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Une approche à base de composants logiciels pour l'observation de systèmes embarqués, A Component-based Observation Approach for MPSoC Observation

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Description

Sous la direction de Jean-françois Mehaut
Thèse soutenue le 24 juin 2011: Grenoble
À l'heure actuelle, les dispositifs embarqués regroupent une grande variété d'applications, ayant des fonctionnalités complexes et demandant une puissance de calcul de plus en plus importante. Ils évoluent actuellement de systèmes multiprocesseur sur puce vers des architectures many-core et posent de nouveaux défis au développement de logiciel embarqué. En effet, Il a classiquement été guidé par les performances et donc par les besoins spécifiques des plates-formes. Or, cette approche s'avère trop couteuse avec les nouvelles architectures matérielles et leurs évolutions rapprochées. Actuellement, il n'y a pas un consensus sur les environnements à utiliser pour programmer les nouvelles architectures embarquées. Afin de permettre une programmation plus rapide du logiciel embarqué, la chaîne de développement a besoin d'outils pour la mise au point des applications. Cette mise au point s'appuie sur des techniques d'observation, qui consistent à recueillir des informations sur le comportement du système embarqué pendant l'exécution. Les techniques d'observation actuelles ne supportent qu'un nombre limité de processeurs et sont fortement dépendantes des caractéristiques matérielles. Dans cette thèse, nous proposons EMBera~: une approche à base de composants pour l'observation de systèmes multiprocesseurs sur puce. EMBera vise la généricité, la portabilité, l'observation d'un grand nombre d'éléments, ainsi que le contrôle de l'intrusion. La généricité est obtenue par l'encapsulation de fonctionnalités spécifiques et l'exportation d'interfaces génériques d'observation. La portabilité est possible grâce à des composants qui, d'une part, ciblent des traitements communs aux MPSoCs, et d'autre part, permettent d'être adaptés aux spécificités des plates-formes. Le passage à l'échelle est réussi en permettant une observation partielle d'un système en se concentrant uniquement sur les éléments d'intérêt~: les modules applicatifs, les composants matériels ou les différents niveaux de la pile logicielle. Le contrôle de l'intrusion est facilité par la possibilité de configurer le type et le niveau de détail des mécanismes de collecte de données. L'approche est validée par le biais de différentes études de cas qui utilisent plusieurs configurations matérielles et logicielles. Nous montrons que cette approche offre une vraie valeur ajoutée dans le support du développement de logiciels embarqués.
-Observation de systèmes sur puce
-Systèmes embarqués
-Observation à base de composants
-Traçage d'événements
-Mise au point d'applications embarquées
Embedded software development faces new challenges as embedded devices evolve from Multiprocessor Systems on Chip (MPSoC) with heterogeneous CPU towards many-core architectures. The classical approach of optimizing embedded software in a platform-specific way is no longer applicable as it is too costly. Moreover, there is no consensus on the programming environments to be used for the new and rapidly changing embedded architectures. MPSoC software development needs debugging tools. These tools are based on observation techniques whose role is to gather information about the embedded system execution. Current techniques support only a limited number of processors and are highly dependent on hardware characteristics. In this thesis, we propose EMBera, a component-based approach to MPSoC observation. EMBera aims at providing genericity, portability, scalability and intrusion control. Genericity is obtained by encapsulating specific embedded features and exporting generic observation interfaces. Portability is achieved through components targeting common treatments for MPSoCs but allowing specialization. Scalability is achieved by observing only the elements of interest from the system, namely application modules, hardware components or the different levels of the software stack. Intrusion control is facilitated by the possibility to configure the type and the level of detail of data collection mechanisms. The EMBera approach is validated by different case studies using different hardware and software configurations. We show that our approach provides a real added value in supporting the embedded software development.
