Contribution à la robustesse des systèmes temps reel embarques multicœur automobile

223 Pages·2016·2.17 MB·French

by  Sylvain Cotard

Contribution `a la robustesse des syst`emes temps reel
embarques multicœur automobile
Sylvain Cotard
To cite this version:
Sylvain Cotard. Contribution a` la robustesse des syst`emes temps reel embarques multicœur
automobile. Syst`emes embarqu´es. Universit´e de Nantes, 2013. Fran¸cais. <tel-00936548>
HAL Id: tel-00936548
https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00936548
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Thèse de Doctorat
Sylvain C
OTARD
Mémoire présenté en vue de l’obtention du
gradedeDocteurdel’Université de Nantes
Label européen
sous le label de l’Université de Nantes Angers Le Mans
Écoledoctorale:Sciencesettechnologiesdel’information,etmathématiques
Discipline:Informatique,automatiqueettraitementdusignal
Unitéderecherche:InstitutdeRechercheenCommunicationsetCybernétiquedeNantes(IRCCyN)
Soutenuele12décembre2013
Thèsen°:ED503-208
Contribution à la robustesse des systèmes
temps réel embarqués multicœur automobile
JURY
Rapporteurs: M.Jean-Charles FABRE,Professeur,INPdeToulouse,France
M.LuisMiguel PINHO,Professeur,PolitécnicodoPorto,Portugal
Examinateurs: Mme Isabelle PUAUT,Professeur,UniversitédeRennes,France
Mme Audrey QUEUDET,Maîtredeconférences,UniversitédeNantes,France
M.Jean-Luc BÉCHENNEC,Chargéderecherche,CNRS,France
M.Sébastien FAUCOU,Maîtredeconférences,UniversitédeNantes,France
M.Gaël THOMAS,Maîtredeconférences(HDR),UniversitéPierreetMarieCurie,France
Invités: M.Rémy BRUGNON,Ingénieurlogiciel,RenaultGuyancourt,France
M.Sébastien LE NOURS,Maîtredeconférence,UniversitédeNantes,France
Directeurdethèse: M.Yvon TRINQUET,Professeur,UniversitédeNantes,France

i
À ma famille, À Julie, À mes amis
ii
Remerciements
JetiensenpremierlieuàremercierFrédériquePasquier,RenéAubréeetDamienGrolleau,
membres du laboratoire Génie Electrique et Automatique de l’ICAM de Nantes, pour m’avoir
conseillé et soutenu dans mon choix de poursuite d’études.
Jeremerciemondirecteurdethèse,M.YvonTrinquet,pourm’avoirfaitconfianceetdonné
l’opportunitéd’effectuermondoctoratdansl’équipeSystème Temps Réel del’IRCCyN.Jere-
merciel’ensembledesmembrespermanentsetj’exprimemaplusfortegratitudeàmonéquipe
encadrante, Yvon Trinquet, Sébastien Faucou, Audrey Queudet et Jean-Luc Béchennec, pour
leurdisponibilité,pourm’avoirsoutenu,guidéetconseillétoutaulongdudéroulementdemes
travaux. Leurs qualités humaines et leurs compétences scientifiques m’ont permis d’acquérir
les aptitudes essentielles pour mener à bien mon projet de thèse.
Je remercie M. Philippe Quéré, chef de l’équipe Logiciel Embarqué Temps Réel chez Re-
nault, pour m’avoir accueilli dans son équipe, et M. Rémy Brugnon pour m’avoir encadré
durant ces trois ans. Leurs expériences et leurs expertises ont été essentielles pour le bon dé-
roulement de mes travaux.
J’exprime ma profonde gratitude à Mme Isabelle Puault, maître de conférence à l’IRISA
de Rennes pour m’avoir fait l’honneur de présider mon jury de thèse. Je remercie également
M. Jean-Charles Fabre, professeur à l’INP de Toulouse, et M. Luis Miguel Pinho, professeur
à l’institut polytechnique de Porto, pour avoir rapporté mon manuscrit de thèse. Enfin, je
remercie également
– M. Gaël Thomas, maître de conférence (HDR) à l’université de Pierre et Marie Curie;
– Mme Audrey Queudet, maître de conférence à l’université de Nantes;
– M. Jean-Luc Béchennec, chargé de recherche CNRS;
– M. Sébastien Faucou, maître de conférence à l’université de Nantes;
– M. Yvon Trinquet, professeur à l’université de Nantes;
– M. Sébastien Le Nours, maître de conférence à l’université de Nantes;
– M. Rémy Brugnon, ingénieur logiciel chez Renault.
pour avoir accepté de participer à mon jury de thèse.
