Cette thèse porte sur la mise en œuvre des architectures reconfigurables pour répondre aux besoins des systèmes de communication : des débits élevés et une grande flexibilité supportant les évolutivités des futurs systèmes. Nous nous intéressons particulièrement aux systèmes MIMO. Les architectures proposées utilisent l'opérateur CORDIC (COordinate Rotation DIgital Computing) comme opérateur commun, ainsi que les techniques de reconfiguration statique et partielle de FPGA en vue d'une optimisation et d'une adaptation dynamique des ressources matérielles aux caractéristiques de la communication. Le nombre d'opérateurs CORDIC peut donc être modifié par la reconfiguration statique pour s'adapter aux différents récepteurs MIMO et aux différents débits demandés. Les interconnexions entre les opérateurs CORDIC peuvent être modifiées par la reconfiguration partielle et dynamique de FPGA afin d'optimiser les ressources matérielles. L'impact du nombre d'étage de l'opérateur CORDIC sur le TEB et EQM du décodeur a été étudié. Trois exemples de récepteurs MIMO ont été réalisés à l'aide cette architecture reconfigurable: V-BLAST Square Root, MMSE et CMA. L'utilisation de cette architecture permet de diminuer les ressources matérielles sans dégrader les performances du décodeur MIMO en terme de TEB et EQM.

Les applications auto-adaptatives, dont le comportement évolue en fonction de l'environnement, sont un élément clé des systèmes de demain. L'utilisation de matériel reconfigurable, combiné à la parallélisation des unités de calcul, permettent d'envisager de nouveaux niveaux de performances pour ces mêmes applications. L'objectif de cette thèse est de mettre en place un ensemble d'outils permettant la description et le déploiement d'applications parallèles auto-adaptatives. Nous proposons à la fois un modèle d'application parallèle et une architecture de plateforme reconfigurable destinée au déploiement des applications conçues en utilisant ce modèle. Notre modèle d'applications sépare le contrôle du calcul en isolant ce dernier en différents noyaux virtuels. Associée à une représentation du contrôle indépendante de la plateforme, la structure de l'application est donc totalement portable. Indépendamment de celle-ci, les noyaux de calcul peuvent être distribués selon plusieurs implémentations, selon la plateforme, mais également pour proposer différents niveaux de performances. Une couche de virtualisation permet de faire le lien entre la partie contrôle et les noyaux, en traduisant les ordres génériques en actions adaptées à l'implémentation. Concernant la plateforme, nous proposons une architecture permettant l'intégration de ressources de calcul logicielles et matérielles, pouvant être implémentées tant statiquement qu'en utilisant du matériel reconfigurable. Cette architecture parallèle, inspirée du modèle des supercalculateurs, doit permettre d'utiliser tout type d'unités d'exécution et de matériel reconfigurable comme base matérielle pour la plateforme.

Les architectures par composants sont de plus en plus étudiées et utilisées pour le développement efficace des applications en génie logiciel. Elles offrent, d’un côté, une architecture claire aux développeurs, et de l’autre, une séparation des différentes parties fonctionnelles et en particulier dans les applications de visualisation scientifique interactives. La modélisation de ces applications doit permettre la description des comportements de chaque composant et les actions globales du système. De plus, les interactions entre composants s’expriment par des schémas de communication qui peuvent être très complexes avec, par exemple, la possibilité de perdre des messages pour gagner en performance. Cette thèse décrit le modèle ComSA (Component-based approach for Scientific Applications) qui est basé sur une approche par composants dédiée aux applications de visualisation scientifique interactive et dynamique formalisée par les réseaux FIFO colorés stricts (sCFN). Les principales contributions de cette thèse sont dans un premier temps, un ensemble d’outils pour modéliser les différents comportements des composants ainsi que les différentes politiques de communication au sein de l’application. Dans un second temps, la définition de propriétés garantissant un démarrage propre de l’application en analysant et détectant les blocages. Cela permet de garantir la vivacité tout au long de l’exécution de l’application. Finalement l’étude de la reconfiguration dynamique des applications d’analyse visuelle par ajout ou suppression à la volée d’un composant sans arrêter toute l’application. Cette reconfiguration permet de minimiser le nombre de services non disponibles. / Component-based approaches are increasingly studied and used for the effective development of the applications in software engineering. They offer, on the one hand, safe architecture to developers, and on the other one, a separation of the various functional parts and particularly in the interactive scientific visualization applications. Modeling such applications enables the behavior description of each component and the global system’s actions. Moreover, the interactions between components are expressed through a communication schemes sometimes very complex with, for example, the possibility to lose messages to enhance performance. This thesis describes ComSA model (Component-based approach for Scientific Applications) that relies on a component-based approach dedicated to interactive and dynamic scientific visualization applications and its formalization in strict Colored FIFO Nets (sCFN). The main contributions of this thesis are, first, the definition of a set of tools to model the component’s behaviors and the various application communication policies. Second, providing some properties on the application to guarantee it starts properly. It is done by analyzing and detecting deadlocks. This ensures the liveness throughout the application execution. Finally, we present dynamic reconfiguration of visual analytics applications by adding or removing on the fly of a component without stopping the whole application. This reconfiguration minimizes the number of unavailable services.

