Dans cette thèse, nous proposons d'étudier le débogage interactif d'applications pour les systèmes embarqués MPSoC (Multi-Processor System on Chip). Une étude de l'état de l'art a montrée que la conception et le développement de ces applications reposent de plus en plus souvent sur des modèles de programmation et des frameworks de développement. Ces environnements définissent les bonnes pratiques, tant au niveau algorithmique qu'au niveau des techniques de programmation. Ils améliorent ainsi le cycle de développement des applications destinées aux processeurs MPSoC. L'utilisation de modèles de programmation ne garantit cependant pas que les codes pourront être exécutés sans erreur, en particulier dans le cas de la programmation dynamique, où ils offrent très peu d'aide a la vérification. Notre contribution pour résoudre ces challenges consiste en une nouvelle approche pour le débogage interactif, appelée Programming Model-Centric Debugging, ainsi qu'une implémentation d'un prototype de débogueur. Le débogage centré sur les modèles rapproche le débogage interactif du niveau d'abstraction fourni par les modèles de programmation, en capturant et interprétant les évènements générés pendant l'exécution de l'application. Nous avons appliqué cette approche sur trois modèles de programmation, basés sur les composants logiciels, le dataflow et la programmation d'accélérateur par kernels. Ensuite, nous détaillons comment nous avons développé notre prototype de débogueur, basé sur GDB, pour la programmation de la plate-forme STHORM de STMicroelectronics. Nous montrons aussi comment aborder le débogage basé sur les modèles avec quatre études de cas : un code de réalité augmentée construit à l'aide de composants, une implémentation dataflow d'un décodeur vidéo H.264 et deux applications de calcul scientifique. / In this thesis, we propose to study interactive debugging of applications running on embedded systems Multi-Processor System on Chip (MPSoC). A literature study showed that nowadays, the design and development of these applications rely more and more on programming models and development frameworks. These environments gather established algorithmic and programming good-practices, and hence speed up the development process of applications running on MPSoC processors. However, sound programming models are not always sufficient to reach or approach error-free codes, especially in the case of dynamic programming, where they offer little to no help. Our contribution to lighten these challenges consists in a novel approach for interac- tive debugging, named Programming Model-Centric Debugging, as well as a prototype debugger implementation. Model-centric debugging raises interactive debugging to the level of programming models, by capturing and interpreting events generated during the application execution (e.g. through breakpointed API function calls). We illustrate how we applied this approach to three different programming models, software components, dataflow and kernel-based programming. Then, we detail how we developed a debugger prototype based on GDB, for STMicroelectronics's STHORM programming environment. STHORM development toolkit provides supportive environments for component, dataflow and kernel-based programming. We also demonstrate how to tackle software debugging with our debugger prototype through four case studies: an augmented reality feature tacker built with components, a dataflow implementation of the H.264 video decoding standard and two scientific HPC computing applications.

