Lors de la conception de systèmes cyber-physiques, des modèles issus de différents environnements de modélisation doivent être intégrés afin de simuler l'ensemble du système et estimer ses performances. Si certaines parties du système sont disponibles, il est possible de connecter ces parties à la simulation dans une approche Hardware-in-the-Loop (HiL). La simulation doit alors être effectuée en temps réel où les modèles réagissent périodiquement aux composants réels. En utilisant des modèles complexes, il devient difficile d'assurer une exécution rapide ou en temps réel sans utiliser des architectures multiprocesseurs. FMI (Functional Mocked-up Interface), un standard pour l'échange de modèles et la co-simulation, offre de nouvelles possibilités d'exécution multi-cœurs des modèles. L'un des objectifs de cette thèse est de permettre l'extraction du parallélisme potentiel dans une co-simulation multi-rate. Nous nous appuyons sur l'approche RCOSIM qui permet la parallélisation de modèles FMI. Des améliorations sont proposées dans le but de surmonter les limitations de RCOSIM. Nous proposons de nouveaux algorithmes pour permettre la prise en charge de modèles multi-rate. Les améliorations permettent de gérer des contraintes spécifiques telles que l'exclusion mutuelle et les contraintes temps réel. Nous proposons des algorithmes pour l'ordonnancement des co-simulations, en tenant compte de différentes contraintes. Ces algorithmes visent à accélérer la co-simulation ou assurer son exécution temps réel dans une approche HiL. Les solutions proposées sont testées sur des co-simulations synthétiques et validées sur un cas industriel. / When designing cyber-physical systems, engineers have to integrate models from different modeling environments in order to simulate the whole system and estimate its global performances. If some parts of the system are available, it is possible to connect these parts to the simulation in a Hardware-in-the-Loop (HiL) approach. In this case, the simulation has to be performed in real-time where models periodically react to the real components. The increase of requirements on the simulation accuracy and its validity domain requires more complex models. Using such models, it becomes hard to ensure fast or real-time execution without using multiprocessor architectures. FMI (Functional Mocked-up Interface), a standard for model exchange and co-simulation, offers new opportunities for multi-core execution of models. One goal of this thesis is the extraction of potential parallelism in a set of interconnected multi-rate models. We build on the RCOSIM approach which allows the parallelization of FMI models. In the first part of the thesis, improvements have been proposed to overcome the limitations of RCOSIM. We propose new algorithms in order to allow handling multi-rate models and schedule them on multi-core processors. The improvements allow handling specific constraints such as mutual exclusion and real-time constraints. Second, we propose algorithms for the allocation and scheduling of co-simulations, taking into account different constraints. These algorithms aim at accelerating the execution of the co-simulation or ensuring its real-time execution in a HiL approach. The proposed solutions have been tested on synthetic co-simulations and validated against an industrial use case.

La synthèse architecturale fait l'objet de recherches intensives depuis 1985. Quelques expériences ont été menées depuis 5 ans. Mais son application industrielle est très récente. Le but de cette thèse est de spécifier les contraintes industrielles pour des outils de synthèse architecturale et une méthode de conception adaptée afin d'introduire à terme la synthèse comportementale dans le flot de conception industriel. Les difficultés industrielles sont dues à la complexité des circuits et à des incompatibilités éventuelles avec les environnements de conception existants. Pour la conception de circuits complexes, nous présentons ici une méthode modulaire à base de synthèse architecturale. Nous spécifions aussi les caractéristiques nécessaires à un outil de synthèse comportementale pour son intégration dans le flot de conception industriel existant. Nous avons eu l'idée de combiner deux outils complémentaires de synthèse comportementale. L'application de cette méthode à un circuit industriel, nous a fourni de premiers résultats prometteurs : une réduction de la longueur des descriptions au cinquième, une réduction du temps de conception ainsi qu'un surplus en surface de seulement 5% par rapport à la méthode classique manuelle. Cependant, en appliquant notre méthode à un circuit plus complexe, nous avons mis en évidence les limites, à ce jour, des outils de synthèse architecturale utilisés dans cette thèse. Le temps de conception gagné par l'automatisation de la génération de l'architecture est perdu dans l'intégration des outils dans le flot de conception industriel existant.

