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L’électricité est constructive :un modèle intuitionniste de la stabilisation
électrique des circuits cycliques
Gérard Berry
Collège de FranceChaire Algorithmes, machines et langages
http://www.college-de-france.fr/site/[email protected]
Cours 7, 26 mars 2014
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G. Berry, Collège de France
1. Pourquoi les circuits cycliques
2. Les trois sortes de cycles
3. La logique temporelle UN
4. Codage des circuits dans UN
5. Déductions et simulations
6. Les théorèmes
7. Débarrassons-nous du temps !
26/03/2014 2
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G. Berry, Collège de France
1. Pourquoi les circuits cycliques
2. Les trois sortes de cycles
3. La logique temporelle UN
4. Codage des circuits dans UN
5. Déductions et simulations
6. Les théorèmes
7. Débarrassons-nous du temps !
26/03/2014 3
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G. Berry, Collège de France 26/03/2014 5
Partage de ressources cycles combinatoires
O if C then F(G(I)) else G(F(I))
F
G
C
C
I O
C10
10
10
Sharad Malik, Analysis of Cyclic Combinational CircuitsIEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated
Circuits and Systems, VOL. 13, NO. 7, JULY 1994
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G. Berry, Collège de France 26/03/2014 6
Partage de ressources cycles combinatoires
O if C then F(G(I)) else G(F(I))
cycle F
G
C
C
I O
C10
10
10
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G. Berry, Collège de France 26/03/2014 7
Partage de ressources cycles combinatoires
F
G
1
O
110
10
10
1
I
C 1 O if C then F(G(I)) else G(F(I))
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G. Berry, Collège de France 26/03/2014 8
Partage de ressources cycles combinatoires
F
G
0
I O
010
10
10
0
Le cycle ne pose ni problème logique,ni problème électrique !
C 0 O if C then F(G(I)) else G(F(I))
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G. Berry, Collège de France 26/03/2014 9
Ordonnanceur round-robin à jeton
okreq
req
ok
req
ok
reqok
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G. Berry, Collège de France 26/03/2014 10
Ordonnanceur round-robin à jeton
Cycle combinatoire !
ok
reqok
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G. Berry, Collège de France 26/03/2014 11
Ordonnanceur round-robin à jeton
le cycle est saincar coupé à une porte ou
okreq
reqok
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G. Berry, Collège de France 26/03/2014 12
okreq
reqok
Le registre à 1change à chaque cycle,le point de coupure avec
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G. Berry, Collège de France 26/03/2014 13
Ordonnanceur round-robin à jeton
Cycle incorrectsi aucun registre à 1
au départ !
ok
reqok
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G. Berry, Collège de France
• Buffer circulaire 16 octets arrivant aléatoirement
• Longueur dépendant du premier octet puis des suivants
• Longueur potentiellement quelconque
• Design naturellement cyclique et dur à rendre acyclique
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ILD Instruction Length Decoder
1
2
3
5
4
6
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G. Berry, Collège de France
1. Pourquoi les circuits cycliques
2. Les trois sortes de cycles
3. La logique temporelle UN
4. Codage des circuits dans UN
5. Déductions et simulations
6. Les théorèmes
7. Débarrassons-nous du temps !
26/03/2014 15
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G. Berry, Collège de France
• Mauvais : pas de stabilisation électrique, pas de solution logique unique X X X X
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Les trois sortes de circuits cycliques
• Bons : stabilisation électrique, solution logique unique exemples précédents
X
• Bizarres : solution logique unique, mais stabilisation électrique dépendant des délais des fils et portes X X X
DE
pas de stabilisation électriqueen partant de X0 avec D2 et E5
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G. Berry, Collège de France
• Calcule 1 en logique classique mais pas en logique constructive (sans tiers exclu) !
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Electricité Logique constructive ?
Hamlet : ToBe ToBe or not ToBe
ToBe
Peut-on caractériser logiquement les « bons circuits », i.e.,ceux qui se stabilisent électriquement à cause de la propagation toute bête des signaux des entrées jusqu’aux sorties ?
