La présence de systèmes et d'objets embarqués communicants dans notre vie quotidienne nous a apporté une myriade d'avantages, allant de l'ajout de commodité et de divertissement à l'amélioration de la sûreté de nos déplacements et des soins de santé. Cependant, les défauts et les vulnérabilités de ces systèmes exposent leurs utilisateurs à des risques de dommages matériels, de pertes financières, et même des dommages corporels. Par exemple, certains véhicules commercialisés, qu'ils soient connectés ou conventionnels, ont déjà souffert d'une variété de défauts de conception entraînant des blessures et la mort. Dans le même temps, alors que les véhicules sont de plus en plus connectés (et dans un avenir proche, autonomes), les chercheurs ont démontré la possibilité de piratage de leurs capteurs ou de leurs systèmes de contrôle interne, y compris l'injection directe de messages sur le bus CAN.Pour assurer la sûreté des utilisateurs et des passants, il faut considérer plusieurs facteurs. La sûreté conventionnelle suggère qu'un système ne devrait pas contenir de défauts logiciels et matériels qui peuvent l'empêcher de fonctionner correctement. La "sûreté de la fonction attendue" consiste à éviter les situations que le système ou ses composants ne peuvent pas gérer, comme des conditions environnementales extrêmes. Le timing peut être critique pour certains systèmes en temps réel, car afin d'éviter des situations dangereuses, le système devra réagir à certains événements, comme l'évitement d'obstacles, dans un délai déterminé. Enfin, la sûreté d'un système dépend de sa sécurité. Un attaquant qui peut envoyer des commandes fausses ou modifier le logiciel du système peut changer son comportement et le mettre dans diverses situations dangereuses. Diverses contre-mesures de sécurité et de sûreté pour les systèmes embarqués, en particulier les véhicules connectés, ont été proposées. Pour mettre en oeuvre correctement ces contre-mesures, il faut analyser et vérifier que le système répond à toutes les exigences de sûreté, de sécurité et de performance, et les faire la plus tôt possible dans les premières phases de conception afin de réduire le temps de mise sur le marché, et éviter les reprises. Cette thèse s'intéresse à la sécurité et la sûreté des les systèmes embarqués, dans le contexte du véhicule autonome de l'Institut Vedecom. Parmi les approches proposées pour assurer la sûreté et la sécurité des les systèmes embarqués, l'ingénierie dirigée par modèle est l'une de ces approches qui couvre l'ensemble du processus de conception, depuis la définition des exigences, la conception du matériel et des logiciels, la simulation/vérification formelle et la génération du code final. Cette thèse propose une méthodologie de modélisation pour une conception sûre et sécurisée, basée sur la méthodologie SysML-Sec, qui implique de nouvelles méthodes de modélisation et de vérification. La modélisation de la sécurité est généralement effectuée dans les dernières phases de la conception. Cependant, la sécurité a un impact sur l'architecture/allocation; les décisions de partitionnement logiciel/matériel devraient être prises en fonction de la capacité de l'architecture à satisfaire aux exigences de sécurité. Cette thèse propose comment modéliser les mécanismes de sécurité et l'impact d'un attaquant dans la phase de partitionnement logiciel/matériel. Comme les protocoles de sécurité ont un impact négatif sur le performance d'un système, c'est important de mesurer l'utilisation des composants matériels et les temps de réponse du système. Des composants surchargés peuvent entraîner des performances imprévisibles et des retards indésirables. Cette thèse traite aussi des mesures de latence des événements critiques pour la sécurité, en se concentrant sur un exemple critique pour les véhicules autonomes : le freinage/réponse après la détection d'obstacles. Ainsi, nos contributions soutiennent la conception sûre et sécurisée des systèmes embarqués. / The presence of communicating embedded systems/IoTs in our daily lives have brought a myriad of benefits, from adding conveniences and entertainment, to improving the safety of our commutes and health care. However, the flaws and vulnerabilities in these devices expose their users to risks of property damage, monetary losses, and personal injury. For example, consumer vehicles, both connected and conventional, have succumbed to a variety of design flaws resulting in injuries and death. At the same time, as vehicles are increasingly connected (and in the near future, autonomous), researchers have demonstrated possible hacks on their sensors or internal control systems, including direct injection of messages on the CAN bus.Ensuring the safety of users or bystanders involves considering multiple factors. Conventional safety suggests that a system should not contain software and hardware flaws which can prevent it from correct function. `Safety of the Intended Function' involves avoiding the situations which the system or its components cannot handle, such as adverse extreme environmental conditions. Timing can be critical for certain real-time systems, as the system