Cette thèse porte sur la modélisation des systèmes-sur-puce au niveau transactionnel, une approche connue sous le nom de prototypage virtuel. Les prototypes virtuels sont d'un grand intérêt industriel parce qu'ils permettent de démarrer certaines activités (telles que le développement du logiciel embarqué) plus tôt dans le flot de conception. Du fait que cette approche est relativement nouvelle, un grand nombre de problèmes de modélisation sont encore ouverts. En particulier, il est essentiel de comprendre à quel point un modèle donné est proche du système hypothétique qu'il est sensé représenter. C'est un problème difficile car nous n'avons pas les moyens de réaliser une comparaison objective, vu que le système modélisé n'est pas disponible physiquement au moment de la modélisation. Nous avons besoin d'une méthodologie pour traiter ces difficultés, qui s'étendent au-delà de simples exigences objectives et de l'analyse de besoin fonctionnel. Dans ce contexte, l'industrie cherche des directives de modélisation claires, fondées sur l'expérience et l'identification des pratiques actuelles et des problèmes récurrents. Dans cette thèse, nous présentons une étude compréhensive d'un large éventail de considérations techniques impliquées dans le flot de conception du logiciel et du matériel qui constituent un système-sur-puce typique. Nous utilisons ces connaissances pour identifier une source particulière de divergence entre le modèle et le système modélisé. Nous montrons que cette divergence masque certains bogues du logiciel sur le prototype virtuel. Nous mettons en évidence la pratique de modélisation à l'origine de cette situation. Deuxièmement, nous essayons d'identifier des problèmes liés à l'utilisation du langage de modélisation dans les pratiques actuelles. Nous prétendons que, d'une part, ces problèmes sont dûs à la confusion entre les concepts de la modélisation transactionnelle et leur implémentation dans le langage standard de l'industrie ; et d'autre part que ce n'est qu'en menant des comparaisons avec un autre langage que l'on pourrait quantifier leur étendue. Pour ce faire, nous proposons un cadre d'application spécialement conçu pour guider l'étude des concepts fondamentaux de la modélisation transactionnelle. Entre autres, nous introduisons une nouvelle méthode pour la modélisation du temps dans les simulateurs à événements discrets. Cette méthode dévoile la différence entre une action instantanée et une tâche avec durée. Ensuite, elle l'exploite de plusieurs manières : pour enrichir les outils de visualisation de traces ; pour dériver une définition claire de chevauchement de tâches ; pour accélérer la simulation à moindre effort, en parallélisant l'exécution d'actions se déroulant à des temps simulés différents ; et pour révéler des bogues subtiles en tenant compte du fait que les actions à des temps simulés différents ne sont pas forcément synchronisées. / This thesis deals with modeling of Systems-on-a-Chip (SoC) at the Transactional Level (TLM), an approach also known as virtual prototyping. Virtual prototypes are of special industrial interest because they allow some activities (such as embedded software development) to start earlier in the design flow. Because this approach is relatively new, several modeling issues are still open. In particular, there is an increasing need for understanding how close a given model is to the hypothetical system it is intended to represent. This is a difficult problem specially because we lack a way to perform an objective comparison, since the modeling activity is prior to the physical existence of the modeled system. A methodology is required to address these concerns, going beyond classical objective and functional quality requirements. In this context, the industry searches for clear modeling guidelines based on experience and the identification of the current modeling practices and known recurring problems. In this thesis, we present a comprehensive study of a range of technical considerations involved in the design flow of the hardware and software that constitutes a typical SoC. We use this knowledge to identify one particular source of divergence between the model and the modeled system. We show that this divergence causes some software bugs to become hidden in the virtual prototype and we correlate this situation to the corresponding modeling practice. Secondly, we attempt to identify language-dependency issues in the modeling practices. We claim that it is only by confronting with an alternative language that we could measure the extent to which common modeling issues were caused by mixing up conceptual transaction-level modeling with its implementation in the current industry standard language. Therefore, we propose a complete experimentation framework specifically designed to help in the study of fundamental concepts beneath TLM. Amongst other features, this framework introduces a novel approach to modeling time in discrete-event simulators that distinguishes between instantaneous actions and tasks that take time. We show that this notion can be exploited to enrich trace visualization tools; to derive a clear definition of overlapping tasks; to effortlessly achieve an important simulation speedup by enabling parallel execution of actions occurring at different simulation times; and to expose subtle bugs by removing the constraint that actions at different simulation times are necessarily synchronized.

