L'ingénierie des systèmes embarqués repose sur deux activités complémentaires : la modélisation d'une part permet dereprésenter le système, l'analyse d’autre part permet d'évaluer les diverses propriétés non-fonctionnelles (par exemple despropriétés temporelles via l'analyse d’ordonnancement temps réel). Cette thèse s'intéresse à l'intégration entre ces modèleset analyses: comment appliquer une analyse sur une modèle ? Comment gérer le processus d’analyse ? La première partie de cette thèse présente une approche globale afin de répondre à ces questions. Cette approche s'organise autour de quatre couches applicatives: (1) les modèles qui représentent le système, (2) les accesseurs qui permettent d'extraire des données à partir d'un modèle, (3) l'analyse qui traite des données en entrée pour produire des données ou propriétés en sortie, (4) des contrats qui décrivent les interfaces d'une analyse et permettent d'orchestrer le processus d'analyse. La seconde partie de cette thèse est dédiée à l'expérimentation de cette approche sur des systèmes réels provenant du domaine aérospatial : un drone, un robot explorateur et un système de gestion de vol. Nous montrons que les accesseurs permettent d’appliquer diverses analyses d’ordonnancement temps réel sur des modèles architecturaux hétérogènes, par exemples décrits avec le standard industriel AADL (Architecture Analysis and Design Language) ou le nouveau langage dirigé par le temps CPAL (Cyber-Physical Action Language). En outre, nous montrons que les contrats peuvent être utilisés afin d’automatiser des procédures d'analyse complexes : quelle analyse peut être appliquée sur unmodèle ? Quelles analyses remplissent les objectifs visés ? Peut-on combiner des analyses ? Y-a-t-il des interférences entreles analyses ? Etc. / The engineering of embedded systems relies on two complementary activities: modeling on the one hand enables torepresent the system, analysis on the other hand makes it possible to evaluate the various non-functional properties (forexample, temporal properties with the real-time scheduling analysis). This thesis deals with the integration between thesemodels and analyses: how to apply an analysis on a model? How to manage the analysis process? The first part of this thesis presents a comprehensive approach to answer these questions. This approach is based on four application layers: (1) models to represent the system, (2) accessors to extract data from a model, (3) analyses to computeoutput data and/or properties from input data (4) contracts to represent the analysis interfaces and orchestrate the analysisprocess. The second part of this thesis deals with the experimentation of this approach with concrete systems coming fromthe aerospace: a drone, an exploratory robot and a flight management system. We demonstrate that the accessors enable toapply various real-time scheduling analyses on heterogeneous architectural models, for example written with the industrystandard AADL (Architecture Analysis and Design Language) or the new time-triggered language CPAL (Cyber-PhysicalAction Language). In addition, contracts make it possible to automate complex analysis procedures: which analysis can beapplied on a given model? Which are the analyses that meet a given goal? Are there analyses to be combined? Are thereinterferences between analyses? Etc.