Le développement du multimédia, avec l'émergence des architectures parallèles, a ravivé l'intérêt de la programmation flux de données pour la conception de systèmes embarqués. En effet, la programmation flux de données offre une approche de développement suffisamment flexible pour créer des applications complexes tout en exprimant la concurrence et le parallélisme explicitement. Paradoxalement, la plupart des études portent sur des modèles flux de données statiques, même si un processus de développement pragmatique nécessite l'expressivité et la practicité d'un langage de programmation basé sur un modèle flux de données dynamiques, comme le langage de programmation utilisé dans le cadre de Reconfigurable Video Coding. Dans cette thèse, nous décrivons un environnement de développement pour la programmation flux de données qui facilite le développement multimédia pour des plates-formes multi-coeur embarquées. Cet environnement de développement repose sur une architecture logicielle modulaire qui bénéficie de techniques modernes de génie logiciel telles que la méta modélisation et la programmation orientée aspect. Ensuite, nous développons une implémentation logicielle optimisée des programmes flux de données ciblant aussi bien les ordinateurs de bureau que les plates-formes embarquées. Notre implémentation vise à combler le fossé entre la practicité du langage de programmation et l'efficacité de son exécution. Enfin, nous présentons un ensemble d'algorithmes de projection et d'ordonnancement d'acteurs qui permettent l'exécution de programmes flux de données dynamiques sur des plates-formes multi-coeur avec des performances extensibles. / The development of multimedia technology, along with the emergence of parallel architectures, has revived the interest on dataflow programming for designing embedded systems. Indeed, dataflow programming offers a flexible development approach in order to build complex applications while expressing concurrency and parallelism explicitly. Paradoxically, most of the studies focus on static dataflow models of computation, even if a pragmatic development process requires the expressiveness and the practicality of a programming language based on dynamic dataflow models, such as the language included in the Reconfigurable Video Coding framework. In this thesis, we describe a complete development environment for dataflow programming that eases multimedia development for embedded multi-core platforms. This development environment is built upon a modular software architecture that benefits from modern software engineering techniques such as meta modeling and aspect-oriented programming. Then, we develop an optimized software implementation of dataflow programs targeting desktop and embedded multi-core platforms. Our implementation aims to bridge the gap between the practicality of the programming language and the efficiency of the execution. Finally, we present a set of runtime actors mapping/scheduling algorithms that enable the execution of dynamic dataflow programs over multi-core platforms with scalable performance.

Les travaux présentés dans ce mémoire visent à s'assurer que la complexité des parties informatiques et électroniques de systèmes embarqués sur l'automobile ne conduise pas globalement à une dégradation de la sûreté de fonctionnement du véhicule par rapport à un véhicule équipé de commandes mécaniques. La tendance actuelle vers l'intégration des différents systèmes électroniques embarqués nous a conduit à comparer différents réseaux multiplexés du domaine d'automobile au niveau de leur sûreté de fonctionnement. C'est dans cette optique également que nous développons un spectre d'architectures qui nous permet d'illustrer, classifier et comparer différentes possibilités existantes entre une architecture entièrement fédérée à un bout du spectre et une architecture entièrement intégrée à l'autre. Après une comparaison qualitative des architectures présentées (avec un effet de loupe sur l'aspect coût), nous focalisons sur l'évaluation quantitative de leur sûreté de fonctionnement. Parmi les différentes techniques d'évaluation généralement employées nous choisissons la technique d'évaluation probabiliste par Réseaux de Petri Stochastiques Généralisés. L'originalité de la méthode réside dans le fait de modéliser les aspects fonctionnels indépendamment de l'architecture ainsi que de l'activation du véhicule. Nous définissons les mesures de sûreté de fonctionnement à l'aide d'un modèle fonctionnel dont les changements d'état sont dictés par un modèle du calculateur sous-jacent. Plusieurs architectures du calculateur sont modélisées sans changer le modèle fonctionnel. Les résultats obtenus pour deux fonctions, à savoir le coussin gonflable et la direction électronique, permettent en particulier de tirer des conclusions concernant le choix d'une architecture pour une fonction donnée.