-MPSoC Observation
-Embedded systems
-Component based observation
-Event tracing
-Embedded application debugging
Source: http://www.theses.fr/2011GRENM029/document

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Nombre de lectures 28
Langue Français
Poids de l'ouvrage 4 Mo

Exrait

THÈSE
Pour obtenir le grade de
DOCTEURDEL’UNIVERSITÉDEGRENOBLE
Spécialité :Informatique
Arrêté ministérial : 7 août 2006
Présentée par
CarlosHernánPradaRojas
Thèse dirigée parJean-FrançoisMéhaut
et codirigée par Vania Marangozova-Martin et Miguel Santana
préparée au sein du Laboratoired’InformatiquedeGrenoble
et de l’École Doctorale Mathématiques, Sciences et Technologiesde
l’Information, Informatique
Une approche à base de composants logiciels
pourl’observationdesystèmesembarqués
Thèse soutenue publiquement le XXjuin2011,
devant le jury composé de :
Mr,XX
XX, Président
Mr,PierreBoulet
Professeur à l’Université Lille 1, Rapporteur
Mr,ChristianPerez
Chercheur à l’INRIA Rhône-Alpes, Rapporteur
Mr,XX
XX, Examinateur
Mr,XX
XX, Examinateur
Mr,Jean-FrançoisMéhaut
Professeur à l’Université Joseph Fourier, Directeur de thèse
Mme,VaniaMarangozova-Martin
Maître de conférences à l’Université Joseph Fourier, Co-Directrice de thèse
Mr,MiguelSantana
Directeur du centre IDTEC à STMicroelectronics, Co-Directeur de thèse
tel-00621143, version 1 - 9 Sep 2011tel-00621143, version 1 - 9 Sep 2011Résumé
Àl’heureactuele,lesdispositifsembarquésregroupentune grande variété d’appli-
cations, ayant des fonctionnalités complexes et demandant une puissance de calcul de
plus en plus importante. Ils évoluent actuellement de systèmes multiprocesseur sur puce
vers des architectures many-core et posent de nouveaux défis au développement de logi-
ciel embarqué. En e!et, Il a classiquement été guidé par les performances et donc par
les besoins spécifiques des plates-formes. Or, cette approche s’avère trop couteuse avec
les nouvelles architectures matérielles et leurs évolutions rapprochées. Actuellement, il
n’y a pas un consensus sur les environnements à utiliser pour programmer les nouvelles
architectures embarquées.
Afin de permettre une programmation plus rapide du logiciel embarqué, la chaîne
de développement a besoin d’outils pour la mise au point des applications. Cette mise
au point s’appuie sur des techniques d’observation, qui consistent à recueillir des infor-
mations sur le comportement du système embarqué pendant l’exécution. Les techniques
d’observation actuelles ne supportent qu’un nombre limité de processeurs et sont forte-
ment dépendantes des caractéristiques matérielles.
Dans cette thèse, nous proposons EMBera : une approche à base decomposantspour
l’observation de systèmes multiprocesseurs sur puce. EMBeraviselagénéricité,laporta-
bilité, l’observation d’un grand nombre d’éléments, ainsi quelecontrôle del’intrusion. La
généricité est obtenue par l’encapsulation de fonctionnalités spécifiques et l’exportation
d’interfaces génériques d’observation. La portabilité estpossiblegrâceàdescomposants
qui, d’une part, ciblent des traitements communs aux MPSoCs,etd’autrepart,per-
mettent d’être adaptés aux spécificités des plates-formes. Le passage à l’échelle est réussi
en permettant une observation partielle d’un système en se concentrant uniquement sur
les éléments d’intérêt : les modules applicatifs, les composants matériels ou les di!érents
niveauxdelapilelogicielle.Lecontrôle del’intrusionestfacilitéparlapossibilitédeconfi-
gurer le type et le niveau de détail des mécanismes de collectededonnées.L’approche
est validée par le biais de di!érentes études de cas qui utilisent plusieurs configurations
matérielles etlogicielles. Nousmontrons quecette approche o!reunevraievaleurajoutée
dans le support du développement de logiciels embarqués.