Une pensée particulière est dédiée à l’équipe Logiciel Embarqué Temps Réel de Renault, à
iii
iv
savoir Joris, Patrick, Pascal, Régis, Youssef, Rémy et Philippe. Leurs compétences techniques
et leurs retours constructifs ont facilité le passage de concepts théoriques dans un contexte
industriel concret et réaliste. Leur bonne humeur permanente a également permis de faciliter
mon intégration dans l’équipe.
Mesannéesdethèsesesontdérouléesdansuneambiancetrèsagréable.Sanslescitertous,
j’associe à mes remerciements l’ensemble des doctorants qui m’ont supporté durant ces trois
ans.Enparticulier,ungrandmerciàJonathan,Maissa,Nadine,Aleksandra,Céline,Charbel,
Denis, Thomas, Dominique, Inès, Saab, Lauriane, Julien, Adrien, Thomas, Antoine, Hélène,
Ivan, .... Que ceux que je n’ai pas mentionnés me pardonnent.
Enfin,puisquel’environnementfamilialaété,est,etseratoujoursessentieldanslaréussite
de mes projets, je pense très fort à mes parents, mon frère Nicolas et mon amie Julie. Les
encouragements et le soutien dont ils ont fait preuve au quotidien ont énormément contribué
à l’accomplissement de mon travail.
Table des matières
Introduction générale
1
Partie I — Introduction................................................... 5
Chapitre 1 — Contexte industriel automobile........................... 7
1.1 La mécatronique dans l’automobile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.1.1 Définition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.1.2 L’architecture électrique/électronique (E/E) . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.1.3 De l’architecture fédérée à l’architecture intégrée . . . . . . . . . . . . 10
1.2 Processus de développement d’une architecture E/E . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2.1 L’ingénierie système . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2.2 Le cycle de développement en V . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.2.3 La sûreté de fonctionnement (SdF) logicielle . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3 Contexte «normatif» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.3.1 Vers la nécessité de standardiser et normaliser . . . . . . . . . . . . . . 15
1.3.2 AUTOSAR : le standard pour l’architecture logicielle . . . . . . . . . . 15
1.3.3 De la CEI 61508 à l’ISO 26262, la norme de référence pour la sûreté de
fonctionnement automobile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.4 Tendances de développement des systèmes E/E . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.4.1 Accroissement des besoins en ressources CPUs . . . . . . . . . . . . . . 20
1.4.2 Limitations de l’évolution des architectures monocœur . . . . . . . . . 21
1.4.3 L’étude des architectures multicœur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.4.4 Conclusions sur les besoins industriels . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
Chapitre 2 — Contexte scientifique........................................ 23
2.1 Taxonomie des architectures matérielles multicœur . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.1.1 Les architectures homogènes, uniformes et hétérogènes . . . . . . . . . 24
2.1.2 Un exemple d’architecture : le Leopard MPC 5643L . . . . . . . . . . 24
2.2 Complexité des systèmes temps réel multicœur . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2.1 Ordonnancement temps réel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2.2 Partage des ressources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
v
vi TABLE DES MATIÈRES
2.3 Modèle de fautes pour les systèmes temps réel multicœur . . . . . . . . . . . . 33
2.3.1 Activation des fautes liées aux accès à la mémoire commune . . . . . . 33
2.3.2 Activationdesfautesliéesàlanon-maîtrisedel’ordonnancementmulti-
cœur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.4 Vers la tolérance aux fautes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.4.1 Généralités sur la tolérance aux fautes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.4.2 Taxonomie des mécanismes logiciels pour la tolérance aux fautes . . . 36
Chapitre 3 — Contributions de la thèse................................... 39
3.1 Hypothèses et problématique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.1.1 Architectures ciblées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.1.2 Modèle de fautes considéré . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.1.3 Problématique et approche suivie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.2 Vérification en-ligne de propriétés intertâches . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.3 Synchronisation non bloquante pour le partage de données . . . . . . . . . . . 43
Partie II — Vérification en-ligne de propriétés inter-tâches
45
Chapitre 4 — Introduction à la vérification en ligne.................... 47
