Cette thèse s'inscrit dans une démarche Européenne de recherche sous l'égide du projet European Bus System of the Futur (EBSF). Ce projet vise à définir le bus de demain et de préparer son architecture embarquée, aux systèmes de transport intelligents (STI) critiques ou de divertissement, de plus en plus présents dans les véhicules. Les systèmes autrefois hétérogènes et autonomes, devrons à l'avenir communiquer sur une architecture orientée service (SOA) unique. L'objectif est d'optimiser le fonctionnement de l'architecture dans son ensemble grâce à des protocoles de communication ouverts et standards. C'est à partir de cette base, à laquelle nous avons activement apportée notre contribution, que notre thèse s'appuie. Le dimensionnement et la validation de ces architectures sont restés des éléments sans réponse à la suite du projet EBSF. Cette thèse présente premièrement une méthode dimensionnement des architectures STI basée sur les méthodes de décision multi-critères. Nous nous basons sur une étude poussée des besoins opérationnels collectés tout au long de la thèse. Dans un deuxième temps, nous adaptons le modèle de Criticité Mixte, définit dans le domaine du temps réel, aux flux de communication entre le véhicule et l'infrastructure. Enfin nous présentons les travaux réalisés dans le cadre de la standardisation européenne afin de promouvoir ce type d'architecture et les travaux de cette thèse / Intelligent Transportation systems (ITS) are massively used in the Public Transport sector since the Two decades. This profusion of systems on-board and off-board vehicles generates inter-operability issues. The growth of urban zones and the increase of public transport attractiveness, brought multi-modal constraints that are today limited due to a lack of architecture vision embracing all ITS. This thesis proposes to unify the architecture vision of on-board ITS. We based our technical architecture on the Service Oriented Architecture (SOA) proposed in the European Bus System of the Future (EBSF) project, in which this thesis actively contributed. We study first the global requirements of different transportation modes operated in Europe. Those requirements are a basis to the definition of technical constraints of a global architecture. Those constraints are ranked in terms of importance using a proposed method based on Multi-Criteria Decision Making (MCDM) techniques. The method that we propose permits to size the technical architecture. We then study the flow management of data, considering the context of operation of vehicles and the criticality of ITS applications. We propose to adapt the Real-time Mixed-Criticality model to communication systems on-board the vehicles. We apply this method on a communication gateway of a bus, through its journey. Finally we present the work done at the standardization level (CEN) in order promote the global architecture vision presented in the thesis

Ce document présente nos contributions aux algorithmes d'ordonnancement à criticité mixte pour multi-processeurs. La correction de l'exécution des applications temps réel critiques est assurée par l'utilisation d'un ordonnancement vérifié à la conception. Dans ce contexte, le dimensionnement des plate-formes d'exécution vise à minimiser le nombre de processeurs nécessaires pour assurer un ordonnancement correct. Ce dimensionnement est affecté par les exigences de sûreté de fonctionnement. Ces exigences poussent à surestimer le temps nécessaire garantissant l'exécution correcte des applications. Il en découle un dimensionnement assez coûteux. Les méthodes d'ordonnancement des systèmes à criticité mixte proposent des compromis sur les garanties d'exécution des applications améliorant le dimensionnement. Différents compromis ont été proposés mais tous reposent sur la notion de mode d'exécution. Les modes sont ordonnés, et les tâches voient leur temps d'exécution requis croître avec les modes. Cependant, afin de diminuer le dimensionnement du système, seul l'ordonnancement des tâches les plus critiques est garanti. Ce modèle est appelé "discarding". La majorité des algorithmes proposés se limitent à deux modes d'exécutions par simplicité. De plus, les algorithmes les plus efficaces pour multi-processeurs exhibent un nombre élevé de préemptions, ce qui constitue un frein à leur adoption. Finalement, ces algorithmes sont rarement généralisables. Pourtant, la prise en compte de plus de deux modes, ou de tâches aux périodes élastiques permettrait une adoption plus large par le milieu industriel. L'approche proposée repose sur la séparation des préoccupations entre la prise en compte des modes de fonctionnement, et l'ordonnancement des tâches sur multi-processeurs. Cette méthode permet de concevoir une politique