Les systèmes Matériels/Logiciels deviennent indispensables dans tous les aspects de la vie quotidienne. La présence croissante de ces systèmes dans les différents produits et services incite à trouver des méthodes pour les développer efficacement. Mais une conception efficace de ces systèmes est limitée par plusieurs facteurs, certains d'entre eux sont: la complexité croissante des applications, une augmentation de la densité d'intégration, la nature hétérogène des produits et services, la diminution de temps d’accès au marché. Une modélisation transactionnelle (TLM) est considérée comme un paradigme prometteur permettant de gérer la complexité de conception et fournissant des moyens d’exploration et de validation d'alternatives de conception à des niveaux d’abstraction élevés. Cette recherche propose une méthodologie d’expression de temps dans TLM basée sur une analyse de contraintes temporelles. Nous proposons d'utiliser une combinaison de deux paradigmes de développement pour accélérer la conception: le TLM d'une part et une méthodologie d’expression de temps entre différentes transactions d’autre part. Cette synergie nous permet de combiner dans un seul environnement des méthodes de simulation performantes et des méthodes analytiques formelles. Nous avons proposé un nouvel algorithme de vérification temporelle basé sur la procédure de linéarisation des contraintes de type min/max et une technique d'optimisation afin d'améliorer l'efficacité de l'algorithme. Nous avons complété la description mathématique de tous les types de contraintes présentées dans la littérature. Nous avons développé des méthodes d'exploration et raffinement de système de communication qui nous a permis d'utiliser les algorithmes de vérification temporelle à différents niveaux TLM. Comme il existe plusieurs définitions du TLM, dans le cadre de notre recherche, nous avons défini une méthodologie de spécification et simulation pour des systèmes Matériel/Logiciel basée sur le paradigme de TLM. Dans cette méthodologie plusieurs concepts de modélisation peuvent être considérés séparément. Basée sur l'utilisation des technologies modernes de génie logiciel telles que XML, XSLT, XSD, la programmation orientée objet et plusieurs autres fournies par l’environnement .Net, la méthodologie proposée présente une approche qui rend possible une réutilisation des modèles intermédiaires afin de faire face à la contrainte de temps d’accès au marché. Elle fournit une approche générale dans la modélisation du système qui sépare les différents aspects de conception tels que des modèles de calculs utilisés pour décrire le système à des niveaux d’abstraction multiples. En conséquence, dans le modèle du système nous pouvons clairement identifier la fonctionnalité du système sans les détails reliés aux plateformes de développement et ceci mènera à améliorer la "portabilité" du modèle d'application. / Hardware/Software (Hw/Sw) systems are likely to become essential in all aspects of everyday life. The increasing penetration of Hw/Sw systems in products and services creates a necessity of their efficient development. However, the productive design of these systems is limited by several factors, some of them being the increasing complexity of applications, the increasing degree of integration, the heterogeneous nature of products and services as well as the shrinking of the time-to-market delay. Transaction Level Modeling (TLM) paradigm is considered as one of the most promising simulation paradigms to break down the design complexity by allowing the exploration and validation of design alternatives at high levels of abstraction. This research proposes a timing expression methodology in TLM based on temporal constraints analysis. We propose to use a combination of two paradigms to accelerate the design process: TLM on one hand and a methodology to express timing between different transactions on the other hand. Using a timing specification model and underlining timing constraints verification algorithms can decrease the time needed for verification by simulation. Combining in one framework the simulation and analytical design exploration methods can improve the analytical power of design verification and validation. We have proposed a new timing verification algorithm based on the linearization procedure and an optimization technique to improve its efficiency. We have completed the mathematical representation of all constraint types discussed in the literature creating in this way a unified timing specification methodology that can be used in the expression of a wider class of applications than previously presented ones. We have developed the methods for communication structure exploration and refinement that permitted us to apply the timing verification algorithms in system exploration at different TLM levels. As there are many definitions of TLM and many development environments proposing TLM in their design cycle with several pro and contra, in the context of our research we define a hardware/software (Hw/Sw) specification and simulation methodology which supports TLM in such a way that several modeling concepts can be seen separately. Relying on the use of modern software engineering technologies such as XML, XSLT, XSD, object oriented programming and others supported by the .Net Framework, an approach that makes an intermediate design model reuse possible in order to cope with time-to-market constraint is presented. The proposed TLM design methodology provides a general approach in system modeling that separates various application modeling aspects from system specification: computational models, used in application modeling, supported by the language used for the functional specification and provided by simulator. As a result, in the system model we can clearly identify system functionality without details related to the development platform thereby leading to a better “portability” of the application model.

