Synchronous Programming of Device Drivers for Global Resource Control in Embedded Operating Systems
Programmation synchrone de pilotes de périphériques pour un contrôle global de ressources dans les systèmes embarqués
Résumé
This thesis is about the design of software for embedded systems. The hardware platforms usually employed in these systems provide a limited amount of memory, computational power and energy. The software they execute is then constrained by such limited resources. Usual applications involve further objectives, such as reactivity and lifetime. In addition, these platforms comprise shared resources like buses or even the energy provided by a battery. Hence, global properties concerning the whole platform must be enforced, for instance to control concurrent accesses to a bus or power consumption. As device drivers are commonly developed individually, the knowledge necessary to implement global control policies is distributed among several pieces of software. We propose a global control approach, based on a centralized view of the devices' states. Built upon para-virtualization principles, it operates on the hardware/software interface. It involves a simple adaptation of the guest operating system, to communicate with the hardware via a control layer. The control layer itself is built from a set of simple automata: the device drivers, whose states correspond to functional or power consumption modes, and a controller to enforce global properties. All these automata are programmed using a synchronous language, and compiled into a single piece of sequential code. As a suitable representative of embedded systems hardware, we choose the node of a wireless sensor network. To show that our approach is practical, we propose a proof-of-concept implementation of the control layer to manage this platform, and evaluate it both qualitatively and quantitatively. We also demonstrate its use and benefits with an event-driven or multithreading operating system, and estimate the impact of the adaptation on guest software. Finally, we audit several extensions and draw guidelines for its use in other contexts.
Le travail présenté dans cette thèse porte sur la conception de logiciels pour systèmes embarqués. Outre les contraintes de programmation provenant des faibles quantité de mémoire et capacité de calcul, ces plates-formes matérielles ne disposent parfois que de peu d'énergie pour fonctionner. Les applications usuelles de ces systèmes imposent de plus des objectifs en matière de réactivité et de durée de vie. Par ailleurs, quelques-unes des ressources fournies sont partagées entre les composants, qu'il s'agisse de l'énergie délivrée par une batterie, ou encore des bus de communication qui les relient. Il est donc nécessaire de pouvoir assurer des propriétés globales portant sur l'ensemble de la plate-forme, telles que le contrôle des accès aux bus, ou encore la maîtrise de la puissance électrique consommée. Cependant, les pilotes des différents périphériques sont d'ordinaire programmés individuellement. La connaissance nécessaire à l'implantation d'une politique de contrôle global est alors distribuée parmi diverses portions du logiciel. Nous exposons une solution au problème du contrôle global des ressources, basée sur une vue centralisée des états des composants matériels de la plate-forme. Bâtie sur un principe de para-virtualisation, notre approche consiste en l'introduction d'une couche de contrôle ; le système d'exploitation invité est adapté afin de communiquer avec le matériel à l'aide de celle-ci. La couche de contrôle incorpore les pilotes des périphériques, conçus à partir d'automates dont les états correspondent aux modes de fonctionnement ou de consommation du composant géré. Un contrôleur est ajouté, dont le rôle est d'assurer les propriétés globales. L'ensemble de ces automates est programmé à l'aide d'un langage synchrone, puis compilé en code séquentiel. Nous proposons une implantation de la couche de contrôle pour une architecture de nœuds de réseaux de capteurs sans fil, qui constitue une plate-forme représentative des systèmes embarqués contraints. Nous évaluons qualitativement et quantitativement ce prototype afin de montrer la viabilité de l'approche. Son impact sur le reste du logiciel est également apprécié, que celui-ci soit construit selon un modèle d'exécution purement événementiel ou multi-fils. Enfin, nous passons en revue plusieurs extensions possibles, et identifions quelques bonnes pratiques pour son usage dans d'autres contextes.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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