will need to respond to certain events, such as obstacle avoidance, within a set period to avoid dangerous situations. Finally, the safety of a system depends on its security. An attacker who can send custom commands or modify the software of the system may change its behavior and send it into various unsafe situations. Various safety and security countermeasures for embedded systems, especially connected vehicles, have been proposed. To place these countermeasures correctly requires methods of analyzing and verifying that the system meets all safety, security, and performance requirements, preferably at the early design phases to minimize costly re-work after production. This thesis discusses the safety and security considerations for embedded systems, in the context of Institut Vedecom's autonomous vehicle. Among the proposed approaches to ensure safety and security in embedded systems, Model-Driven Engineering is one such approach that covers the full design process, from elicitation of requirements, design of hardware and software, simulation/formal verification, and final code generation. This thesis proposes a modeling-based methodology for safe and secure design, based on the SysML-Sec Methodology, which involve new modeling and verification methods. Security modeling is generally performed in the last phases of design. However, security impacts the early architecture/mapping and HW/SW partitioning decisions should be made based on the ability of the architecture to satisfy security requirements. This thesis proposes how to model the security mechanisms and the impact of an attacker as relevant to the HW/SW Partitioning phase. As security protocols negatively impact performance, it becomes important to measure both the usage of hardware components and response times of the system. Overcharged components can result in unpredictable performance and undesired delays. This thesis also discusses latency measurements of safety-critical events, focusing on one critical to autonomous vehicles: braking as after obstacle detection. Together, these additions support the safe and secure design of embedded systems.

L'objet de ces travaux de these est l'etude de la conception des systemes mixtes logiciels/materiels, et le prototypage de ces systemes sur des architectures multiprocesseurs (microprocesseur, asics, fpgas, etc..). Ce sujet de recherche fait partie de la synthese de systemes vlsi et de la conception mixte logicielle/materielle. Ces travaux traitent principalement des problemes de co-simulation, des architectures pour le co-design et de la communication logicielle/materielle. Afin d'atteindre ces objectifs, une methodologie permettant la co-simulation et la co-synthese du logiciel et du materiel dans un environnement unifie a ete developpee. Cette methodologie part d'une specification c-vhdl de haut niveau. Le modele c-vhdl est raffine au cours de plusieurs etapes de conception pour aboutir a un prototype fonctionnel valide sur une architecture multiprocesseurs modulaire et flexible. L'originalite de ce travail vient du fait que les memes specifications c-vhdl sont utilisees pour la co-simulation et la co-synthese. Cela est realise grace a un style de description independant de l'architecture cible. La combinaison de l'utilisation des outils de conception disponibles et de la methodologie proposee permet de concevoir des applications de plus en plus complexes. Cette methodologie est validee par la realisation d'une application d'un systeme de commande de moteur base sur la logique floue. La conception de cette application part d'une description c-vhdl. Ce systeme est valide en premier lieu par la co-simulation, puis par les differentes etapes de synthese pour aboutir finalement a un prototype fonctionnel. Ce prototype est transpose sur une plate-forme comportant des modules logiciels et materiels (microprocesseur plus des fpgas)

La forte augmentation du nombre de terminaux connectés ces dernières années et l'utilisation croissante des technologies de communication impacte de manière non négligeable la facture énergétique. Pour enrayer cette augmentation de la consommation énergétique, il devient primordial de pouvoir comparer en termes de consommation les algorithmes de communications numériques, afin de développer l'architecture de transmission la moins énergivore. Dans cette thèse, la couche physique des standards Wi-Fi IEEE 802.11ac est analysée sous un angle énergétique. La puissance dissipée dans les circuits pour faire fonctionner les algorithmes de traitement de signal est prise en compte en plus de la puissance d'émission d'antenne classique. La méthodologie mise en œuvre inclut à la fois des simulations et des développements sur plateforme matérielle (FPGA), permettant d'obtenir des évaluations de la consommation plus réalistes. Nous avons dans un premier temps analysé de façon isolée les éléments composant les chaines de communications numériques. Puis nous avons intégré les périodes d'activité et d'inactivité de chaque élément dans le calcul de la consommation énergétique globale des chaines. Nous proposons une méthode pratique et efficace d'estimation de