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G. Berry, Collège de France
• Etudier de façon vraiment formelle la relation entre une vision « raisonnablement électrique » et une vision logique
• Modéliser la stabilisation, en faisant l’impasse sur les transitoires et autres phénomènes électriques non pertinents pour le besoin
• Aller de la théorie aux algorithmes pratiques : détection de correction, construction d’un circuit acyclique équivalent, vérification formelle par rapport à un autre circuit
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Notre objectif
Théorème (Mendler-Shiple-Berry):circuit constructif sorties électriquement stable vers une valeur unique pour tous délais Û sorties calculable vers 0 ou 1 en logique constructiveÛ sorties 0 ou 1 dans le point fixe en logique ternaire {, 0, 1} algorithmes pour tester la stabilité électrique
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G. Berry, Collège de France 26/03/2014 19
Logique Booléenne constructive
e 1
e e’ 1
e’ 1
e e’ 1 e e’ 0
e 0 e’ 0
e 1
e 0
• Circuit C, vecteur d’entrées : I entrées → {0,1}
• Formules : I ⊢ e b, abrégées en e b si I constant
x e C e b
x b
e 0
e e’ 0
e’ 0
e e’ 0 e e’ 1
e 1 e’ 1
e 0
e 1I I(I)I entrée
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G. Berry, Collège de France
• Règles dérivables :
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Intuitionnisme absence de tiers exclu
I ⊢ e 1
I ⊢ e e 1
• Règle non dérivable – le vrai tiers exclu :
• Fait électrique :– l’électricité est intuitionniste,– car les électrons ne sont pas au courant du tiers exclu !
• Principe intuitionniste : pour prouver e e’, il faut prouver e ou prouver e’
I ⊢ e 0
I ⊢ e e 1
I ⊢ e e 1
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G. Berry, Collège de France
1. Pourquoi les circuits cycliques
2. Les trois sortes de cycles
3. La logique temporelle UN
4. Codage des circuits dans UN
5. Déductions et simulations
6. Les théorèmes
7. Débarrassons-nous du temps !
26/03/2014 21
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G. Berry, Collège de France
• Portes logiques : délai nul, groupement possible– notation polynomiale : y1 x, s2 s1xs2 s1xs2
• Nœuds explicites pour les délais
• Au minimum un délai par cycle
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Circuits avec délais
d2
d1
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G. Berry, Collège de France 26/03/2014 23
Histoires « électriques »
Histoire : h : ℝ+→ Bn continue à droite (avec B {0,1})
1
0
0
Intervalle semi-ouvert : t,u , t u { | t u } souvent noté t,u
t u
Tranche d’histoire : ht,u : la partie de h dans l’intervalle [t,u
Tranche d’histoire : h0,∞ h
Satisfaction d’un prédicat P par une tranche : ht,u ⊨ P
modèle
u
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G. Berry, Collège de France 26/03/2014 24
Délai « électrique » UN et stabilité d
d
d
d
Délai UN : dℝ+
h
h’
t td
ht,ub et td u h’td,ub
• Une histoire h est stable à b après un délai d si hd,∞ b• Sinon, h est dite instable ou oscillante
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G. Berry, Collège de France 26/03/2014 25
Circuits UN-constructifs
Définition : un circuit est UN-constructif pour des d’entrées stables et un jeu de délais si toutes ses sorties se stabilisent vers les mêmes valeurs dans toute exécutionDéfinition : un circuit est uniformément UN-constructif pour des entrées stables s’il est UN-constructif pour tout jeu de délais.
Définition : un circuit est uniformément UN-constructif s’il est uniformément UN-constructif pour toutes entrées stables
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G. Berry, Collège de France 26/03/2014 26
Les prédicats UN et le modèle temporel
ht,u ⊨ R : si t,u. hR i.e., l’histoire h reste dans la région R entre t et u
: R d
R Bn : région prédicat booléen à n variables booléennes ex. : x y y z ou encore Ø (vide, faux) (n.b. : symboles utilisés pour les prédicats)
ht,u ⊨ x y dans h, x est stable à 1 et y stable à 0 ht,u ⊨ x y entre t et u
ht,u ⊨ x dans h, x est stable à 1 entre t et u
ht,u ⊨ x dans h, x est stable à 0 entre t et u
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G. Berry, Collège de France 26/03/2014 27
Conjonction, disjonction et délai
ht,u ⊨ ssi ht,u ⊨ et ht,u ⊨ ht,u ⊨ ssi ht,u ⊨ ou ht,u ⊨
ht,u ⊨ d ssi td u et htd,u ⊨ est constamment satisfait après un délai d dans t,u
t u u
ht,u ⊨ dx
td
ht,u ⊨ x
1
0
0
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G. Berry, Collège de France
• Objectif : représenter la porte not– x stable à 1 : ht,u ⊨ x– opposé logique : ht,u ⊨ x– mais l’opposé logique est satisfait par tout signal
instable– or nous voulons x stable à 0, i.e. x x, ce qui est
différent!
26/03/2014 28
La négation constructive
ht,u ⊨ ssi t’,u’t,u. ht’,u’ ⊨ n’est jamais satisfaite par h sur t,u différent de n’est pas satisfaite par h !
