Les systèmes cyber-physiques mélangent des comportements physiques continus, tel la vitesse d'un véhicule, et des comportement discrets, tel que le régulateur de vitesse d'un véhicule. Ils sont désormais omniprésents dans notre société. Un grand nombre de ces systèmes sont dits critiques, i.e. une mauvaise conception entraînant un comportement non prévu, un bug, peut mettre en danger des êtres humains. Il est nécessaire de développer des méthodes pour garantir le bon fonctionnement de tels systèmes. Les méthodes formelles regroupent des procédés mathématiques pour garantir qu'un système se comporte comme attendu, par exemple que le régulateur de vitesse n'autorise pas de dépasser la vitesse maximale autorisée. De récents travaux ont permis des progrès significatifs dans ce domaine, mais l'approche adoptée est encore monolithique, i.e. que le système est modélisé d'un seul tenant et est ensuite soumis à la preuve. Notre problématique est comment modéliser efficacement des systèmes cyber-physiques dont la complexité réside dans une répétition de morceaux élémentaires. Et une fois que l'on a obtenu une modélisation, comment garantir le bon fonctionnement de tels systèmes. Notre approche consiste à modéliser le système de manière compositionnelle. Plutôt que de vouloir le modéliser d'un seul tenant, il faut le faire morceaux par morceaux, appelés composants. Chaque composant correspond à un sous-système du système final qu'il est simple de modéliser. On obtient le système complet en assemblant les composants ensembles. Ainsi une usine de traitement des eaux est obtenue en assemblant différentes cuves. L'intérêt de cette méthode est qu'elle correspond à l'approche des ingénieurs dans l'industrie : considérer des éléments séparés que l'on compose ensuite. Mais cette approche seule ne résout pas le problème de la preuve de bon fonctionnement du système. Il faut aussi rendre la preuve compositionnelle. Pour cela, on associe à chaque composant des propriétés sur ses entrées et sortie, et on prouve qu'elles sont respectées. Cette preuve peut être effectué par un expert, mais aussi par un ordinateur si les composants sont de tailles raisonnables. Il faut ensuite nous assurer que lors de l'assemblage des composants, les propriétés continuent à être respectées. Ainsi, la charge de la preuve est reportée sur les composants élémentaires, l'assurance du respect des propriétés désirées est conservée lors des étapes de composition. On peut alors obtenir une preuve du bon fonctionnement de systèmes industriels avec un coût de preuve réduit. Notre contribution majeure est de proposer une telle approche compositionnelle à la fois pour modéliser des systèmes cyber-physiques, mais aussi pour prouver qu'ils respectent les propriétés voulues. Ainsi, à chaque étape de la conception, on s'assure que les propriétés sont conservées, si possible à l'aide d'un ordinateur. Le système résultant est correct par construction. De ce résultat, nous avons proposé plusieurs outils pour aider à la conception de systèmes cyber-physiques de manière modulaire. On peut raisonner sur les propriétés temporelles de tels systèmes, par exemple est-ce que le temps de réaction d'un contrôleur est suffisamment court pour garantir le bon fonctionnement. On peut aussi raisonner sur des systèmes où un mode nominal cohabite avec un mode d'urgence. / Cyber-physical systems mix continuous physical behaviors, e.g. the velocity of a vehicle, and discrete behaviors, e.g. the cruise-controller of the vehicle. They are pervasive in our society. Numerous of such systems are safety-critical, i.e. a design error which leads to an unexpected behavior can harm humans. It is mandatory to develop methods to ensure the correct functioning of such systems. Formal methods is a set of mathematical methods that are used to guarantee that a system behaves as expected, e.g. that the cruise-controller does not allow the vehicle to exceed the speed limit. Recent works have allowed significant progress in the domain of the verification of cyber-physical systems, but the approach is still monolithic. The system under consideration is modeled in one block. Our problematic is how to efficiently model cyber-physical systems where the complexity lies in a repetition of elementary blocks. And once this modeling done, how guaranteeing the correct functioning of such systems. Our approach is to model the system in a compositional manner. Rather than modeling it in one block, we model it pieces by pieces, called components. Each component correspond to a subsystem of the final system and are easier to model due to their reasonable size. We obtain the complete system by assembling the different components. A water-plant will thus be obtained by the composition of several water-tanks. The main advantage of this method is that it corresponds to the work-flow in the industry : consider each elements separately and compose them later. But this approach does not solve the problem of the proof of correct functioning of the system. We have to make the proof compositional too. To achieve it, we associate to each component properties on its inputs and outputs, then prove that they are satisfied. This step can be done by a domain expert, but also by a computer program if the component is of a reasonable size. We have then to ensure that the properties are preserved through the composition. Thus, the proof effort is reported to elementary components. It is possible to obtain a proof of the correct functioning of industrial systems with a reduced proof effort. Our main contribution is the development of such approach in Differential Dynamic Logic. We are able to modularly model cyber-physical systems, but also prove their correct functioning. Then, at each stage of the design, we can verify that the desired properties are still guaranteed. The resulting system is correct-by-construction. From this result, we have developed several tools to help for the modular reasoning on cyber-physical systems. We have proposed a methodology to reason on temporal properties, e.g. if the execution period of a controller is small enough to effectively regulate the continuous behavior. We have also showed how we can reason on functioning modes in our framework.