L’augmentation de la taille des réseaux actuels ainsi que de la diversité des applications qui les utilisent font que les architectures de calcul traditionnelles deviennent limitées. En effet, les architectures purement logicielles ne permettent pas de tenir les débits en jeu, tandis que celles purement matérielles n’offrent pas assez de flexibilité pour répondre à la diversité des applications. Ainsi, l’utilisation de solutions de type matériel programmable, en particulier les Field Programmable Gate Arrays (FPGAs), a été envisagée. En effet, ces architectures sont souvent considérées comme un bon compromis entre performances et flexibilité, notamment grâce à la technique de Reconfiguration Dynamique Partielle (RDP), qui permet de modifier le comportement d’une partie du circuit pendant l’exécution. Cependant, cette technique peut présenter des inconvénients lorsqu’elle est utilisée de manière intensive, en particulier au niveau du stockage des fichiers de configuration, appelés bitstreams. Pour palier ce problème, il est possible d’utiliser la relocation de bitstreams, permettant de réduire le nombre de fichiers de configuration. Cependant cette technique est fastidieuse et exige des connaissances pointues dans les FPGAs. Un flot de conception entièrement automatisé a donc été développé dans le but de simplifier son utilisation.Pour permettre une flexibilité sur l’enchaînement des traitements effectués, une architecture de communication flexible supportant des hauts débits est également nécessaire. Ainsi, l’étude de Network-on-Chips dédiés aux circuits reconfigurables et au traitements réseaux à haut débit.Enfin, un cas d’étude a été mené pour valider notre approche. / The increase in both size and diversity of applications regarding modern networks is making traditional computing architectures limited. Indeed, purely software architectures can not sustain typical throughputs, while purely hardware ones severely lack the flexibility needed to adapt to the diversity of applications. Thus, the investigation of programmable hardware, such as Field Programmable Gate Arrays (FPGAs), has been done. These architectures are indeed usually considered as a good tradeoff between performance and flexibility, mainly thanks to the Dynamic Partial Reconfiguration (DPR), which allows to reconfigure a part of the design during run-time.However, this technique can have several drawbacks, especially regarding the storing of the configuration files, called bitstreams. To solve this issue, bitstream relocation can be deployed, which allows to decrease the number of configuration files required. However, this technique is long, error-prone, and requires specific knowledge inFPGAs. A fully automated design flow has been developped to ease the use of this technique. In order to provide flexibility regarding the sequence of treatments to be done on our architecture, a flexible and high-throughput communication structure is required. Thus, a Network-on-Chips study and characterization has been done accordingly to network processing and bitstream relocation properties. Finally, a case study has been developed in order to validate our approach.