Mots-clés :Observation,composantlogiciels,systèmessurpuce
tel-00621143, version 1 - 9 Sep 2011tel-00621143, version 1 - 9 Sep 2011Abstract
Embedded software development faces new challenges as embedded devices evolve
fromMultiprocessorSystemsonChip(MPSoC)withheterogeneousCPUtowardsmany-
core architectures. Theclassicalapproach ofoptimizing embedded software inaplatform-
specific way is no longer applicable as it is too costly. Moreover, there is no consensus on
the programming environments to be used for the new and rapidly changing embedded
architectures.
MPSoC software development needs debugging tools. These tools are based on obser-
vation techniques whose role is to gather information about the embedded system exe-
cution. Current techniques support only a limited number of processors and are highly
dependent on hardware characteristics.
In this thesis, we propose EMBera, a component-based approachtoMPSoCobserva-
tion. EMBera aims at providing genericity, portability, scalability and intrusion control.
Genericity is obtained by encapsulating specific embedded features and exporting gene-
ric observation interfaces. Portability is achieved through components targeting common
treatments for MPSoCs but allowing specialization. Scalability is achieved by observing
only the elements of interest from the system, namely application modules, hardware
components or the di!erent levels of the software stack. Intrusion control is facilitated by
the possibility to configure the type and the level of detail ofdatacolectionmechanisms.
The EMBera approach is validated by di!erent case studies using di!erent hardware
and software configurations. We show that our approach provides a real added value in
supporting the embedded software development.
Keywords :Observation,softwarecomponents,embeddedsystems
tel-00621143, version 1 - 9 Sep 2011tel-00621143, version 1 - 9 Sep 2011Table des matières
1Introduction 11
IÉtatdel’art 15
2L’observationdessystèmesinformatiques 17
2.1 Pourquoi observer? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2 Comment observer? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.1 La sélection d’entités à observer . . . . . . . . . . . . . . . . ....18
2.2.2 La préparation de la cible à observer . . . . . . . . . . . . . . ...18
2.2.3 La collecte de données brutes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.4 Le pré-traitement des données générées . . . . . . . . . . . .....20
2.2.5 Le formattage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2.6 Le stockage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2.7 L’analyse post-mortem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2.8 La visualisation des données observées . . . . . . . . . . . .....2
2.3 Synthèse des étapes de l’observation . . . . . . . . . . . . . . . ......2
2.4 Critères d’étude des approches d’observation . . . . . . . ..........23
2.5 Classification des approches pour l’observation . . . . . ..........24
2.5.1 Systèmes embarqués . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.5.2 Systèmes parallèles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.5.3 Systèmes distribués . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.6 Synthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3Lescomposantslogiciels 41
7
tel-00621143, version 1 - 9 Sep 20118 TABLE DES MATIÈRES
3.1 Principes des composants logiciels . . . . . . . . . . . . . . . . ....... 41
3.1.1 La définition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.1.2 L’implémentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.1.3 Le déploiement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.1.4 L’exécution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.2 Critères d’évaluation des projets portant sur les
composants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.3 Classification des travaux autour des composants
logiciels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.3.1 Modèles génériques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.3.2 Utilisation des composants dans les systèmes embarqués . . . . . . 48
3.3.3 Observation à base de composants . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.4 Synthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
II Contribution 59
4Proposition 61
4.1 Synthèse des travaux étudiés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... 61
4.2 Objectifs de l’approche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...63
4.3 Proposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
5EMBera:unmodèleàbasedecomposantslogicielspourl’observation
de systèmes embarqués 67
5.1 Le modèle à composants EMBera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
5.2 Le modèle d’observation EMBera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..68
5.2.1 L’encapsulation d’entités . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...69
5.2.2 Les interfaces spécialisées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...69