Les systèmes embarqués ont évolué d'une manière spectaculaire et sont devenus partie intégrante de notre quotidien. En réponse aux exigences grandissantes en termes de nombre de fonctionnalités et donc de flexibilité, les parties logicielles de ces systèmes se sont vues attribuer une place importante malgré leur manque d'efficacité, en comparaison aux solutions matérielles. Par ailleurs, vu la prolifération des systèmes nomades et à ressources limités, tenir compte de la performance est devenu indispensable pour bien les concevoir. Dans cette thèse, nous proposons une démarche rigoureuse et intégrée pour la modélisation et l'évaluation de performance tôt dans le processus de conception. Cette méthode permet de construire des modèles, au niveau système, conformes aux spécifications fonctionnelles, et intégrant les contraintes non-fonctionnelles de l'environnement d'exécution. D'autre part, elle permet d'analyser quantitativement la performance de façon rapide et précise. Cette méthode est guidée par les modèles et se base sur le formalisme $mathcal{S}$BIP que nous proposons pour la modélisation stochastique selon une approche formelle et par composants. Pour construire des modèles conformes au niveau système, nous partons de modèles purement fonctionnels utilisés pour générer automatiquement une implémentation distribuée, étant donnée une architecture matérielle cible et un schéma de répartition. Dans le but d'obtenir une description fidèle de la performance, nous avons conçu une technique d'inférence statistique qui produit une caractérisation probabiliste. Cette dernière est utilisée pour calibrer le modèle fonctionnel de départ. Afin d'évaluer la performance de ce modèle, nous nous basons sur du model checking statistique que nous améliorons à l'aide d'une technique d'abstraction. Nous avons développé un flot de conception qui automatise la majorité des phases décrites ci-dessus. Ce flot a été appliqué à différentes études de cas, notamment à une application de reconnaissance d'image déployée sur la plateforme multi-cœurs STHORM. / In the present work, we tackle the problem of modeling and evaluating performance in the context of embedded systems design. These have become essential for modern societies and experienced important evolution. Due to the growing demand on functionality and programmability, software solutions have gained in importance, although known to be less efficient than dedicated hardware. Consequently, considering performance has become a must, especially with the generalization of resource-constrained devices. We present a rigorous and integrated approach for system-level performance modeling and analysis. The proposed method enables faithful high-level modeling, encompassing both functional and performance aspects, and allows for rapid and accurate quantitative performance evaluation. The approach is model-based and relies on the $mathcal{S}$BIP formalism for stochastic component-based modeling and formal verification. We use statistical model checking for analyzing performance requirements and introduce a stochastic abstraction technique to enhance its scalability. Faithful high-level models are built by calibrating functional models with low-level performance information using automatic code generation and statistical inference. We provide a tool-flow that automates most of the steps of the proposed approach and illustrate its use on a real-life case study for image processing. We consider the design and mapping of a parallel version of the HMAX models algorithm for object recognition on the STHORM many-cores platform. We explored timing aspects and the obtained results show not only the usability of the approach but also its pertinence for taking well-founded decisions in the context of system-level design.

