution
46
Génération de code

• Encodage détat (exemple fictif)

bit 0 vie du programme (0gtprogramme
terminé) bit 1 choix entre premier instant(0) et
les autres(1), si bit01 bit 2 et 3
choix entre les instructions pause, si bit11

0
1
boot

00
10
01
state1101 gt programme actif,
pas premier instant,
deuxième pause active state1000 gt état
initial, premier instant
dexécution
47
Génération de code

• Encodage détat, conséquences

state110
exit 1
enter 2
enter 3
0
1
bit1
state000
T
exit 2
exit 0
(0)
T
S
S
exit 4
1
1
2
4
F
bit2
F
(2)
0
3
state111
emit O
exit 3
enter 4
emit O
48
Génération de code

• Ordonnancement

if(state010b) bool auxfalse if(S)
auxtrue else if(state001b)
auxtrue else
O_emit() state111b
if(aux) state000b else
state110b
state110
0
bit1
state000
T
S
1
1
F
bit2
0
state111
emit O
49
Second exemple
0

1
2
boot

3
4
50
Second exemple
0

1
2
boot

3
4
51
Le format GRC

• Sémantique des nuds circuits constructifs
• Traitement de programmes cycliques causaux par
  simulation constructive du circuit correspondant
  au cycle

F
GO
F
present(S)
GO
T
S
S
T
52
Le format GRC

• Types de nuds

K00
(n)

Tick
Ki0
INACTIVE0
K0
Sync


Ki
K0n

GO
routine
Kin
Call
INACTIVEn
F
expr
n1
Test
GO
n2
(n)
Switch

nk
SIG
T
53
Le format GRC

• Optimisations effacement darcs et de nuds
• constructive sweep
• analyse statique sur la representation de letat
• Encodage performant détat et du contrôle

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Implémentation

• Déjà fait
• génération et optimisations de spécifications GRC
• générateur de code C pour spécifications
  acycliques très simples
• En chantier
• Nouvelles optimisations du format intermédiaire
• Un meilleur générateur de code en cas acyclique
• Lextension par simulation constructive aux
  spécifications cycliques