1
0
0 t uni ht,u) ⊨ x ni ht,u) ⊨ x
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G. Berry, Collège de France
• Implication notée pour éviter la confusion avec doit utiliser les sous-intervalles, car x x Ø
26/03/2014 29
Implication, équivalence
ht,u ⊨ si t’,u’t,u. ht’,u’ ⊨ ht’,u’ ⊨
ht,u ⊨ si t’,u’t,u. ht’,u’ ⊨ ht’,u’ ⊨
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30G. Berry, Collège de France 26/03/2014
Résumé des règles de la logique UN
ht,u ⊨ si ht,u ⊨ et ht,u ⊨
ht,u ⊨ si ht,u ⊨ ou ht,u ⊨
ht,u ⊨ R si t,u. hR
ht,u ⊨ si t’,u’t,u. ht’,u’ ⊨ ht’,u’ ⊨
ht,u ⊨ si t’,u’t,u. ht’,u’ ⊨
ht,u ⊨ si t’,u’t,u. ht’,u’ ⊨ ht’,u’ ⊨
ht,u ⊨ d si td u et htd,u ⊨
Notation : ⊨ ssi h,t,u. ht,u ⊨ ht,u ⊨
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G. Berry, Collège de France 26/03/2014 31
Propriétés de la logique UN
x stable dans ht,u ht,u ⊨ x x
• La logique exprime bien la stabilité :
noté x
• Le tiers exclu est faux en général ex. : h[t,u ⊨ x x si h instable pour x dans [t,u• La disjonction est intuitionniste : elle choisit son camp
ht,u ⊨ ht,u ⊨ globalement
ou ht,u ⊨ globalement
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G. Berry, Collège de France
1. Pourquoi les circuits cycliques
2. Les trois sortes de cycles
3. La logique temporelle UN
4. Codage des circuits dans UN
5. Déductions et simulations
6. Les théorèmes
7. Débarrassons-nous du temps !
26/03/2014 32
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G. Berry, Collège de France
• Principes : coder les circuits par des formules– coder les valeurs d’une entrée par 0x pour 1 et 0x pour 0– coder les portes directement par les opérateurs booléens– coder les délais par des « affectations à retard » :
26/03/2014 33
Codage des circuits
• Exemple :
zx
ys1de s2
z x y y s1 s2 s1 d y s2 e y
s1 d s1s2
s2 e s1 s2 : forme normale
des délais
stabiliser les délais stabilise tous les fils !
y d x défini par x dy yx ou équivalent x dy)x dy
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34G. Berry, Collège de France 26/03/2014
circuit C avec x1 : (C,x C 0x
circuit C avec x0 : C,x C 0x
cas général : circuit C avec valeurs d’entrées I : C,I
d2
d1
C s1 d1 x s2 d2 xs1s2
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35G. Berry, Collège de France 26/03/2014
Théorème 1: bonne représentation des circuits une histoire h est UN-correcte pour C et les entrées I ssi h ⊨ C,I
Corollaire : caractérisation UN de la constructivité Un circuit C est constructif pour les délais donnés et une entrée I ssi il existe une unique valeur S des variables d’état et un délai d tels que C,I ⊨ dS
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G. Berry, Collège de France
1. Pourquoi les circuits cycliques
2. Les trois sortes de cycles
3. La logique temporelle UN
4. Codage des circuits dans UN
5. Déductions et simulations
6. Les théorèmes
7. Débarrassons-nous du temps !
26/03/2014 36
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G. Berry, Collège de France 26/03/2014 37
Formules du calcul déductif : ⊢ vs. ⊨
Région temporisée : dR
Région temporisée : kK k pour K fini ou infini
kK k?
C,I ⊨ modèle :
C,I ⊢
• Séquents syntaxiques
sS s d e)
xI1 0x yI0 0y
clauses de Horn ⊢
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G. Berry, Collège de France 26/03/2014 38
Calculs déductions (Curry Howard)
1. C,I ⊢ dR
ssi il existe une séquence d0R0, d1R1,..., dnRn dR
telle que, pour tout i, di est dans (i.e., une entrée)
ou dérivable des dj, ji par une règle de déduction
2. C,I ⊢ kK k
ssi il existe un kK tel que C,I ⊢ k
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G. Berry, Collège de France 26/03/2014 39
Les règles de déduction
true d1
booldR d e RS
eS
deS
dR R eSchain
dS eT
maxd,eS∩Tjoin rassemble les entrées d’une porte
affaiblissement
+ règles booléennes pour les régions (valables car appliquées à des signaux stables)+ opérations arithmétiques sur les délais
pour C,I fixé, C,I ⊢ ... implicite partout
chaîne les transitionsy e x x ey)x ey
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40G. Berry, Collège de France 26/03/2014
d2
d1
max(d1,d2) s1s2
cas x0i.e. 0x
C s1 d1 x s2 d2 xs1s2
0x0x
d1s1
chain0xs1s2
bool
d2s2
chain
x0 région s1s2 atteinte en temps max(d1,d2)
join
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41G. Berry, Collège de France 26/03/2014
