Le contexte de ce travail est l'assistance à la conception de systèmes embarqués, et particulièrement de Systems on Chip (SoC). Les domaines d'application concernés sont variés: avionique, téléphones portables, automobile. La complexité de ces systèmes, et leur interaction forte avec leur environnement, posent des problème de maîtrise de la conception (pour éviter les détections d'erreurs tardives, les diagnostics et réparations coûteux en moyens, mais aussi en temps de mise sur le marché), et de validation ou certification pour les systèmes à sûreté critique (qui doivent être vérifiés avant leur mise en service). Il s'en suit un fort besoin de méthodes et d'outils pour assister la conception sûre de ces systèmes, qui prennent la forme de méthodologies et de modèles à base de composants, de langages de spécification de haut niveau, d'outils de transformation et compilation, d'analyse et de vérification, de synthèse et génération de code. Dans ce contexte, une contribution est une proposition d'un modèle intermédiaire entre les systèmes de calculs dans le cadre du parallélisme de données intensif et les langages formels. Ce modèle intermédiaire permet la génération du code en langages formel à partir de ces systèmes dans le cadre ingénierie dirigé par les modèles. La validation formelle et l'analyse statique est donc possible sur la base du code généré. Une autre contribution est une proposition de mécanismes de contrôle dans le même cadre, sous forme de constructeurs de langage de haut-niveau et de leur sémantique. On veut les définir pour leur exploitation dans la vérification, synthèse et génération de code. Il s'agit de déterminer un niveau d'abstraction de représentation des systèmes où soit extraite la partie contrôle, et de la modéliser sous forme d'automates à états finis. Ceci permet de spécifier et implémenter des changements de modes calculs, qui se distinguent par exemple par les ressources utilisées, la qualité du service fourni, le choix d'algorithme remplissant une fonctionnalité. Cette abstraction est alors favorable à l'application d'outils d'analyse et vérification (de type model checking). On s'intéressera aussi à l'utilisation de techniques de synthèse de contrôleurs discrets, qui peut assurer la correction de façon constructive: à partir d'une spécification partielle du contrôle, elle calcule la partie manquante pour que les propriétés soient satisfaites. L'avantage pour le développement de la partie contrôle est dans la simplification de la spécification, et la correction par construction du résultat. Ce travail se fera en articulation avec des travaux déjà commencés sur la proposition d'une méthodologie de séparation contrôle/donnée! de mécanismes de contrôle, et leur intégration dans l'environnement de conception de systèmes à parallélisme de données intensif Gaspard. On travaillera dans le cadre des modèles de systèmes réactifs proposés par l'approche synchrone, de ses langages de programmation à base d'automates, et de ses outils académiques et commerciaux. En étude de cas, on s'intéressera à des applications en systèmes embarqués téléphone portable multimédia. / The work presented in this dissertation is carried out in the context of System-on-Chip (SoC) and embedded system design, particularly dedicated to data-parallel intensive processing applications (DIAs). Examples of such applications are found in multimedia processing and signal processing. On the one hand, safe design of DIAs is considered to be important due to the need of Quality of Service, safety criticality, etc., in these applications. However, the complexity of current embedded systems makes it difficult to meet this requirement. On the other hand, high-Ievel safe control, is highly demanded in order to ensure the correctness and strengthen the flexibility and adaptivity of DIAs. As an answer to this issue, we propose to take advantage of synchronous languages to assist safe DIAs design. First, a synchronous modeling bridges the gap between the Gaspard2 framework, which is dedicated to SoC design for DIAs, and synchronous languages that act as a model of computation enabling formal validation. The latter, together with their tools, enable high-Ievel validation of Gaspard2 specifications. Secondly, a reactive extension to a previous control proposition in Gaspard2, is also addressed. This extension is based on mode automata and contributes to conferring safe and verifiable features onto the previous proposition. As a result, model checking and discret controller synthesis can be applied for the purpose of correctness verification. Finally, a Model-Driven Engineering (MDE) approach is adopted in order to implement and validate our proposition, as well as benefit fron the advantages of MDE to address system complexity and productivity issues. Synchronous modeling, MARTE-based (the UML profile fo Modeling and Analysis of Real-Time and Embedded system) control modeling, and model transformations, including code generation, are dealt with in the implementation.