d'ordonnancement efficace et adaptable à différents modèles de systèmes à criticité mixte. Notre approche consiste à transformer un lot de tâches à criticité mixte en un lot de tâches qui n'est plus à criticité mixte. Ceci nous permet d'utiliser un algorithme d'ordonnancement temps réel optimal engendrant peu de préemptions et de migrations, à savoir RUN. Cette approche, appliquée en premier pour le modèle discarding avec deux modes d'exécution, rempli son objectif d'efficacité. Nous illustrons sa généricité en utilisant le même principe pour ordonnancer des systèmes discarding avec plus de deux modes d'exécution. Enfin, une démarche reposant sur la décomposition de tâche permet de généraliser l'approche au cas des tâches élastiques. / This thesis focuses on the scheduling of mixed-criticality scheduling algorithms for multi-processors. The correctness of the execution of the real-time applications is ensured by a scheduler and is checked during the design phase. The execution platform sizing aims at minimising the number of processors required to ensure this correct scheduling. This sizing is impacted by the safety requirements. Indeed, these requirements tend to overestimate the execution times of the applications to ensure their correct executions. Consequently, the resulting sizing is costly. The mixed-criticality scheduling theory aims at proposing compromises on the guarantees of the execution of the applications to reduce this over-sizing. Several models of mixed-criticality systems offering different compromises have been proposed but all are based on the use of execution modes. Modes are ordered and tasks have non decreasing execution times in each mode. Yet, to reduce the sizing of the execution platform, only the execution of the most critical tasks is ensured. This model is called the discarding model. For simplicity reasons, most of the mixed-criticality scheduling algorithms are limited to this model. Besides, the most efficient scheduling policies for multi-processors entail too many preemptions and migrations to be actually used. Finally, they are rarely generalised to handle different models of mixed-criticality systems. However, the handling of more than two execution modes or of tasks with elastic periods would make such solutions more attractive for the industry. The approach proposed in this thesis is based on the separation of concerns between handling the execution modes and the scheduling of the tasks on the multi-processors. With this approach, we achieve to design an efficient scheduling policy that schedules different models of mixed-criticality systems. It consists in performing the transformation of a mixed-criticality task set into a non mixed-criticality one. We then schedule this task set by using an optimal hard real-time scheduling algorithm that entails few preemptions and migrations: RUN. We first apply our approach on the discarding model with two execution modes. The results show the efficiency of our approach for such model. Then, we demonstrate the versatility of our approach by scheduling systems of the discarding model with more than two execution modes. Finally, by using a method based on the decomposition of task execution, our approach can schedule systems based on elastic tasks.

La CM (Criticité Mixte) est une solution pour intégrer différents niveaux de criticité dans le même système au sein des mécanismes industriels intégrant des infrastructures réseau différentes. Notre objectif est de proposer des solutions pour intégrer la criticité mixte dans des domaines industriels hautements contraints afin de mélanger des flux de différentes criticité au sein de la même infrastructure. Cette intégration implique des contraintes d'isolation : l'impact du traffic non critique sur le traffic critique doit être borné, et le plus faible possible. C'est une condition indispensable pour assurer le respect des contraintes de temps de transmission. Afin d'analyser ces délais de transmission et de centrer notre travail sur le déterminisme de ces transmissions, nous avons recours à une méthode de calcul de délai de bout en bout appelé l'approche par trajectoires. Dans ce travail, nous utilisons une version corrigée de l'approche par trajectoires, prenant en compte la serialisation des messages.Afin d'assurer les contraintes de délais dans les réseaux à criticité mixte, nous présentons tout d'abord un modèle théorique d'intégration de la criticité mixte. Ce modèles est issu de l'ordonnancement temps-réel en contexte processeur. Ce modèle présente une modélisation des flux considérant que chaque flux peut être de plusieurs niveaux de criticité.Pour intégrer la criticité mixte dans les réseaux temps-réel, nous proposons deux protocoles différents. Le