L'acquisition et la modélisation de connaissances ont été abordés jusqu'à présent selon deux approches principales : les êtres humains (experts) à l'aide des méthodologies de l'Ingénierie des Connaissances et le Knowledge Management, et les données à l'aide des techniques relevant de la découverte de connaissances à partir du contenu de bases de données (fouille de données). Cette thèse porte sur la conception d'un processus d'apprentissage conjoint par l'être humain et la machine combinant une approche de modélisation des connaissances de type Ingénierie des Connaissances (TOM4D, Timed Observation Modelling for Diagnosis) et une approche d'apprentissage automatique fondée sur un processus de découverte de connaissances à partir de données datées (TOM4L, Timed Observation Mining for Learning). Ces deux approches étant fondées sur la Théorie des Observations Datées, les modèles produits sont représentés dans le même formalisme ce qui permet leur comparaison et leur combinaison. Le mémoire propose également une méthode d'abstraction, inspiée des travaux de Newell sur le "Knowledge Level'' et fondée sur le paradigme d'observation datée, qui a pour but de traiter le problème de la différence de niveau d'abstraction inhérent entre le discours d'un expert et les données mesurées sur un système par un processus d'abstractions successives. Les travaux présentés dans ce mémoire ayant été menés en collaboration avec le CSTB de Sophia Antipolis (Centre Scientifique et Technique du Bâtiment), ils sont appliqués à la modélisation de l'activité humaine dans le cadre de l'aide aux personnes âgées maintenues à domicile. / Knowledge acquisition has been traditionally approached from a primarily people-driven perspective, through Knowledge Engineering and Management, or from a primarily data-driven approach, through Knowledge Discovery in Databases, rather than from an integral standpoint. This thesis proposes then a human-machine learning approach that combines a Knowledge Engineering modelling approach called TOM4D (Timed Observation Modelling For Diagnosis) with a process of Knowledge Discovery in Databases based on an automatic data mining technique called TOM4L (Timed Observation Mining For Learning). The combination and comparison between models obtained through TOM4D and those ones obtained through TOM4L is possible, owing to that TOM4D and TOM4L are based on the Theory of Timed Observations and share the same representation formalism. Consequently, a learning process nourished with experts' knowledge and knowledge discovered in data is defined in the present work. In addition, this dissertation puts forward a theoretical framework of abstraction levels, in line with the mentioned theory and inspired by the Newell's Knowledge Level work, in order to reduce the broad gap of semantic content that exists between data, relative to an observed process, in a database and what can be inferred in a higher level; that is, in the experts' discursive level. Thus, the human-machine learning approach along with the notion of abstraction levels are then applied to the modelling of human behaviour in smart environments. In particular, the modelling of elderly people's behaviour at home in the GerHome Project of the CSTB (Centre Scientifique et Technique du Bâtiment) of Sophia Antipolis, France.