Les systèmes sur puces sont un ensemble de composants hétérogènes. La conception des ces systèmes peut être vue sous deux aspects : la conception des composants et leurs intégration dans le même système. La conception des composants nécessiterait des compétences de différentes équipes de développement selon les besoins, les compétences et, les fonctionnalités, etc. L'intégration de ces composants requerrait alors (1) des connaissances multidisciplinaires des différents concepts utilisés par les composants, (2) des modèles globaux du système pour la description des composants et de leurs interactions et (3) un modèle de validation tout au long du flot de conception par assemblage de composants. Toutefois, la diversité des descriptions et de modélisations des différents composants rendent l'intégration un processus très complexe et laborieux.<br /> L'objectif de cette thèse est de généraliser le concept de modélisation et de validation globale des systèmes embarqués sur puce afin de faciliter le processus d'intégration et d'assemblage de composant de système sur puce. Cette généralisation concerne (1) les concepts communs pour la modélisation des systèmes hétérogènes avant la synthèse de leurs circuits notamment pour la simulation, l'exécution, etc. et (2) la définition d'un modèle de d'exécution global pour la validation des systèmes hétérogènes par composition d'autres modèles. Les concepts proposés dans cette thèse sont validés à travers trois applications complexes : un centre d'informations automobile, un modem d'une chaîne audio 802.16 et un système de radio définie par logiciel.

La conception d'un système électronique devient de plus en plus difficile pour des raisons de complexité et d'hétérogénéité sans cesse croissantes, ajouté à cela, les méthodes de travail et les compétences des concepteurs évoluent moins vite que les possibilités techniques d'intégration. Ces constatations amènent à la conclusion que les méthodes de conception actuelles avouent leurs limites et ont besoin d'évoluer. Le sujet de cette thèse porte sur une méthode de conception permettant d'appréhender de façon globale un système électronique complexe. Cette méthode repose sur une approche modulaire d'un système où sont séparés le comportement d'un module et les communications entre les modules. Le raffinement et la simulation de chaque module sont confiés aux outils habituels et adaptés au domaine d'application. La coordination globale est décrite au travers d'un langage de coordination et la simulation globale fait appel à la technique de cosimulation géographiquement répartie. L'environnement de raffinement des communications permet de préciser le comportement des communications afin de suivre le raffinement du comportement des modules jusqu'à la synthèse. La méthode présentée doit permettre de réduire significativement le temps de mise sur le marché d'un produit par son approche globale permettant de simuler très tôt un système. Cette méthode, et plus particulièrement l'environnement de cosimulation, a été utilisée avec succès lors d'une expérience menée en collaboration avec le CNET(France Télécom), ST–microelectronics et AREXSYS.

De nos jours, la réalisation d'un système électronique hétérogène composé de différents sous-systèmes (logiciel, matériel, mécanique, etc..), démarre par une spécification de haut niveau qui est ensuite divisée en différentes parties modélisées en différents langages. Ces nouvelles méthodes requièrent donc de nouvelles techniques d'aide à la conception et de validation afin de réduire le temps de mise sur le marché. La vérification par simulation de tels systèmes consiste à simuler conjointement les différentes parties du système en utilisant les simulateurs appropriés à leur type de modélisation. Ce type de simulation appelé cosimulation doit être réalisable à tous les niveaux de la spécification. Le sujet de cette thèse consiste à étudier un outil de validation par cosimulation. Cet outil doit pouvoir vérifier un système complet tout au long de son flot de conception par simulation à l'aide de simulateurs concurrentiels communicants. Chaque partie du système est simulée, éventuellement sur une machine distante pour respecter la délocalisation des groupes de travail, mais surtout par un simulateur spécifique à son domaine d'application. La cosimulation multiniveaux peut être de deux types. Le premier est la cosimulation fonctionnelle. Elle permet une validation de l'interconnexion des sous-systèmes entre eux. Le second est la cosimulation temporelle. Elle permet d'ajouter à la cosimulation fonctionnelle une synchronisation en temps des différents simulateurs. L'interface de cosimulation a été utilisée avec succès sur des applications industrielles, tout particulièrement sur des exemples du monde automobile chez PSA (Peugeot-Citroën). Au niveau multilangage, elle permet actuellement d'inclure des langages tels que SDL, COSSAP, MATLAB, SABER, VHDL et le C, bénéficiant ainsi d'une variété de langages pour la spécification.