Nowadays, computer systems are everywhere. From simple portable devices such as watches and MP3 players to large stationary installations that control nuclear power plants, computer systems are now present in all aspects of our modern and every-day life. In about only 70 years, they have completely perturbed our way of life and they reached a so high degree of sophistication that they will be soon capable of driving our cars and cleaning our houses without any human intervention. As computer systems gain in responsibilities, it becomes essential that they provide both safety and reliability. Indeed, a failure in systems such as the anti-lock braking system (ABS) in cars could threaten human lives and generate catastrophic and irreversible consequences. Hence, for many years, researchers have addressed these emerging problems of system safety and reliability which come along with this fulgurant evolution. <p><p>This thesis provides a general overview of embedded real-time computer systems, i.e. a particular kind of computer system whose number grows daily. We provide the reader with some preliminary knowledge and a good understanding of the concepts that underlie this emerging technology. We focus especially on the theoretical problems related to the real-time issue and briefly summarizes the main solutions, together with their advantages and drawbacks. This brings the reader through all the conceptual layers constituting a computer system, from the software level---the logical part---that specifies both the system behavior and requirements to the hardware level---the physical part---that actually performs the expected treatments and reacts to the environment. In the meanwhile, we introduce the theoretical models that allow researchers for theoretical analyses which ensure that all the system requirements are fulfilled. Finally, we address the energy consumption problem in embedded systems. We describe the various factors of power dissipation in modern technologies and we introduce different solutions to reduce this consumption./Cette thèse se focalise sur un type de systèmes informatiques bien précis appelés “systèmes embarqués temps réel”. Un système est dit “embarqué” lorsqu’il est développé afin de servir un but bien précis. Un téléphone portable est un parfait exemple de système embarqué étant donné que toutes ses fonctionnalités sont rigoureusement définies avant même sa conception. Au contraire, un ordinateur personnel n’est généralement pas considéré comme un système embarqué, les concepteurs ne sachant pas à l’avance à quelles fins il sera utilisé. Une grande partie de ces systèmes embarqués ont des contraintes temporelles très fortes, ce qui les distingue encore plus des ordinateurs grand public. A titre d’exemple, lorsqu’un conducteur de voiture freine brusquement, l’ordinateur de bord déclenche l’application ABS et il est primordial que cette application soit traitée endéans une courte échéance. Autrement dit, cette fonctionnalité ABS doit être traitée prioritairement par rapport aux autres fonctionnalités du véhicule. Ce type de système embarqué est alors dit “temps réel”, dû à ces notions de temps et de priorités entre les applications. La problèmatique posée par les systèmes temps réel est la suivante. Comment déterminer, à tout moment, un ordre d’exécution des différentes fonctionnalités de telle sorte qu’elles soient toutes exécutées entièrement endéans leur échéance ?De plus, avec l’apparition récente des systèmes multiprocesseurs, cette problématique s’est fortement complexifiée, vu que le système doit à présent déterminer quelle fonctionnalité s’exécute à quel moment sur quel processeur afin que toutes les contraintes temporelles soient respectées. Pour finir, ces systèmes embarqués temp réel multiprocesseurs se sont rapidement retrouvés confrontés à un problème de consommation d’énergie. Leur demande en terme de performance (et donc en terme d’énergie) à évolué beaucoup plus rapidement que la capacité des batteries qui les alimentent. Ce problème est actuellement rencontré par de nombreux systèmes, tels que les téléphones portables par exemple. L’objectif de cette thèse est de parcourir les différents composants de tels système embarqués et de proposer des solutions afin de réduire leur consommation d’énergie. / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Les réseaux-sur-puces (NoCs) utilisés dans les architectures multiprocesseurs-sur-puces posent des défis importants aux approches d'ordonnancement temps réel en ligne (dynamique) et hors-ligne (statique). Un NoC contient un grand nombre de points de contention potentiels, a une capacité de bufferisation limitée et le contrôle réseau fonctionne à l'échelle de petits paquets de données. Par conséquent, l'allocation efficace de ressources nécessite l'utilisation des algorithmes da faible complexité sur des modèles de matériel avec un niveau de détail sans