Dans cette thèse, nous proposons une architecture reconfigurable scalable et flexible, avec un réseau de communication parallèle « full-duplex switched » ainsi que le modèle d’exécution approprié ce qui nous a permis de redéfinir les paradigmes de calcul, de communication et de reconfiguration dans les systèmes embarqués à haute performance (HPEC). Ces systèmes sont devenus très sophistiqués et consommant des ressources pour trois raisons. Premièrement, ils doivent capturer et traiter des données en temps réel à partir de plusieurs sources d’E/S parallèles. Deuxièmement, ils devraient adapter leurs fonctionnalités selon l’application ou l’environnement. Troisièmement, à cause du parallélisme potentiel des applications, multiples instances de calcul réparties sur plusieurs nœuds sont nécessaires, ce qui rend ces systèmes massivement parallèles. Grace au parallélisme matériel offert par les FPGAs, la logique d’une fonction peut être reproduite plusieurs fois pour traiter des E/S parallèles, faisant du modèle d’exécution « Single Program Multiple Data » (SPMD) un modèle préféré pour les concepteurs d’architectures parallèles sur FPGA. En plus, la fonctionnalité de reconfiguration dynamique est un autre attrait des composants FPGA permettant la réutilisation efficace des ressources matérielles limitées. Le défi avec les systèmes HPEC actuels est qu’ils sont généralement conçus pour répondre à des besoins spécifiques d’une application engendrant l’obsolescence rapide du matériel. Dans cette thèse, nous proposons une architecture qui permet la personnalisation des nœuds de calcul (FPGA), la diffusion des données (E/S, bitstreams) et la reconfiguration de plusieurs nœuds de calcul en parallèle. L’environnement logiciel exploite les attraits du réseau de communication pour implémenter le modèle d’exécution SPMD.Enfin, afin de démontrer les avantages de notre architecture, nous avons mis en place une application d’encodage H.264 sécurisé distribué évolutif avec plusieurs protocoles de communication avioniques pour les données et le contrôle. Nous avons utilisé le protocole « serial Front Panel Data Port (sFPDP) » d’acquisition de données à haute vitesse basé sur le standard FMC pour capturer, encoder et de crypter le flux vidéo. Le système mis en œuvre s’appuie sur 3 FPGA différents, en respectant le modèle d’exécution SPMD. En outre, nous avons également mis en place un système d’E/S modulaire en échangeant des protocoles dynamiquement selon les besoins du système. Nous avons ainsi conçu une architecture évolutive et flexible et un modèle d’exécution parallèle afin de gérer plusieurs sources vidéo d’entrée parallèles. / In this thesis, we propose a scalable and customizable reconfigurable computing platform, with a parallel full-duplex switched communication network, and a software execution model to redefine the computation, communication and reconfiguration paradigms in High Performance Embedded Systems. High Performance Embedded Computing (HPEC) applications are becoming highly sophisticated and resource consuming for three reasons. First, they should capture and process real-time data from several I/O sources in parallel. Second, they should adapt their functionalities according to the application or environment variations within given Size Weight and Power (SWaP) constraints. Third, since they process several parallel I/O sources, applications are often distributed on multiple computing nodes making them highly parallel. Due to the hardware parallelism and I/O bandwidth offered by Field Programmable Gate Arrays (FPGAs), application can be duplicated several times to process parallel I/Os, making Single Program Multiple Data (SPMD) the favorite execution model for designers implementing parallel architectures on FPGAs. Furthermore Dynamic Partial Reconfiguration (DPR) feature allows efficient reuse of limited hardware resources, making FPGA a highly attractive solution for such applications. The problem with current HPEC systems is that, they are usually built to meet the needs of a specific application, i.e., lacks flexibility to upgrade the system or reuse existing hardware resources. On the other hand, applications that run on such hardware architectures are constantly being upgraded. Thus there is a real need for flexible and scalable hardware architectures and parallel execution models in order to easily upgrade the system and reuse hardware resources within acceptable time bounds. Thus these applications face challenges such as obsolescence, hardware redesign cost, sequential and slow reconfiguration, and wastage of computing power.Addressing the challenges described above, we propose an architecture that allows the customization of computing nodes (FPGAs), broadcast of data (I/O, bitstreams) and reconfiguration several or a subset of computing nodes in parallel. The software environment leverages the potential of the hardware switch, to provide support for the SPMD execution model. Finally, in order to demonstrate the benefits of our architecture, we have implemented a scalable distributed secure H.264 encoding application along with several avionic communication protocols for data and control transfers between the nodes. We have used a FMC based high-speed serial Front Panel Data Port (sFPDP) data acquisition protocol to capture, encode and encrypt RAW video streams. The system has been implemented on 3 different FPGAs, respecting the SPMD execution model. In addition, we have also implemented modular I/Os by swapping I/O protocols dynamically when required by the system. We have thus demonstrated a scalable and flexible architecture and a parallel runtime reconfiguration model in order to manage several parallel input video sources. These results represent a conceptual proof of a massively parallel dynamically reconfigurable next generation embedded computers.