5.2.3 Les composants basiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
5.2.4 Le composants de traitement des données . . . . . . . . . . . ...72
5.2.5 Composant de stockage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
5.3 Implémentation du modèle EMBera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.3.1 Mise en œuvre du modèle à composants . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.3.2 Mise en œuvre du modèle d’observation . . . . . . . . . . . . . ..77
tel-00621143, version 1 - 9 Sep 2011TABLE DES MATIÈRES 9
5.4 Comment instancier le modèle d’observation EMBera? . . . ........79
5.5 Synthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
III Expérimentation 85
6Étudedecas:décodeurMJPEG 87
6.1 Architecture de la plate-forme embarquée . . . . . . . . . . . .......87
6.2 Mise en œuvre du modèle EMBera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
6.2.1 Implémentation des composants EMBera . . . . . . . . . . . . . . 90
6.2.2 Implémentation de l’application MJPEG . . . . . . . . . . . .... 91
6.2.3 Déploiement de l’application MJPEG. . . . . . . . . . . . . . ...92
6.3 Application du modèle d’observation EMBera . . . . . . . . . . ......93
6.3.1 Définition des objectifs d’observation et identification des entités . 93
6.3.2 Identification des composants EMBera . . . . . . . . . . . . . . ..94
6.3.3 Préparation du système pour l’observation . . . . . . . . ......94
6.3.4 Spécialisation du modèle pour la plate-forme . . . . . . ......94
6.3.5 Déploiement des composants EMBera . . . . . . . . . . . . . . . . 96
6.4 Observations e!ectuées et problèmes détectés . . . . . . . .........96
6.4.1 Observations au niveau système . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..97
6.4.2 Observations au niveau intergiciel . . . . . . . . . . . . . . .....9
6.4.3 Observations au niveau application . . . . . . . . . . . . . . ....99
6.5 Synthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
7Étudedecas:aplicationindustrielemultimédia 103
7.1 Architecture de la plate-forme embarquée . . . . . . . . . . . .......103
7.2 Mise en œuvre du modèle EMBera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
7.3 Application du modèle d’observation EMBera . . . . . . . . . . ......106
7.3.1 Définition des objectifs d’observation et identification des entités . 107
7.3.2 Identification des composants EMBera . . . . . . . . . . . . . . ..107
7.3.3 Préparation du système pour l’observation . . . . . . . . ......110
7.3.4 Spécialisation du modèle d’observation pour la plate-forme . . . . . 110
7.3.5 Instanciation et déploiement des composants EMBera . ......11
tel-00621143, version 1 - 9 Sep 201110 TABLE DES MATIÈRES
7.4 Observations e!ectuées et problèmes détectés . . . . . . . .........12
7.4.1 Observation au niveau de l’intergiciel . . . . . . . . . . . ......112
7.4.2 Observation au niveau du système . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
7.4.3 Corrélation entre les observations . . . . . . . . . . . . . . .....114
7.5 Synthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
8Étudedecas:décodeurSVC 117
8.1 Architecture de la plate-forme multiprocesseurs . . . . ...........18
8.2 Mise en œuvre du modèle EMBera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
8.3 Application du modèle d’observation EMBera . . . . . . . . . . ......126
8.3.1 Définition des objectifs d’observation et identification des entités . 126
8.3.2 Identification des composants EMBera . . . . . . . . . . . . . . ..127
8.3.3 Préparation du système pour l’observation . . . . . . . . ......128
8.3.4 Spécialisation du modèle d’observation pour la plate-forme . . . . . 130
8.3.5 Instanciation et déploiement des composants EMBera . ......131
8.4 Observations e!ectuées et problèmes détectés . . . . . . . .........132
8.4.1 Observations au niveau de l’application . . . . . . . . . . .....13
8.4.2 Observations au niveau de l’intergiciel . . . . . . . . . . ......134
8.4.3 Observations au niveau du système . . . . . . . . . . . . . . . . ..137
8.4.4 Vue d’ensemble . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
8.5 Synthèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
9Évaluationgénéraledesrésultats 141
9.1 Critères d’évaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...141
9.1.1 Valeur ajoutée des observations . . . . . . . . . . . . . . . . . ...141
9.1.2 Simplicité d’intégration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..141
9.1.3 Intrusivité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
9.2 Évaluation des études de cas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...142
9.2.1 Valeur ajoutée des observations . . . . . . . . . . . . . . . . . ...143
9.2.2 Simplicité d’intégration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..147
9.2.3 Intrusivité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
10 Conclusion et perspectives 155
tel-00621143, version 1 - 9 Sep 2011

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