Les systèmes Matériels/Logiciels deviennent indispensables dans tous les aspects de la vie quotidienne. La présence croissante de ces systèmes dans les différents produits et services incite à trouver des méthodes pour les développer efficacement. Mais une conception efficace de ces systèmes est limitée par plusieurs facteurs, certains d'entre eux sont: la complexité croissante des applications, une augmentation de la densité d'intégration, la nature hétérogène des produits et services, la diminution de temps d’accès au marché. Une modélisation transactionnelle (TLM) est considérée comme un paradigme prometteur permettant de gérer la complexité de conception et fournissant des moyens d’exploration et de validation d'alternatives de conception à des niveaux d’abstraction élevés. Cette recherche propose une méthodologie d’expression de temps dans TLM basée sur une analyse de contraintes temporelles. Nous proposons d'utiliser une combinaison de deux paradigmes de développement pour accélérer la conception: le TLM d'une part et une méthodologie d’expression de temps entre différentes transactions d’autre part. Cette synergie nous permet de combiner dans un seul environnement des méthodes de simulation performantes et des méthodes analytiques formelles. Nous avons proposé un nouvel algorithme de vérification temporelle basé sur la procédure de linéarisation des contraintes de type min/max et une technique d'optimisation afin d'améliorer l'efficacité de l'algorithme. Nous avons complété la description mathématique de tous les types de contraintes présentées dans la littérature. Nous avons développé des méthodes d'exploration et raffinement de système de communication qui nous a permis d'utiliser les algorithmes de vérification temporelle à différents niveaux TLM. Comme il existe plusieurs définitions du TLM, dans le cadre de notre recherche, nous avons défini une méthodologie de spécification et simulation pour des systèmes Matériel/Logiciel basée sur le paradigme de TLM. Dans cette méthodologie plusieurs concepts de modélisation peuvent être considérés séparément. Basée sur l'utilisation des technologies modernes de génie logiciel telles que XML, XSLT, XSD, la programmation orientée objet et plusieurs autres fournies par l’environnement .Net, la méthodologie proposée présente une approche qui rend possible une réutilisation des modèles intermédiaires afin de faire face à la contrainte de temps d’accès au marché. Elle fournit une approche générale dans la modélisation du système qui sépare les différents aspects de conception tels que des modèles de calculs utilisés pour décrire le système à des niveaux d’abstraction multiples. En conséquence, dans le modèle du système nous pouvons clairement identifier la fonctionnalité du système sans les détails reliés aux plateformes de développement et ceci mènera à améliorer la "portabilité" du modèle d'application. / Hardware/Software (Hw/Sw) systems are likely to become essential in all aspects of everyday life. The increasing penetration of Hw/Sw systems in products and services creates a necessity of their efficient development. However, the productive design of these systems is limited by several factors, some of them being the increasing complexity of applications, the increasing degree of integration, the heterogeneous nature of products and services as well as the shrinking of the time-to-market delay. Transaction Level Modeling (TLM) paradigm is considered as one of the most promising simulation paradigms to break down the design complexity by allowing the exploration and validation of design alternatives at high levels of abstraction. This research proposes a timing expression methodology in TLM based on temporal constraints analysis. We propose to use a combination of two paradigms to accelerate the design process: TLM on one hand and a methodology to express timing between different transactions on the other hand. Using a timing specification model and underlining timing constraints verification algorithms can decrease the time needed for verification by simulation. Combining in one framework the simulation and analytical design exploration methods can improve the analytical power of design verification and validation. We have proposed a new timing verification algorithm based on the linearization procedure and an optimization technique to improve its efficiency. We have completed the mathematical representation of all constraint types discussed in the literature creating in this way a unified timing specification methodology that can be used in the expression of a wider class of applications than previously presented ones. We have developed the methods for communication structure exploration and refinement that permitted us to apply the timing verification algorithms in system exploration at different TLM levels. As there are many definitions of TLM and many development environments proposing TLM in their design cycle with several pro and contra, in the context of our research we define a hardware/software (Hw/Sw) specification and simulation methodology which supports TLM in such a way that several modeling concepts can be seen separately. Relying on the use of modern software engineering technologies such as XML, XSLT, XSD, object oriented programming and others supported by the .Net Framework, an approach that makes an intermediate design model reuse possible in order to cope with time-to-market constraint is presented. The proposed TLM design methodology provides a general approach in system modeling that separates various application modeling aspects from system specification: computational models, used in application modeling, supported by the language used for the functional specification and provided by simulator. As a result, in the system model we can clearly identify system functionality without details related to the development platform thereby leading to a better “portability” of the application model.

