From SSA to Synchronous Concurrency and Back

We are interested in the programming and compilation of reactive, real-time systems. More specifically, we would like to understand the fundamental principles common to generalpurpose and synchronous languages—used to model reactive control systems—and from this to derive a compilation flow suitable for both high-performance and reactive aspects of a modern control application. To this end, we first identify the key operational mechanisms of synchronous languages that SSA does not cover: synchronization of computations with an external time base, cyclic I/O, and the semantic notion of absent value which allows the natural representation of variables whose initialization does not follow simple structural rules such as control flow dominance. Then, we show how the SSA form in its MLIR implementation can be seamlessly extended tocover these mechanisms, enabling the application of all SSA-based transformations and optimizations. We illustrate this on the representation and compilation of the Lustre dataflow synchronous language. Most notably, in the analysis and compilation of Lustre embedded into MLIR, theinitialization-related static analysis and code generation aspects can be fully separated from memory allocation and causality aspects, the latter being covered by the existing dominance-based algorithms of MLIR/SSA, resulting in a high degree of conceptual and code reuse. Our work allowsthe specification of both computational and control aspects of high-performance real-time applications. It paves the way for the definition of more efficient design and implementation flows where real-time ressource allocation drives parallelization and optimization.Nous traitons de la programmation et de la compilation de systèmes réactifs, temps-réel. En particulier, nous cherchons à comprendre les principes fondamentaux communs à la programmation généraliste et aux langages synchrones—utilisés pour modéliser les systèmes de contrôle—et de là nous dérivons une méthode de compilation adaptée aux aspects réactifs et haute performance d’une application moderne. À cette fin, nous commençons par identifier les mécanismes des langages synchrones que SSA n’implémente pas : la synchronisation des calculs avec une base de temps externe, les entrées-sorties cycliques, et la notion sémantique de valeur absente, qui permet la représentation naturelle de variables dont l’initialisation ne suit pas de simples règles structurelles. Ensuite, nous montrons de quelle manière la forme SSA, dans l’implémentation de MLIR, peut être étendue pour implémenter ces mécanismes et leur appliquer toutes les transformations et optimisations basées sur SSA. Nous illustrons ces mécanismes par la représentation et la compilation du langage synchrone, flot de données Lustre. Nous montrons que les problèmes d’analyse statique pour l’initialisation, de génération de code, peuvent être entièrement distingués des problèmes d’allocation mémoire et de causalité, ces derniers étant pris en charge par les algorithmes d’analyse de la dominance de MLIR/SSA, ce qui permet un haut niveau de réutilisation du code et des concepts. Notre travail permet la spécification d’applications temps-réel, du point de vue du contrôle comme du calcul. Il ouvre la voie à ladéfinition de processus de conception et d’implémentation plus efficaces, où la parallélisation et l’optimisation procèdent de l’allocation des ressources temps-réel