4.1 Vers la vérification en ligne des systèmes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.1.1 Le problème de la vérification des systèmes . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.1.2 Positionnement de la vérification en ligne . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.2 Architecture d’un mécanisme de vérification en ligne . . . . . . . . . . . . . . 52
4.3 État de l’art des mécanismes pour la vérification en ligne . . . . . . . . . . . . 53
4.3.1 Classification des mécanismes pour la vérification en ligne . . . . . . . 53
4.3.2 Mécanismeslogicielspourlavérificationenlignebaséssurdespropriétés
écrites en LTL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.3.3 Mécanismes logiciels pour la vérification en ligne basés sur l’utilisation
de langages dédiés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.4 Périmètre de l’étude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.4.1 Objectifs et contraintes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.4.2 Approche suivie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
Chapitre 5 — Synthèse de moniteurs à partir d’une formule LTL.... 61
5.1 Fondements théoriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.1.1 Alphabets, mots et langages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.1.2 Définitions de base sur les automates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.1.3 La logique temporelle LTL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
5.2 Processus de génération d’un moniteur à partir d’une formule LTL . . . . . . . 66
5.2.1 Classification des propriétés LTL pour la vérification en ligne . . . . . . 66
5.2.2 Génération d’un moniteur à partir d’une propriété exprimée en LTL . . 67
5.2.3 Applicabilité de la solution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
5.2.4 Illustrationdelasynthèsedumoniteurd’uneformuleLTLparunexemple 71
TABLE DES MATIÈRES vii
5.3 Synthèse du moniteur final . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.3.1 Topologie du moniteur final . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.3.2 Synthèse du moniteur final sous la forme d’une table de transitions . . 73
5.3.3 Synthèse finale d’un moniteur sur un exemple . . . . . . . . . . . . . . 74
Chapitre 6 — Implémentation et évaluation ............................. 77
6.1 Comportement en ligne du service de vérification . . . . . . . . . . . . . . . . 78
6.2 Synthèse des moniteurs avec Enforcer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
6.2.1 Schéma de principe du fonctionnement d’Enforcer . . . . . . . . . . . . 79
6.2.2 Chaîne de compilation d’Enforcer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
6.3 Intégration du mécanisme de vérification en ligne dans le RTOS Trampoline . 83
6.3.1 Principe de l’intégration dans le noyau de Trampoline . . . . . . . . . . 83
6.3.2 Extension du langage OIL pour Enforcer . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
6.4 Évaluation des surcoûts mémoire et temporel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
6.4.1 Évaluation et minimisation de l’empreinte mémoire des moniteurs . . . 85
6.4.2 Évaluation et minimisation du surcoût temporel . . . . . . . . . . . . . 90
Chapitre 7 — Étude de cas.................................................. 95
7.1 Le projet PROTOSAR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
7.1.1 Contexte du projet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
7.1.2 Objectifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
7.2 Détails sur la topologie de l’architecture de PROTOSAR . . . . . . . . . . . . 97
7.3 Écriture des exigences pour PROTOSAR, dans la phase de développement,
pour le calculateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
7.3.1 Exigences sur les productions et consommations de données . . . . . . 99
7.3.2 Exigences sur la propagation des données . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
7.3.3 Exigences sur la cohérence des données . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
7.3.4 Nombre de moniteurs à synthétiser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
7.4 Évaluation du coût associé à la synthèse hors-ligne des moniteurs . . . . . . . 102
7.4.1 Taille des tables de transitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
7.4.2 Taille des descripteurs de moniteurs et du code . . . . . . . . . . . . . 103
7.4.3 Taille du gestionnaire d’évènements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
7.4.4 Taille des tables d’évènements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
7.5 Bilan et améliorations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
7.5.1 Composition des moniteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
7.5.2 Hypothèses liées à l’implémentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
7.5.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
Chapitre 8 — Discussion.....................................................107