Plusieurs laboratoires de robotique à travers le monde travaillent sur le développement de stratégies innovantes pour la navigation autonome de véhicules élémentaires ou en convoi. Dans ce contexte, nos travaux de thèse s’inscrivent principalement dans le cadre de la navigation en formation d’un groupe de véhicules dans des environnements structurés. La complexité de ces systèmes multi-robots ne permet pas l’utilisation directe de techniques classiques de perception et/ou de contrôle/commande. Nos travaux ont consisté à décomposer le contrôle global, dédié à la réalisation de la tâche complexe, en un ensemble de comportements/contrôleurs élémentaires précis et fiables (e.g., évitement d’obstacles, suivi de trajectoire, attraction vers une cible, navigation en formation, etc.). Ces comportements lient les différentes informations fournies par les capteurs aux actions des véhicules. Pour garantir les critères de performances imposés à notre architecture de contrôle/commande (e.g., stabilité, robustesse et/ou borner les erreurs maximales), les potentialités des systèmes hybrides ont été considérées. Cette architecture de contrôle a été validée, dans un premier temps, sur des véhicules pris individuellement, en utilisant notamment une stratégie de navigation sûre et flexible utilisant des points de passage. Cette navigation permet au véhicule d’effectuer différentes manœuvres entre ces points de passage (pour éviter par exemple des obstacles dans l’environnement) et ce sans avoir à planifier/re-planifier des trajectoires globales dans l’environnement. Une loi de commande spécifique, permettant une attraction stable (au sens de Lyapunov) et précise vers des cibles statiques ou dynamiques a été par ailleurs développée. Cette loi de commande garantit la convergence du véhicule vers chaque point de passage tout en garantissant des trajectoires sûres. Par ailleurs, un algorithme nommé OMWS (pour Optimal Multi-criteria Waypoint Selection) a été proposé pour sélectionner les configurations optimales des points de passage dans l’environnement. Cet algorithme permet de garantir des mouvements sûrs et fiables du véhicules en tenant compte des contraintes et incertitudes liées à la navigation du véhicule. Par la suite, l’architecture de contrôle/commande proposée a été étendue aux systèmes multi-robots en utilisant la combinaison d’une approche leader-suiveur et comportementale. Un important aspect de la navigation multi-robots est la reconfiguration dynamique de la formation en fonction du contexte de la navigation (e.g., passer d’une configuration triangle vers ligne si la largeur de la voie de navigation ne suffisait pas). Ainsi, des stratégies de reconfiguration dynamique ont été proposées, permettant de garantir la sureté de la formation même au moment des transitions entre configurations. Il est à noter par ailleurs que des métriques spécifiques ont été proposées pour quantifier la fiabilité et la robustesse des stratégies multi-robots proposées. Plusieurs simulations et expérimentations avec des véhicules urbains (VIPALABs) nous ont permis de confirmer la viabilité et efficacité des architectures de contrôle/commande proposées pour la navigation en formation d’un groupe de VIPALABs. / Beyond the interest of robotics laboratories for the development of dedicated strategies for single vehicle navigation, several laboratories around the world are more and more involved in the general challenging field of cooperative multi-robot navigation. In this context, this work deals with the navigation in formation of a group of Unmanned Ground Vehicles (UGVs) dedicated to structured environments. The complexity of this Multi-Robot System (MRS) does not permit the direct use of neither classical perception nor control techniques. To overcome this problem, this work proposes to break up the overall control dedicated to the achievement of the complex task into a group of accurate and reliable elementary behaviors/controllers (e.g., obstacles avoidance, trajectory tracking, target reaching, navigation in formation, formation reconfiguration, etc.). These behaviors are linked to different information given by the sensors to the actions of vehicles. To guarantee the performances criteria (e.g., stability, convergence, state errors) aimed by the control architecture, the potentialities of hybrid controllers (which controlling continuous systems in the presence of discrete events) are considered. This control architecture is validated for a single vehicle to perform safe and flexible autonomous navigation using an appropriate strategy of navigation through suitable set of waypoints. This flexible navigation allows different vehicle maneuvers between waypoints (e.g., target reaching or obstacle avoidance) without using any trajectory planning nor replanning. The designed control law based on Lyapunov synthesis guarantees the convergence to assigned waypoint while performing safe trajectories. Furthermore, an algorithm to select suitable waypoints’ positions, named Optimal Multi-criteria Waypoint Selection (OMWS), in structured environments while taking into account the safe and reliable vehicle movements, and vehicle constraints and uncertainties is proposed. Subsequently, the control architecture is extended to Multi-Robot Formation (MRF) using a combination of Leader-Follower and behavior-based approaches. An important cooperative MRS issues in this thesis is the dynamic reconfiguration of the formation according to the context of navigation (e.g., to pass from a triangle configuration towards a line if the width of the navigation way is not sufficient). The proposed Strategy for Formation Reconfiguration (SFR) guarantees the stability and the safety of the MRS at the time of the transitions between configuration (e.g., line towards square, triangle towards line, etc.). Therefore, a safe, reactive and dynamic MRF is obtained. Moreover, the degrees of multi-robot safety, stability and reliability of the system are quantified via suitable metrics. Simulations and experiments using urban vehicles (VIPALABs) of the Institut Pascal laboratory allow to perform exhaustive experiments of the proposed control architecture for the navigation in formation of a group of UGVs.