précédent dans l'ordonnancement temps réel. Nous considérons dans cette thèse une approche d'ordonnancement statique sur des architectures massivement parallèles (Massively parallel processor arrays ou MPPAs) caractérisées par un grand nombre (quelques centaines) de c¿urs de calculs. Nous identifions les mécanismes matériels facilitant l'analyse temporelle et l'allocation efficace de ressources dans les MPPAs existants. Nous déterminons que le NoC devrait permettre l'ordonnancement hors-ligne de communications, d'une manière synchronisée avec l'ordonnancement de calculs sur les processeurs. Au niveau logiciel, nous proposons une nouvelle méthode d'allocation et d'ordonnancement capable de synthétiser des ordonnancements globaux de calculs et de communications couvrants toutes les ressources d'exécution, de communication et de la mémoire d'un MPPA. Afin de permettre une utilisation efficace de ressources du matériel, notre méthode prend en compte les spécificités architecturales d'un MPPA et implémente des techniques d'ordonnancement avancées comme la préemption pré-calculée de transmissions de données. Nous avons évalué n / On-chip networks (NoCs) used in multiprocessor systems-on-chips (MPSoCs) pose significant challenges to both on-line (dynamic) and off-line (static) real-time scheduling approaches. They have large numbers of potential contention points, have limited internal buffering capabilities, and network control operates at the scale of small data packets. Therefore, efficient resource allocation requires scalable algorithms working on hardware models with a level of detail that is unprecedented in real-time scheduling. We consider in this thesis a static scheduling approach, and we target massively parallel processor arrays (MPPAs), which are MPSoCs with large numbers (hundreds) of processing cores. We first identify and compare the hardware mechanisms supporting precise timing analysis and efficient resource allocation in existing MPPA platforms. We determine that the NoC should ideally provide the means of enforcing a global communications schedule that is computed off-line (before execution) and which is synchronized with the scheduling of computations on processors. On the software side, we propose a novel allocation and scheduling method capable of synthesizing such global computation and communication schedules covering all the execution, communication, and memory resources in an MPPA. To allow an efficient use of the hardware resources, our method takes into account the specificities of MPPA hardware and implements advanced scheduling techniques such as pre-computed preemption of data transmissions. We evaluate our technique by mapping two signal processing applications, for which we obtain good latency, throughput, and resource use figures.

Le domaine avionique a été transformé par l'apparition des architectures modulaires intégrées (IMA). Celles-ci définissent un support d'exécution et de communication standard et mutualisé afin de réduire la complexité de l'architecture physique. Cependant, du fait du partage des ressources, cette démarche introduit une plus grande complexité lors de la conception et de l'intégration des applications ce qui implique d’assister les concepteurs avec des outils dédiés. La présente thèse contribue à cet effort en se focalisant sur deux problèmes d'allocation de ressources : i) le problème de l'ordonnancement multiprocesseur de tâches strictement périodiques et ii) le problème du routage des messages échangés entre les fonctions avioniques.Le premier problème a été formalisé sous la forme d’un programme linéaire en nombres entiers afin de garantir un potentiel maximum d'évolution sur les durées d'exécutions des traitements. L’inefficacité d’une approche exacte pour des instances de grande taille, nous a conduit à développer une heuristique originale s’inspirant de la théorie des jeux couplée avec un algorithme multi-start.Le routage est formalisé sous la forme d’un problème d’optimisation sur la charge maximum des liens. Deux propositions sont faites pour le résoudre, l’une, exacte, est basée sur une formulation nœud-lien, et la seconde est une heuristique à deux niveaux basé sur une formulation lien-chemin / The avionic domain has seen a profound evolution by the introduction of Integrated Modular Avionics (IMA). This defines a standardized execution and communication support in order to reduce the complexity of the physical architecture. Nevertheless, due to the sharing of resources, this reduction of complexity is opposed by an increased difficulty in application conception and integration, which necessitates dedicated tools for assisting system designers. This thesis’ contributions concern two major resource allocation problems: i) the multiprocessor scheduling of strictly periodic tasks and ii) the routing of messages exchanged between the avionic functions. The first problem was formulated using integer linear programming so as to guarantee a maximum evolution potential for the task execution durations. The inefficiency of this exact approach for large problem instances led us to develop an original heuristic, inspired from Game Theory, and further enhance it with a multi-start algorithm. The routing problem was formulated as an optimization one so as to minimize the maximum link loads. Two methods were proposed for this purpose, the first is exact based on node-link formulations, and the other is a two phase heuristic based on link-path formulations