Les systèmes embarqués ont évolué d'une manière spectaculaire et sont devenus partie intégrante de notre quotidien. En réponse aux exigences grandissantes en termes de nombre de fonctionnalités et donc de flexibilité, les parties logicielles de ces systèmes se sont vues attribuer une place importante malgré leur manque d'efficacité, en comparaison aux solutions matérielles. Par ailleurs, vu la prolifération des systèmes nomades et à ressources limités, tenir compte de la performance est devenu indispensable pour bien les concevoir. Dans cette thèse, nous proposons une démarche rigoureuse et intégrée pour la modélisation et l'évaluation de performance tôt dans le processus de conception. Cette méthode permet de construire des modèles, au niveau système, conformes aux spécifications fonctionnelles, et intégrant les contraintes non-fonctionnelles de l'environnement d'exécution. D'autre part, elle permet d'analyser quantitativement la performance de façon rapide et précise. Cette méthode est guidée par les modèles et se base sur le formalisme $mathcal{S}$BIP que nous proposons pour la modélisation stochastique selon une approche formelle et par composants. Pour construire des modèles conformes au niveau système, nous partons de modèles purement fonctionnels utilisés pour générer automatiquement une implémentation distribuée, étant donnée une architecture matérielle cible et un schéma de répartition. Dans le but d'obtenir une description fidèle de la performance, nous avons conçu une technique d'inférence statistique qui produit une caractérisation probabiliste. Cette dernière est utilisée pour calibrer le modèle fonctionnel de départ. Afin d'évaluer la performance de ce modèle, nous nous basons sur du model checking statistique que nous améliorons à l'aide d'une technique d'abstraction. Nous avons développé un flot de conception qui automatise la majorité des phases décrites ci-dessus. Ce flot a été appliqué à différentes études de cas, notamment à une application de reconnaissance d'image déployée sur la plateforme multi-cœurs STHORM. / In the present work, we tackle the problem of modeling and evaluating performance in the context of embedded systems design. These have become essential for modern societies and experienced important evolution. Due to the growing demand on functionality and programmability, software solutions have gained in importance, although known to be less efficient than dedicated hardware. Consequently, considering performance has become a must, especially with the generalization of resource-constrained devices. We present a rigorous and integrated approach for system-level performance modeling and analysis. The proposed method enables faithful high-level modeling, encompassing both functional and performance aspects, and allows for rapid and accurate quantitative performance evaluation. The approach is model-based and relies on the $mathcal{S}$BIP formalism for stochastic component-based modeling and formal verification. We use statistical model checking for analyzing performance requirements and introduce a stochastic abstraction technique to enhance its scalability. Faithful high-level models are built by calibrating functional models with low-level performance information using automatic code generation and statistical inference. We provide a tool-flow that automates most of the steps of the proposed approach and illustrate its use on a real-life case study for image processing. We consider the design and mapping of a parallel version of the HMAX models algorithm for object recognition on the STHORM many-cores platform. We explored timing aspects and the obtained results show not only the usability of the approach but also its pertinence for taking well-founded decisions in the context of system-level design.

Dans cette thèse, nous nous intéressons à la validation temporelle ainsi qu'au déploiement d'applications de contrôle industriel à base de composants. La technologie des composants retenue est celle des Blocs Fonctionnels définie dans la norme industrielle IEC 61499. Un Bloc Fonctionnel est défini comme un composant réactif supportant des fonctionnalités d'une application. L'avantage de cette norme, connue dans l'industrie, est la description statique de l'application ainsi que de son support d'exécution. Une première contribution de la thèse est l'interprétation des différents concepts définis dans la norme. Nous précisons, en particulier, la dynamique du composant en vue de décrire un comportement déterministe de l'application. Pour appliquer une validation temporelle exhaustive, nous proposons un modèle de comportement d'un Bloc Fonctionnel à l'aide du formalisme des automates temporisés. D'autre part, nous fournissons une sémantique au concept de réseau de Blocs Fonctionnels pour décrire une application comme une composition de Blocs. Une deuxième contribution de la thèse est le déploiement de tels réseaux sur une architecture distribuée multi-tâches tout en respectant des propriétés sur les temps de réponse de bout en bout. Nous transformons un réseau de Blocs Fonctionnels vers un ensemble de tâches élémentaires dépendantes, appelées actions. Cette transformation permet l'exploitation de résultats d'ordonnancement