Les systèmes de contrôle des événements discrets ont la possibilité de résoudre les défis importants de la société moderne. En particulier, cela représente une solution fondamentale pour gérer et contrôler les nouvelles avancées technologiques en conformité avec la requis du développement durable. Le paramétrage, la configuration et la prise de décision de ces systèmes de contrôle sont des aspects critiques qui influent sur les performances et la productivité. Les approches d'architecture de contrôle dynamique, telles que les systèmes de contrôle reconfigurables, ont été proposées pour la modélisation de ces systèmes. Cependant, ils n'ont pas réussi à optimiser le processus de reconfiguration car celles-ci se concentrent sur la continuité de l'exécution plutôt que sur l'optimisation de la reconfiguration. Cette dissertation propose une architecture de référence pour un système de contrôle reconfigurable, nommé Pollux, conçu pour gérer et ajuster de manière optimale et en temps réel l'architecture d'un système de contrôle, soit pour guider l'exécution opérationnelle ou répondre à une perturbation du système. En considérant une proposition d'une configuration optimale des architectures de contrôle basées sur la gouvernance partagée, cette approche proposée un système de contrôle reconfigurable compose d’une entité décisionnelle flexible et personnalisable, d’une représentation qui caractérise la configuration unique et la solution de contrôle de l'architecture de contrôle et d’un mécanisme de reconfiguration à trois modules qui intègre les principes basés sur l'optimalité dans la reconfiguration. Notre approche est appliquée dans le domaine de la fabrication et est validée dans une simulation et une cellule réelle de fabrication située à l'Université de Valenciennes, en France. La validation effectuée dans trois scénarios expérimentaux a permis de vérifier les avantages de notre approche et de nous encourager à continuer la recherche. / Discrete-event control systems have the opportunity to resolve significant challenges of modern society. In particular, these represent a fundamental solution to manage and control the new technological advances in compliance to the increased consciousness of sustainable development. The parameterization, configuration and decision-making of these control systems are critical aspects that impact the performance and productivity required. Dynamic control architecture approaches, such as reconfigurable control systems, have been proposed for modelling such systems. However, such approaches have failed to address the recovery of the reconfiguration process as these focus on the continuity of execution rather than on the optimisation of the reconfiguration. This dissertation proposes a reference architecture for a reconfigurable control system, named Pollux, designed to manage and adjust optimally and in real time the architecture of a control system, either to guide operational execution or to respond to a system perturbation. Considering a proposed framework of an optimal configuration of control architectures based on shared governance, this proposed approach aims to orchestrate a flexible and customizable decisional entity, a representation that characterize the unique configuration and control solution of the control architecture, and a three-module reconfiguration mechanism that integrates the optimality-based principles into the reconfiguration process, to ensure a recovery of global performance and/or minimise the degradation caused by perturbations. Our approach is applied in the manufacturing domain and is validated in a simulation and a real flexible manufacturing system cell located at the University of Valenciennes, France. The validation conducted in three experimental scenarios verified the benefits of our approach and encourage us to continue research in this direction.

L’évolution des réseaux et des applications distribuées liée au développement massif de l’utilisation de l’Internet par le grand public a conduit à de nombreuses propositions, standardisées ou non, de nouveaux protocoles de Transport et à l’évolution des protocoles existants (TCP notamment), destinées à prendre en compte les nouveaux besoins en qualité de service (QoS) des applications et les caractéristiques nouvelles des réseaux sousjacents. Cependant, force est de constater que ces différentes propositions, quoi que pertinentes, ne se sont pas traduites dans les faits et que le protocole TCP reste ultra majoritairement utilisé en dépit de ses limites conceptuelles connues. Ainsi, alors que le contexte applicatif et réseau a évolué de façonextrêmement forte, les solutions protocolaires utilisées au niveau Transport restent sous optimales et conduisent à des performances moindres en termes de QoS, que celles auxquelles permettraient de prétendre les nouvelles solutions.Dans ce contexte, ce document analyse tout d’abord le pourquoi de ce constat en dégageant cinq points de problématique qui justifie la difficulté, et que nous exprimons en termes de complexité (d’utilisation), d’extensibilité, de configurabilité, de dépendance et de déploiement. Sur ces bases, et en réponse à la problématique générale, la contribution de cette thèse consiste non pas à proposer une nouvelle solution protocolaire pour le niveau Transport, mais à redéfinir l’architecture et le fonctionnement de la couche Transport et ses interactions avec les applications. Cette nouvelle couche Transport, que nous avons appelée Autonomic Transport Layer (ATL), vise à permettre l’intégration transparente de solutions protocolaires existantes et futures pour les niveaux supérieurs et inférieurs de la pile protocolaire tout en simplifiant son utilisation par une augmentation