Les temps avancent et les applications temps-réel deviennent de plus en plus gourmandes en ressources. Les plate-formes multi-cœurs sont apparues dans le but de satisfaire les demandes des applications en ressources, tout en réduisant la taille, le poids, et la consommation énergétique. Le challenge le plus pertinent, lors du déploiement d'un système temps-réel sur une plate-forme multi-cœur, est de garantir les contraintes temporelles des applications temps réel strict s'exécutant sur de telles plate-formes. La difficulté de ce challenge provient d'une interdépendance entre les analyses de prédictabilité temporelle. Cette interdépendance peut être figurativement liée au problème philosophique de l'œuf et de la poule, et expliqué comme suit. L'un des pré-requis des algorithmes d'ordonnancement est le Pire Temps d'Exécution (PTE) des tâches pour déterminer leur placement et leur ordre d'exécution. Mais ce PTE est lui aussi influencé par les décisions de l'ordonnanceur qui va déterminer quelles sont les tâches co-localisées ou concurrentes propageant des effets sur les caches locaux et les ressources physiquement partagées et donc le PTE. La plupart des méthodes d'analyse pour les architectures multi-cœurs supputent un seul PTE par tâche, lequel est valide pour toutes conditions d'exécutions confondues. Cette hypothèse est beaucoup trop pessimiste pour entrevoir un gain de performance sur des architectures dotées de caches locaux. Pour de telles architectures, le PTE d'une tâche est dépendant du contenu du cache au début de l'exécution de la dite tâche, qui est lui-même dépendant de la tâche exécutée avant et ainsi de suite. Dans cette thèse, nous proposons de prendre en compte des PTEs incluant les effets des caches privés sur le contexte d’exécution de chaque tâche. Nous proposons dans cette thèse deux techniques d'ordonnancement ciblant des architectures multi-cœurs équipées de caches locaux. Ces deux techniques ordonnancent une application parallèle modélisée par un graphe de tâches, et génèrent un planning statique partitionné et non-préemptif. Nous proposons une méthode optimale à base de Programmation Linéaire en Nombre Entier (PLNE), ainsi qu'une méthode de résolution par heuristique basée sur de l'ordonnancement par liste. Les résultats expérimentaux montrent que la prise en compte des effets des caches privés sur les PTE des tâches réduit significativement la longueur des ordonnancements générés, ce comparé à leur homologue ignorant les caches locaux. Afin de parfaire les résultats ainsi obtenus, nous avons réalisé l'implémentation de nos ordonnancements dirigés par le temps et conscients du cache pour un déploiement sur une machine Kalray MPPA-256, une plate-forme multi-cœur en grappes (clusters). En premier lieu, nous avons identifié les challenges réels survenant lors de ce type d'implémentation, tel que la pollution des caches, la contention induite par le partage du bus, les délais de lancement d'une tâche introduits par la présence de l'ordonnanceur, et l'absence de cohérence des caches de données. En second lieu, nous proposons des stratégies adaptées et incluant, dans la formulation PLNE, les contraintes matérielles ; ainsi qu'une méthode permettant de générer le code final de l'application. Enfin, l'évaluation expérimentale valide la correction fonctionnelle et temporelle de notre implémentation pendant laquelle nous avons pu observé le facteur le plus impactant la longueur de l'ordonnancement: la contention. / Nowadays, real-time applications are more compute-intensive as more functionalities are introduced. Multi-core platforms have been released to satisfy the computing demand while reducing the size, weight, and power requirements. The most significant challenge when deploying real-time systems on multi-core platforms is to guarantee the real-time constraints of hard real-time applications on such platforms. This is caused by interdependent problems, referred to as a chicken and egg situation, which is explained as follows. Due to the effect of multi-core hardware, such as local caches and shared hardware resources, the timing behavior of tasks are strongly influenced by their execution context (i.e., co-located tasks, concurrent tasks), which are determined by scheduling strategies. Symetrically, scheduling algorithms require the