cas x1i.e. 0x
0xchain
d1xs1s2bool
d1d2s2
chain
joind1s1
0xchain
d1s1
max(d1, d1d2) s1s2
d2
d1
C s1 d1 x s2 d2 xs1s2
x1 région s1s2 atteinte en temps d1d2
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G. Berry, Collège de France
1. Pourquoi les circuits cycliques
2. Les trois sortes de cycles
3. La logique temporelle UN
4. Codage des circuits dans UN
5. Déductions et simulations
6. Les théorèmes
7. Débarrassons-nous du temps !
26/03/2014 42
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G. Berry, Collège de France
• Théorème 2 : équivalence de ⊨ et ⊢ pour les circuits
26/03/2014 43
Les théorèmes centraux
C,I,. C,I ⊨ C,I ⊢
• Théorème 3 : Intuitionnisme de ⊨
C,I,. C,I ⊨ . C,I ⊨
Une disjonction, même infinie, ne peut être validéeque par un de sens membres (résulte immédiatementdu théorème 2 et de la définition de C,I ⊢ )
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G. Berry, Collège de France 26/03/2014 44
Corollaire : déterminisme de la stabilisationSoit s un délai de C et I un vecteur d’entrées. Alors les histoires h de s dans C,I ont deux comportements possibles :
1. tous les h se stabilisent à la même valeur2. il existe au moins une histoire oscillante
un circuit est constructif ssi ses sorties ne peuvent pas osciller
Preuve : soit 1s 1s 2s 2s 3s 3s ...Preuve ::alors (infini) dit que s se stabilise un jour
cas 1 : C,I ⊨ . Alors C,I ⊨ k pour un k par thm.3
(intuitionnisme), par exemple k ms.
Donc h. h ⊨ C,I h ⊢ ms, tout h devient stable à 1cas 2 : C,I ⊨ . Alors h. h ⊨ C,I h ⊨ est impossible,
donc h. h ⊨ C,I h ⊨ , et cet h oscille pour s
Le résultat central
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G. Berry, Collège de France
1. Pourquoi les circuits cycliques
2. Les trois sortes de cycles
3. La logique temporelle UN
4. Codage des circuits dans UN
5. Déductions et simulations
6. Les théorèmes
7. Débarrassons-nous du temps !
26/03/2014 45
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G. Berry, Collège de France 26/03/2014 46
Logique Booléenne constructive
e 1
e e’ 1
e’ 1
e e’ 1 e e’ 0
e 0 e’ 0
e 1
e 0
• Circuit C, vecteur d’entrées : I entrées → {0,1}
• Formules : I ⊢ e b, abrégées en e b si I constant
X : e C e b
X b
e 0
e e’ 0
e’ 0
e e’ 0 e e’ 1
e 1 e’ 1
e 0
e 1I I(I)I entrée
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G. Berry, Collège de France 26/03/2014 47
Exemple de transformation de preuves
max(d1,d2) s1s2
cas x0i.e. 0x
C s1 d1 x s2 d2 xs1s2
0x0x
d1s1
chain0xs1s2
bool
d2s2
chain
join
x0s11
I(x)0 ⊢ x0xs1s2 1s1x C s2 xs1s
s2 1
UN-logic
Constructive Boolean Logic
s11 s21
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48G. Berry, Collège de France
• Pour des délais fixés, la UN-prouvabilité vs. ⊢ est une
CNS pour la UN-stabilisation vs. ⊨
26/03/2014
On arrive au bout !
• Mais toute preuve avec délais peut être transcrite en preuve Booléenne constructive sans délais, et réciproquement !
Autrement dit : la prouvabilité en logique booléenne constructive sans délais caractérise exactement la UN-constructivité uniforme
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49G. Berry, Collège de France
• Etude complète de la stabilisation des circuits cycliques
dans le modèle de délais UN, en reliant modèle ⊨ et
déduction syntaxique ⊢, et en ignorant transitoires, oscillations, métastabilité etc. (qu’on peut aussi étudier)
26/03/2014
Conclusion
• stabilisation électrique prouvabilité constructive booléenne
(avec délais) des sorties (sans délais)
• A suivre au prochain cours : – constructivité pour toutes entrées– constructivité des circuits séquentiels (avec registres)– algorithmes efficaces de calcul de la constructivité
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G. Berry, Collège de France 26/03/2014 50
Références
Constructive Boolean Circuits and the Exactness of Timed Ternary Simulation M. Mendler, T. Shiple et G. Berry. Formal Methods in System Design, Vol.40, No.3, pp. 283-329, Springer (2012).
Constructive Analysis of Cyclic CircuitsT. Shiple, G. Berry et H. Touati. Proc. Int. Design and Testing Conference IDTC'96, Paris, France (1996).
Asynchronous CircuitsJ. Brzozowski et C-J. Seger.Springer-Verlag (1995).