L'évolution des technologies d'intégration sur silicium permet de réaliser des systèmes sur puce (SoC) implémentant un nombre croissant d'unités de traitement. Les structures de communication sur puce deviennent un lélément essentiel pour la conception d'un SoC. dans ce contexte, le LETI propose une plateforme implémentant les fonctionnalités de la couche physique pour des systèmes de télécommunication sans-fil haut-débit en utilisant une architecture de réseaux sur puces (NoC). Les contributions de cette thèse portent d'abord sur la modélisation des NoC. L'environnement de modélisation proposé est basé sur l'outil de simulation NS-2. Ensuite, les travaux abordent les problèmatiques de la gestion des communications et du contrôle des traitements avec un système distribué sur un NoC. La solution présentée utilise une architecture d'interface réseau reconfigurable associée à chaque unité de traitement. L'ensemble de cette approche a été modélisé et simulé dans un environnement mixte VHDL et SystemC.

With the increased complexity of modern power systems, it may be required more than one platform to do an intended study efficiently and accurately. This research was carried out to investigate the use of co-simulation in an application of power system. A back-to-back Voltage Source Converter (VSC) transmission system was modeled in PSCAD/EMTDC which is an Electro-Magnetic Type (EMT) software. Results were analyzed for some operating points of the system. Then the control system of the above system was modelled in MATLAB/SIMULINK while the rest of the system was modeled in PSCAD/EMTDC. Both of these systems were interfaced to obtain the complete system and results were analyzed under same operating points as the original PSCAD case.

With the increased complexity of modern power systems, it may be required more than one platform to do an intended study efficiently and accurately. This research was carried out to investigate the use of co-simulation in an application of power system. A back-to-back Voltage Source Converter (VSC) transmission system was modeled in PSCAD/EMTDC which is an Electro-Magnetic Type (EMT) software. Results were analyzed for some operating points of the system. Then the control system of the above system was modelled in MATLAB/SIMULINK while the rest of the system was modeled in PSCAD/EMTDC. Both of these systems were interfaced to obtain the complete system and results were analyzed under same operating points as the original PSCAD case.

A co-simulation methodology is explored whereby a finite element code and a multi-body dynamics code featuring flexible cantilevered beams can be coupled and interactively executed. The floating frame of reference formulation is used to develop the equations of motion. The floating frame is fixed at the blade root. Such a formulation results in ordinary differential equations without added algebraic constraints. A variety of loose coupling and tight coupling schemes are examined for this problem. To synchronize the coupling variables, a Gauss-Seidel type iterative algorithm is used. The resulting fixed-point iterations are accelerated using Aitken’s adaptive relaxation technique. The methodology is evaluated for FAST, a wind turbine aeroelastic simulation code developed by NREL. As with FAST, many multi-body codes which can model flexibility employ modal methods. A proposed addition for FAST to simulate flexible effects using a finite element method module offers a potential to include a variety of non-linearities and also provides possibilities for using a high-fidelity aerodynamics module. The coupling schemes are compared and their applicability and limitations for different scenarios are pointed out. Results validating the approach are provided.

This thesis implements and evaluates static scheduling for aggregated FMUs. An aggregate FMU is several coupled FMUs placed in a single FMU. The implementation creates task graphs from the internal dependencies and connections between the coupled FMUs. These task graphs are then scheduled using two different list scheduling heuristics, MCP and HLFET. The resulting schedules are then executed in parallel by using OpenMP in the runtime. The implementation is evaluated by looking at the utilization of the schedule, the execution time of the scheduling and the speedup of the simulation. These measurements are taken on three different test models. With model exchange FMUs only a really small speedup is observed. With co-simulation models the speedup varies a lot depending on the model, the highest achieved speedup was 2.8 running on four cores.