Worst-Case Execution Time (WCET) of tasks as prior knowledge to determine their allocation and their execution order. Most schedulability analysis techniques for multi-core architectures assume a single WCET per task, which is valid in all execution conditions. This assumption is too pessimistic for parallel applications running on multi-core architectures with local caches. In such architectures, the WCET of a task depends on the cache contents at the beginning of its execution, itself depending on the task that was executed before the task under study. In this thesis, we address the issue by proposing scheduling algorithms that take into account context-sensitive WCETs of tasks due to the effect of private caches. We propose two scheduling techniques for multi-core architectures equipped with local caches. The two techniques schedule a parallel application modeled as a task graph, and generate a static partitioned non-preemptive schedule. We propose an optimal method, using an Integer Linear Programming (ILP) formulation, as well as a heuristic method based on list scheduling. Experimental results show that by taking into account the effect of private caches on tasks’ WCETs, the length of generated schedules are significantly reduced as compared to schedules generated by cache-unaware scheduling methods. Furthermore, we perform the implementation of time-driven cache-conscious schedules on the Kalray MPPA-256 machine, a clustered many-core platform. We first identify the practical challenges arising when implementing time-driven cache-conscious schedules on the machine, including cache pollution cause by the scheduler, shared bus contention, delay to the start time of tasks, and data cache inconsistency. We then propose our strategies including an ILP formulation for adapting cache-conscious schedules to the identified practical factors, and a method for generating the code of applications to be executed on the machine. Experimental validation shows the functional and the temporal correctness of our implementation. Additionally, shared bus contention is observed to be the most impacting factor on the length of adapted cache-conscious schedules.

Dans ce travail, nous nous focalisons sur l’ajout de contraintes temporelles dans les Bases de Données de Capteurs Sans Fil (BDCSF). La cohérence temporelle d’une BDCSF doit être assurée en respectant les contraintes temporelles des transactions et la validité temporelle des données, pour que les données prélevées par les capteurs reflètent fidèlement l’état réel de l’environnement. Cependant, les retards de transmission et/ou de réception pendant la collecte des données peuvent conduire au non-respect de la validité temporelle des données. Une solution de type bases de données s'avère la plus adéquate. Il faudrait pour cela faire coïncider les aspects BD traditionnelles avec les capteurs et leur environnement. À cette fin, les capteurs déployés au sein d'un réseau sans fils sont considérés comme une table d'une base de données distribuée, à laquelle sont appliquées des transactions (interrogations, mises à jour, etc.). Les transactions sur une BD de capteurs nécessitent des modifications pour prendre en compte l'aspect continu des données et l'aspect temps réel. Les travaux réalisés dans cette thèse portent principalement sur trois contributions : (i) une étude comparative des propriétés temporelles entre une collecte périodique des données avec une base de données classique et une approche de traitement des requêtes avec une BDCSF, (ii) la proposition d’un modèle de traitement des requêtes temps réel, (iii) la mise en œuvre d’une BDCSF temps réel, basée sur les techniques décrites dans la deuxième contribution. / In this thesis, we are interested in adding real-time constraints in the Wireless Sensor Networks Database (WSNDB). Temporal consistency in WSNDB must be ensured by respecting the transaction deadlines and data temporal validity, so that sensor data reflect the current state of the environment. However, delays of transmission and/or reception in a data collection process can lead to not respect the data temporal validity. A database solution is most appropriate, which should coincide with the traditional database aspects with sensors and their environment. For this purpose, the sensor in WSN is considered as a table in a distributed database, which applied transactions (queries, updates, etc.). Transactions in a WSNDB require modifications to take into account of the continuous datastream and real-time aspects. Our contribution in this thesis focus on three parts: (i) a comparative study of temporal properties between a periodic data collection based on a remote database and query processing approach with WSNDB, (ii) the proposition of a real-time query processing model, (iii) the implementation of a real time WSNDB, based on the techniques described in the second contribution.