premier est le protocole centralisé. Il est organisé autour de la désignation d'un noeud central dans le réseau, responsable de la synchronisation des niveaux de criticité de chaque noeud via a un mécanisme d'émission multiple fiable. Ce mécanisme est chargé de faire changer les niveaux de criticité de tous les noeuds au même instant. Le second protocole est basé sur une approche distribuée. Il propose une gestion locale à chaque noeud de la criticité. Chaque noeud gère individuellement son propre niveau de criticité interne. Ce protocol permet de préserver les transmissions d'une part du traffic non critique au sein du réseau, même en parallèle de transmissions de flux critiques.Afin de proposer une implémentation de ces protocoles dans Ethernet, nous détaillons comment réutiliser la marque de l'en-tête de Ethernet 802.1Q pour spécifier le niveau criticité d'un message directement au sein de la trame. Grâce à cette solution, chaque flux du réseau est marqué de son niveau de criticité et cette information peut être décodée par les noeuds du réseau afin d'opérer un ordonnancement en conséquence. De plus, en gestion centralisée, nous proposons une solution permettant d'intégrer les informations de gestion de la criticité directement dans les trames du protocole de synchronization d'horloge gls{PTP}.Durant notre travail, nous avons conçu un outil de simulation dénommé gls{ARTEMIS}. Cet outil est utilisé pour l'analyse de délais de transmission dans des réseaux temps-réel et pour l'analyse de scénarios d'ordonnancement à criticité mixte. Les résultats de simulation obtenus nous permettent de formuler différentes hypothèses sur les garanties de qualité de service offertes par les protocoles centralisé et décentralisé. En termes de transmission de trafic non critique, le protocole décentralisé permet d'assurer la transmission d'une certaine quantité de messages grâce au fait que certains noeuds du réseau soient resté en mode non-critique.Pour conclure, nous proposons des solutions d'intégration de la criticité mixte à la fois dans des contextes industriels lourds et dans des architectures Ethernet grand public. Les solutions proposées peuvent être à la fois adaptées à des réseaux synchronisés ou non synchronisés. Selon le protocole, la configuration individuelle à appliquer à chaque noeud peut être réduite afin de proposer des solutions implémentables sur du matériel moins coûteux / MC (Mixed-Criticality) is an answer for industrial systems requiring different network infrastructures to manage informations of different criticality levels inside the same system. Our purpose in this work is to find solutions to integrate gls{MC} inside highly constrained industrial domains in order to mix flows of various criticality levels inside the same infrastructure. This integration induces isolation constraints : the impact of non-critical traffic on critical traffic must be characterized and bounded. This a condition to respect timing constraints. To analyze transmission delays and focus on the determinism of transmissions, we use an end-to-end delay computation method called the trajectory approach. In our work, we use a corrected version of the trajectory approach taking into account the serialization of messages.To assure the respect of timing constraints in mixed critical networks, we first present a theoretical model of gls{MC} representation. This model is issued from gls{MC} tasks scheduling on processors. This model proposes a flow modelization which considers that each flow can be of one (low critical flows) or several criticality levels.To integrate gls{MC} inside gls{RT} networks, we propose two network protocols. The first is the centralized protocol. It is structured around the definition of a central node in the network, which is responsible for synchronizing the criticality level switch of each node through a reliable multicast protocol in charge of switching the network criticality level. This centralized protocol proposes solutions to detect the needs to change the criticality levels of all nodes and to transmit this information to the central node. The second protocol is based on a distributed approach. It proposes a local gls{MC} management on each node of a network. Each node individually manages its own internal criticality level. This protocol offers solutions to preserve when possible non-critical network flows even while transmitting critical flows in the network through weak isolation.In order to propose an implementation of these protocols inside Ethernet, we describe how to use Ethernet 802.1Q header tag to specify the criticality level of a message directly inside the frame. With this solution, each flow in the network is tagged with its criticality level and this