pour valider la correction temporelle de l'application. Pour déployer les blocs d'une application, nous proposons une approche hybride alliant un ordonnancement statique non-préemptif et un autre ordonnancement en ligne préemptif. L'ordonnancement statique permet la construction des tâches s'exécutant sur chaque calculateur. Ces tâches sont vues comme des séquencements statiques d'actions. Elles sont alors à ordonnancer dynamiquement selon une politique préemptive reposant sur EDF (Earliest Deadline First). Grâce à cette approche, nous réduisons le nombre de commutation de contexte en regroupant les actions au sein des tâches. De plus l'ordonnancement dynamique préemptif augmente la faisabilité du système. Enfin, une dernière contribution est une extension de la deuxième. Nous proposons une approche d'allocation de réseaux de blocs fonctionnels sur un support d'exécution distribué. Cette allocation, basée sur une heuristique de Liste, se repose sur la méthode hybride pour assurer un déploiement faisable de l'application. Le problème d'allocation est de trouver pour chaque bloc fonctionnel le calculateur capable de l'exécuter tout en respectant des contraintes fonctionnelles, temporelles et de support d'exécution. Notons enfin que l'heuristique proposée se base sur une technique de retour-arrière pour augmenter l'espace de solutions. / This thesis deals with the temporal validation and the deployment of component-based industrial control applications. We are interested in the Function Blocks approach, defined in the IEC 61499 standard, as a well known component based technology in the industry. A Function Block is an event triggered component owning data to support the application functionalities. The advantage of this technology is the taking into account of the application and also its execution support. The first thesis contribution deals with the interpretation of the different concepts defined in the standard. In particular, we propose a policy defining a deterministic behavior of a FB. To apply an exhaustive temporal validation of the application, we propose a behavioral model of a Block as Timed Automata. On the other hand, we propose a semantic for the concept of FBs networks to develop industrial control applications. The second thesis contribution deals with the deployment of FBs networks in a distributed multi-tasking architecture. Such deployment has to respect classical End to End Response Time Bounds as temporal constraints. To validate the temporal behavior of an application, we propose an approach transforming its blocks into an actions system with precedence constraints. The purpose is to exploit previous theories on the scheduling of real-time systems. To deploy FBs networks in feasible OS tasks, we propose a Hybrid scheduling approach combining an off-line non-preemptive scheduling and an on-line preemptive one. The off-line scheduling allows to construct OS tasks from FBs, whereas the on-line one allows to schedule these tasks according to the classical EDF policy. A constructed OS task is an actions sequence defining an execution scenario of the application. Thanks to this approach, we reduce the context switching at run-time by merging application actions in OS tasks. In addition, the system feasibility is increased by applying an on-line preemptive policy. Finally, the last thesis contribution is an extension of the previous one. We propose an approach allocating FBs networks in a distributed architecture. Based on a heuristic, such approach uses the hybrid method to construct feasible OS tasks in calculators. The allocation problem of a particular application FB is to look for a corresponding calculator while respecting functional, temporal and execution support constraints. We note that the proposed heuristic is based on a back-tracking technic to increase the solutions space.

Nos travaux s'inscrivent dans le domaine du génie logiciel pour les systèmes informatiques à large échelle. Notre objectif est de fournir des techniques et des outils pour aider les architectes logiciels à maîtriser la complexité toujours grandissante de ces systèmes. Principalement fondées sur des approches par ingénierie des modèles, nos contributions s'organisent autour de trois axes. Le premier axe concerne le développement de systèmes à la fois fiables et flexibles, et ce à base de composants hiérarchiques équipés de capacités de reconfiguration dynamique. Par l'utilisation de nouvelles formes de contrats logiciels, les systèmes et frameworks que nous proposons prennent en compte differents formalismes de spécification et maintiennent les contrats à jour pendant l'exécution. Une seconde partie de nos travaux s'intéresse à fournir des capacités auto-adaptatives à ces systèmes contractuels, à travers des mécanismes de négociation de contrats et des sous-systèmes de monitoring eux-mêmes auto-adaptatifs. Un troisième axe concerne les lignes de produits logiciels dans lesquelles les features models sont largement utilisés pour modéliser la variabilité. Nos contributions consistent en un ensemble d'opérateurs de composition bien définis et implémentés efficacement pour les feature models, ainsi qu'un langage dédié permettant leur gestion à large échelle.