Les systèmes sur puces intègrent aujourd’hui sur le même substrat des parties analogiques et des unités de traitement numérique. Tandis que la complexité de ces systèmes s’accroissait, leur temps de mise sur le marché se réduisait. Une conception descendante globale et coordonnée du système est devenue indispensable de façon à tenir compte des interactions entre les parties analogiques et les partis numériques dès le début du développement. Dans le but de répondre à ce besoin, cette thèse expose un processus de raffinement progressif et méthodique des parties analogiques, comparable à ce qui existe pour le raffinement des parties numériques. L'attention a été plus particulièrement portée sur la définition des niveaux analogiques les plus abstraits et à la mise en correspondance des niveaux d’abstraction entre parties analogiques et numériques. La cohérence du raffinement analogique exige de détecter le niveau d’abstraction à partir duquel l’utilisation d’un modèle trop idéalisé conduit à des comportements irréalistes et par conséquent d’identifier l’étape du raffinement à partir de laquelle les limitations et les non linéarités aux conséquences les plus fortes sur le comportement doivent être introduites. Cette étape peut être d’un niveau d'abstraction élevé. Le choix du style de modélisation le mieux adapté à chaque niveau d'abstraction est crucial pour atteindre le meilleur compromis entre vitesse de simulation et précision. Les styles de modélisations possibles à chaque niveau ont été examinés de façon à évaluer leur impact sur la simulation. Les différents modèles de calcul de SystemC-AMS ont été catégorisés dans cet objectif. Les temps de simulation obtenus avec SystemC-AMS ont été comparés avec Matlab Simulink. L'interface entre les modèles issus de l'exploration d'architecture, encore assez abstraits, et les modèles plus fin requis pour l'implémentation, est une question qui reste entière. Une bibliothèque de composants électroniques complexes décrits en SystemC-AMS avec le modèle de calcul le plus précis (modélisation ELN) pourrait être une voie pour réussir une telle interface. Afin d’illustrer ce que pourrait être un élément d’une telle bibliothèque et ainsi démontrer la faisabilité du concept, un modèle d'amplificateur opérationnel a été élaboré de façon à être suffisamment détaillé pour prendre en compte la saturation de la tension de sortie et la vitesse de balayage finie, tout en gardant un niveau d'abstraction suffisamment élevé pour rester indépendant de toute hypothèse sur la structure interne de l'amplificateur ou la technologie à employer. / Systems on Chip (SoC) embed in the same chip analogue parts and digital processing units. While their complexity is ever increasing, their time to market is becoming shorter. A global and coordinated top-down design approach of the whole system is becoming crucial in order to take into account the interactions between the analogue and digital parts since the beginning of the development. This thesis presents a systematic and gradual refinement process for the analogue parts comparable to what exists for the digital parts. A special attention has been paid to the definition of the highest abstracted analogue levels and to the correspondence between the analogue and the digital abstraction levels. The analogue refinement consistency requires to detect the abstraction level where a too idealised model leads to unrealistic behaviours. Then the refinement step consist in introducing – for instance – the limitations and non-linearities that have a strong impact on the behaviour. Such a step can be done at a relatively high level of abstraction. Correctly choosing a modelling style, that suits well an abstraction level, is crucial to obtain the best trade-off between the simulation speed and the accuracy. The modelling styles at each abstraction level have been examined to understand their impact on the simulation. The SystemC-AMS models of computation have been classified for this purpose. The SystemC-AMS simulation times have been compared to that obtained with Matlab Simulink. The interface between models arisen from the architectural exploration – still rather abstracted – and the more detailed models that are required for the implementation, is still an open question. A library of complex electronic components described with the most accurate model of computation of SystemC-AMS (ELN modelling) could be a way to achieve such an interface. In order to show what should be an element of such a library, and thus prove the concept, a model of an operational amplifier has been elaborated. It is enough detailed to take into account the output voltage saturation and the finite slew rate of the amplifier. Nevertheless, it remains sufficiently abstracted to stay independent from any architectural or technological assumption.