information can be analyzed by the nodes of the network to transmit the messages from the flow or not. Additionnally, for the centralized approach, we propose a solution integrating gls{MC} configuration messages into gls{PTP} clock-synchronization messages to manage criticality configuration information in a network.In this work, we designed a simulation tool denoted as gls{ARTEMIS} (Another Real-Time Engine for Message-Issued Simulation). This tool is dedicated to gls{RT} networks analysis and gls{MC} integration scheduling scenarios. This tool, based on open and modular development guidelines, has been used all along our work to validate the theoretical models we presented through simulation. We integrated both centralized and decentralized protocols inside gls{ARTEMIS} core. The obtained simulations results allowed us to provide information about the gls{QOS} guarantees offered by both protocols. Concerning non-critical traffic : the decentralized protocol, by permitting specific nodes to stay in non-critical nodes, assures a highest success ratio of non-critical traffic correct transmission.As a conclusion, we propose solutions to integrate gls{MC} inside both industrial and gls{COTS} Ethernet architectures. The solutions can be either adapted to clock-synchronized or non clock-synchronized protocols. Depending on the protocol, the individual configuration required by each switch can be reduced to adapt these solutions to less costly network devices

Réduire la consommation énergétique des systèmes temps réel embarqués multiprocesseurs est devenu un enjeu important notammentpour augmenter leur autonomie. Nous réduisons la consommation statique des processeurs en exploitant leurs états basseconsommation. Dans un état basse-consommation, la consommation énergétique est fortement réduite mais un délai de transition et une pénalité sont nécessaires pour revenir à l'état actif. Nous proposons dans cette thèse les premiers algorithmes d'ordonnancement tempsréel multiprocesseurs optimaux pour réduire la consommation énergétique des systèmes temps réel dur et des systèmes temps réel àcriticité mixte. Ces algorithmes d'ordonnancement permettent d'activer les état basse-consommation les plus économes en énergie.Chaque algorithme d'ordonnancement est divisé en deux parties. La première partie hors-ligne génère un ordonnancement en utilisant laprogrammation linéaire en nombres entiers pour minimiser la consommation énergétique. La seconde partie est en-ligne et augmente lataille des périodes d'inactivité les tâches terminent leur exécution plus tôt que prévu. Dans le cadre des systèmes temps réel à criticitémixte, nous profitons du fait que les tâches de plus faible criticité peuvent tolérer des dépassements d'échéances pour être plus agressifhors-ligne afin de réduire davantage la consommation énergétique. Les résultats montrent que les algorithmes proposés utilisent demanière plus efficace les états basse-consommation. La consommation énergétique lorsque ceux-ci sont activés est en effet jusqu'à dix fois plus faible qu'avec les algorithmes d'ordonnancement multiprocesseurs existants. / Reducing the energy consumption of multiprocessor real-time embedded systems is a growing concern to increase their autonomy. In thisthesis, we aim to reduce the energy consumption of the processors, it includes both static and dynamic consumption and it is nowdominated by static consumption as the semiconductor technology moves to deep sub-micron scale. Existing solutions mainly focused ondynamic consumption. On the other hand, we target static consumption by efficiently using the low-power states of the processors. In alow-power state, the processor is not active and the deeper the low-power state is, the lower is the energy consumption but the higher isthe transition delay to come back to the active state. In this thesis, we propose the first optimal multiprocessor real-time schedulingalgorithms minimizing the static energy consumption. They optimize the duration of the idle periods to activate the most appropriate lowpowerstates. We target hard real-time systems with periodic tasks and also mixed-criticality systems where tasks with lower criticalitiescan tolerate deadline misses, therefore allowing us to be more aggressive while trying to reduce the energy consumption. We use anadditional task to model the idle time and mixed integer linear programming to compute offline a schedule minimizing the energyconsumption. Evaluations have been performed using existing optimal multiprocessor real-time scheduling algorithms. Results show thatthe energy consumption while processors are idle is up to ten times reduced with our solutions compared to the existing multiprocessor real-time scheduling algorithms.