TH`ESE Architecture logicielle et outils pour syst`emes d`exploitation

INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE GRENOBLE
N◦attribu´ e par la biblioth` eque
TH` ESE
pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE l’INPG
Sp´ ecialit´ e : «Informatique : Syst` emes et Logiciels »
pr´ epar´ ee au laboratoire LSR-IMAG, projet SARDES,
dans le cadre de l’Ecole Doctorale
«Math´ ematiques Sciences et Technologies de l’Information »
pr´ esent´ ee et soutenue publiquement par
Juraj POLAKOVIC
le 25 Juin 2008
Architecture logicielle et outils pour syst` emes d’exploitation
reconfigurables
Directeur de th` ese :
Jean-Bernard STEFANI
JURY
M. Gilles MULLER Pr´ esident
Mme Val´ erie ISSARNY Rapporteur
M. Gilles GRIMAUD Rapporteur
M. Jacques MOSSI` ERE Examinateur
M. Jean-Philippe FASSINO Examinateur
M. Jacques PULOU Examinateur
M. Jean-Bernard STEFANI Directeur de th` ese

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Abstract
Dynamic reconfiguration allows modifying a system during its execution, and can be used to apply
patches and updates, to implement adaptive systems, dynamic instrumentation, or to support third-party
modules. Dynamic reconfiguration is important in embedded systems, where one does not necessarily
have the luxury to stop a running system.
While some operating systems do offer mechanisms for dynamic reconfiguration, the proposed me-
chanisms are essentially hardwired in the system. This results in a fixed trade-off between flexibility
of reconfigurations and the system’s efficiency which may be far from optimal in certain operational
contexts, thus limiting the system reuse.
We present an architecture-based programming model allowing both construction of customized re-
configurable system kernels and programming of their reconfigurations. This model is based on the
FRACTAL component model and its C implementation for constructing component-based operating sys-
tems, called THINK. The framework supporting our approach encompasses an architecture compiler for
building customized system kernels and a reconfiguration compiler. We developed several prototypes of
reconfigurable systems that show the flexibility of our approach and the impact of different implementa-
tions of reconfiguration mechanisms on the system’s performance.
R´ esum´ e
La reconfiguration dynamique est la capacit´ e d’un syst` eme logiciel ` a permettre sa modification pen-
dant son ex´ ecution et peut ˆ etre utilis´ ee pour mettre-` a-jour une partie fautive du syst` eme, introduire des
algorithmes sp´ ecialis´ es, autoriser des extensions faites par des tiers, adapter le syst` eme ` a un nouvel en-
vironment et ajouter des sondes de monitoring ou debugging, etc.
Les syst` emes d’exploitation existants offrent des m´ ecanismes de reconfiguration dynamique, n´ ean-
moins ceux-ci sont fig´ es par l’impl´ ementation du syst` eme. Par cons´ equent le compromis entre la flexibi-
lit´ e et l’efficacit´ e du syst` eme reconfigurable est fixe et il n’est pas possible de r´ eutiliser le syst` eme dans
d’autres contextes op´ erationnels (avec des m´ ecanismes de reconfiguration diff´ erents).
Nous pr´ esentons une approche architecturale pour la construction de syst` emes reconfigurables ` a
la carte et la programmation de leurs reconfigurations. Notre mod` ele de programmation est bas´ e sur
le mod` ele ` a composants FRACTAL et son impl´ ementation en C, appel´ ee THINK. Le canevas associ´ e au
mod` ele comprend un compilateur d’architecture qui permet de construire des syst` emes reconfigurables et
un compilateur de reconfigurations. Pour illustrer notre approche, nous avons r´ ealis´ e plusieurs prototypes
de syst` emes reconfigurables qui ont permis de montrer la flexibilit´ e de notre approche ainsi qu’une
´
evaluation quantitative et l’impact des diff´ erentes impl´ ementations de reconfiguration dynamique sur
l’efficacit´ e d’un syst` eme concret.
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Table des mati` eres
1 Introduction 1
1.1 Une d´ efinition........................................ 1
1.2 Int´ erˆ ets de la reconfiguration dynamique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 Syst` emesreconfigurables.................................. 3
1.4 Objectifs de la th` ese..................................... 4
1.4.1 M´ ecanismes de reconfiguration dynamique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.4.2 Construction des syst` emes reconfigurables ` alacarte ............... 5
1.4.3 Programmation des reconfigurations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.5 Organisationdudocument ................................. 6
I Probl´ ematique et Etat de l’art 7
2 Etat de l’art 9
2.1 Syst` emesreconfigurables.................................. 9
2.2 Syst` emes d’exploitation reconfigurables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2.1 Classification des syst` emes d’exploitation reconfigurables . . . . . . . . . . . . 10
2.2.2 Mod` elesd’architecture............................... 13
2.3 Synth` ese........................................... 15
2.3.1 Flexibilit´ e...................................... 15
2.3.2 Efficacit´ e ...................................... 17
2.3.3 Garanties...................................... 17
2.3.4 Outils........................................ 18
2.4 Conclusion ......................................... 20
II Contributions 21
3 Vers un mod` ele de construction de syst` emes reconfigurables 23
3.1 Concepts fondamentaux de la reconfiguration dynamique . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.1.1 Architecture et la reconfiguration dynamique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.1.2 Etat et la reconfiguration dynamique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.2 Aperc¸udelacontribution.................................. 26
3.2.1 Limitations..................................... 28
3.2.2 Mise-en-oeuvre................................... 29
3.2.3 Organisation de la contribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.3 Fondationsdel’approche.................................. 29
3.3.1 Le mod` ele ` acomposantFractal .......................... 30
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