du taux d’abstractiondu réseau (au sens large) du point de vue des développeurs d’applications. Afin de décharger ces derniers de la complexité d’utilisation des multiples solutions envisageables au niveau Transport, notre solution intègre des principesd’autonomie lui permettant une prise de décision du / des protocoles de Transport à invoquer sans intervention extérieure, et une dynamicité dans l’adaptation de la solution retenue en cours de communication afin de toujours délivrer le meilleur niveau de QoS aux applications quelles que soient les évolutions du contexte applicatif et réseau en cours de communication.Après un état de l’art confrontant les solutions actuelles aux points de problématique identifiés, ce document présente les principes fondamentaux de l’ATL, ainsi que son architecture globale suivant une méthodologie basée sur le formalisme UML 2.0. Deux cas d’utilisation fondamentaux sont ensuite introduits pour décrire l’ATL d’un point de vue comportemental. Finalement,nous présentons différents résultats de mesures de performances attestant de l’utilité d’une solution telle que l’ATL. / The massive development of Internet and its usage by the public and the subsequent evolution in networks and distributed applications lead to numerous proposals, standardized or not, of new Transport protocols and changes in existing ones (such as TCP) in order to take into account new arising Quality of Service (QoS) applicative needs and the new characteristics of underlying networks. However, no matter how relevant those new solutions are, they are not meeting the success they should because of TCP’s preponderance and overuse in spite of all its well known limits. Therefore, while applications and underlying networks have evolved tremendously, Transport protocols are becoming suboptimal and lead to lesser performances in termsof QoS than what one could expect from newer Transport solutions. In this context the present document analyses the reasons of this situations by indentifying five problematic points which we express in terms of complexity (of use), extensibility, configurability, dependence and deployment. Upon this basis, and trying to address the main problematic, this thesis contribution is not to propose yet another new Transport protocol but to redefine how the Transport Layer operates, its architecture and its interactions with applications. This new Transport Layer, which we call the Autonomic Transport Layer (ATL) aims for transparent integration of existing and future protocol solutions from the upper and lower layers’ point of view as long as simplifying its use by offering a better, wider network abstraction to application developers. To discharge them the complexity of use of the numerous solutions at the Transport level, our solutions integrates autonomy principles to give it decision power over the protocol(s) to instantiatewithout external intervention and dynamicity so as to be able to adapt the chosen solution during the communication so that it always delivers the best QoS level to applications whatever the contextual evolutions might be for applications or for the network.After a state of the art confronting the current solutions to the different problematic points we identified, this document presents the fundamental principles of the ATL and its global architecture described using UML 2.0. Two major use cases are then introduced to describe the ATL’s behavior. Finally we present several performance figures as evidence of the relevanceof a solution such as the ATL.

Dans cette thèse, nous proposons une méthodologie de co-conception des systèmes dynamiquement reconfigurables basés sur FPGA. Notre méthodologie s'appuie sur l'Ingénierie Dirigée par les Modèles (IDM) pour la mise en oeuvre de notre flot de conception, dont la spécification des modèles est décrite avec le profil standard UML MARTE (Modeling and Analysis of Real-Time and Embedded Systems). Les travaux présentés dans ce manuscrit visent à garantir la flexibilité, la réutilisabilité et l'automatisation afin de faciliter le travail du concepteur et d'améliorer sa productivité. La première contribution de cette thèse réside dans la modélisation à haut-niveau d'abstraction permettant de cacher un grand nombre de détails d'implémentation. Nous avons donc défini un flot de conception pour la modélisation des FPGAs dynamiquement reconfigurables, basé sur l'IDM afin d'assurer l'automatisation de la génération de code. Suivant ce flot, plusieurs modèles sont créés moyennant principalement les concepts du profil MARTE. Cependant, la modélisation de certains concepts de la reconfiguration dynamique des FPGAs a nécessité des extensions dans MARTE que nous avons identifiées et intégrées dans un nouveau profil qui étend MARTE baptisé RECOMARTE (Reconfigurable MARTE). La seconde contribution est l'automatisation de la chaîne de transformations et la validation expérimentale. Afin d'assurer l'automatisation de notre flot de conception vers la génération du code, une chaîne de transformations a été utilisée. Le modèle final en MARTE résultant du flot de conception est donné comme entrée à cette chaîne. Nous passons ainsi d'un modèle MARTE/RecoMARTE vers une description intermédiaire selon le standard IP-XACT afin de générer finalement des fichiers décrivant le système complet dans l'environnement XPS de Xilinx. Cette automatisation permet d'accélérer la phase de conception et éviter les erreurs dues à la manipulation directe des détails. Enfin, un exemple d'application de traitement d'image a été élaboré afin de démontrer et valider notre méthodologie. Ceci a fait apparaître les avantages de nos contributions en termes de réutilisabilité de la conception et l'automatisation