la consommation, incluant une base de données issue de simulations, et une analyse théorique des taux d'activité de chaque élément de la chaine. Ces résultats permettent d'analyser la répartition de la consommation en puissance des éléments composant les émetteurs et les récepteurs, et de comparer diverses architectures et jeux de paramètres. En particulier, nous avons évalué l'impact de deux architectures de Transformées de Fourier Rapides sur la consommation globale du système. / The strong increase of the number of connected devices in recent years and the increasing use of communication technologies has a significant impact on the energy bill. To stop the increase in energy consumption, it is essential to be able to compare the digital communication algorithms in terms of consumption, in order to develop the most energy-efficient transmission architecture.In this thesis, the IEEE 802.11ac Wi-Fi standard of physical layer is analyzed at an energy point of view. The power dissipated in the circuits for operating the signal processing algorithms is taken into account in addition to the antenna transmission power. The implemented methodology includes both simulations and developments on a hardware platform (FPGAs), resulting in more realistic consumption assessments.First, we analyzed separately the components of the digital communications chains. Then we integrated the periods of activity and inactivity of each element in the calculation of the global energy consumption of the chains. We propose a practical and efficient method of estimating consumption, including a database derived from simulations, and a theoretical analysis of the activity rates of each element of the chain.These results make it possible to analyze the distribution of the power consumption of the elements composing transmitters and receivers, and to compare various architectures and sets of parameters. In particular, we evaluated the impact of two Fast Fourier Transform architectures on overall system consumption.

Ce travail de thèse s’inscrit dans le domaine de l’informatique affective et plus précisément de l’intelligence artificielle et de l’exploration d’architecture. L’objectif de ce travail est de concevoir un système complet de détection des émotions en utilisant des signaux physiologiques. Ce travail se place donc à l’intersection de l’informatique pour la définition d’algorithme de détection des émotions et de l’électronique pour l’élaboration d’une méthodologie d’exploration d’architecture et pour la conception de nœuds de capteurs. Dans un premier temps, des algorithmes de détection multimodale et instantanée des émotions ont été définis. Deux algorithmes de classification KNN puis SVM, ont été implémentés et ont permis d’obtenir un taux de reconnaissance des émotions supérieurs à 80%. Afin de concevoir un tel système alimenté sur pile, un modèle analytique d’estimation de la consommation à haut niveau d’abstraction a été proposé et validé sur une plateforme réelle. Afin de tenir compte des contraintes utilisateurs, un outil de conception et de simulation d’architecture d’objets connectés pour la santé a été développé, permettant ainsi d’évaluer les performances des systèmes avant leur conception. Une architecture logicielle/matérielle pour la collecte et le traitement des données satisfaisant les contraintes applicatives et utilisateurs a ainsi été proposée. Doté de cette architecture, des expérimentations ont été menées pour la Mnémothérapie musicale. EMOTICA est un système complet de détection des émotions utilisant des signaux physiologiques satisfaisant les contraintes d’architecture, d’application et de l’utilisateur. / This thesis work is part of the field of affective computing and more specifically artificial intelligence and architectural exploration. The goal of this work is to design a complete system of emotions detection using physiological signals. This work is therefore situated at the intersection of computer science for the definition of algorithm of detection of emotions and electronics for the development of an architecture exploration methodology for the design of sensor nodes. At first, algorithms for multimodal and instantaneous detection of emotions were defined. Two algorithms of classification KNN then SVM, were implemented and made it possible to obtain a recognition rate of the emotions higher than 80%. To design such a battery-powered system, an analytical model for estimating the power consumption at high level of abstraction has been proposed and validated on a real platform. To consider user constraints, a connected object architecture design and simulation tool for health has been developed, allowing the performance of systems to be evaluated prior to their design. Then, we used this tool to propose a hardware/software architecture for the collection and the processing of the data satisfying the architectural and applicative constraints. With this architecture, experiments have been conducted for musical Mnemotherapy. EMOTICA is a complete system for emotions detection using physiological signals satisfying the constraints of architecture, application and user.