Les systèmes sur puce sont de plus en plus complexes : ils intègrent des parties numériques, desparties analogiques et des capteurs ou actionneurs. SystemC et son extension SystemC AMSpermettent aujourd’hui de modéliser à haut niveau d’abstraction de tels systèmes. Ces outilsconstituent de véritables atouts dans une optique d’étude de faisabilité, d’exploration architecturale etde vérification du fonctionnement global des systèmes complexes hétérogènes et multiphysiques. Eneffet, les durées de simulation deviennent trop importantes pour envisager les simulations globales àbas niveau d’abstraction. De plus, les simulations basées sur l’utilisation conjointe de différents outilsprovoquent des problèmes de synchronisation. Les modèles de bas niveau, une fois crées par lesspécialistes des différents domaines peuvent toutefois être abstraits afin de générer des modèles dehaut niveau simulables sous SystemC/SystemC AMS en des temps de simulation réduits. Une analysedes modèles de calcul et des styles de modélisation possibles est d’abord présentée afin d’établir unlien avec les durées de simulation, ceci pour proposer un style de modélisation en fonction du niveaud’abstraction souhaité et de l’ampleur de la simulation à effectuer. Dans le cas des circuits analogiqueslinéaires, une méthode permettant de générer automatiquement des modèles de haut niveaud’abstraction à partir de modèles de bas niveau a été proposée. Afin d’évaluer très tôt dans le flot deconception la consommation d’un système, un moyen d’enrichir les modèles de haut niveaupréalablement générés est présenté. L’attention a ensuite été portée sur la modélisation à haut niveaudes systèmes multiphysiques. Deux méthodes y sont discutées : la méthode consistant à utiliser lecircuit équivalent électrique puis la méthode basée sur les bond graphs. En particulier, nous proposonsune méthode permettant de générer un modèle équivalent au bond graph à partir d’un modèle de basniveau. Enfin, la modélisation d’un système éolien est étudiée afin d’illustrer les différents conceptsprésentés dans cette thèse. / Systems on chip are more and more complex as they now embed not only digital and analog parts, butalso sensors and actuators. SystemC and its extension SystemC AMS allow the high level modeling ofsuch systems. These tools are efficient for feasibility study, architectural exploration and globalverification of heterogeneous and multiphysics systems. At low level of abstraction, the simulationdurations are too important. Moreover, synchronization problems appear when cosimulations areperformed. It is possible to abstract the low level models that are developed by the specialists of thedifferent domains to create high level models that can be simulated faster using SystemC/SystemCAMS. The models of computation and the modeling styles have been studied. A relation is shownbetween the modeling style, the model size and the simulation speed. A method that generatesautomatically the high level model of an analog linear circuit from its low level representation isproposed. Then, it is shown how to include in the high level model some information allowing thepower consumption estimation. After that, the multiphysics systems modeling is studied. Twomethods are discussed: firstly, the one that uses the electrical equivalent circuit, then the one based onthe bond graph approach. It is shown how to generate a bond graph equivalent model from a low levelrepresentation. Finally, the modeling of a wind turbine system is discussed in order to illustrate thedifferent concepts presented in this thesis.