Mes recherches concernent les outils de développement pour le calcul intensif. Une application sera dite intensive s'il faut fortement l'optimiser pour obtenir la puissance de calcul requise pour répondre aux contraintes, d'une part, de temps d'exécution et, d'autre part, de ressources de la plateforme d'exécution. De telles applications se retrouvent aussi bien dans le domaine du calcul scientifique que dans le domaine du traitement de signal intensif (télécommunications, traitement multimédia). Les difficultés de développement de telles applications sont principalement l'exploitation du parallélisme des architectures d'exécution (des supercalculateurs aux systèmes sur silicium en passant par les grappes de stations de travail), l'hétérogénéité de ces mêmes architectures et le respect des contraintes de temps et de ressources. Le but de mes recherches est de proposer des outils permettant la programmation efficace des applications de calcul intensif. Ceux-ci peuvent être des compilateurs, des paralléliseurs ou des environnements de spécification. Mes travaux ont commencé par les compilateurs paralléliseurs et s'orientent de plus en plus vers les environnements de spécification. Ces environnements comportent des compilateurs paralléliseurs. Cette évolution consiste donc à remplacer le langage de programmation et la phase d'analyse des programmes par une spécification des algorithmes de plus haut niveau et facilitant la phase d'analyse de dépendances. En effet, le but de cette analyse est de retrouver l'essence de l'algorithme codé par le programme analysé. La spécification de l'algorithme par les seules dépendances de données permet d'éliminer l'analyse de dépendances et d'avoir toute l'information nécessaire pour les optimisations du compilateur paralléliseur. Quatre principes dirigent mes recherches : 1. Programmer au plus haut niveau possible. Il ne devrait pas être de la responsabilité du programmeur de gérer les détails de l'exécution de son application. Idéalement, il devrait exprimer son algorithme et les compilateurs devraient générer le code le plus efficace possible sur l'architecture visée. 2. Promouvoir le parallélisme de données. Ce paradigme de programmation permet justement une programmation de haut niveau dans bien des cas. Il est bien adapté au calcul intensif où les traitements sont souvent réguliers et la quantité de données manipulées importante. 3. Optimiser au plus tôt dans la chaîne de développement. Je suis convaincu que plus les informations de performances et les optimisations sont faites tôt dans le développement d'une application, plus ce développement sera rapide et l'application efficace. L'environnement de conception doit donc faire apparaître ces informations si elles sont disponibles, y compris avant compilation de l'application. 4. Restreindre le domaine d'application. Il est très difficile d'optimiser tous les programmes en général. Le domaine du calcul intensif lui-même est déjà ambitieux. En se focalisant sur un domaine d'application précis, on peut espérer réduire la variété des applications et ainsi proposer des optimisations adaptées. C'est la voie que j'ai suivie dans mes recherches les plus récentes en restreignant le domaine d'application au traitement de signal intensif.

Depuis une dizaine d'année, l'évolution des machines de calcul tend vers des architectures parallèles et hétérogènes. Composées de plusieurs nœuds connectés via un réseau incluant chacun des unités de traitement hétérogènes, ces grilles offrent de grandes performances. Pour programmer ces architectures, l'utilisateur doit s'appuyer sur des modèles de programmation comme MPI, OpenMP, CUDA. Toutefois, il est toujours difficile d'obtenir à la fois une bonne productivité du programmeur, qui passe par une abstraction des spécificités de l'architecture et performances. Dans cette thèse, nous proposons d'exploiter l'idée qu'un modèle de programmation spécifique à un domaine applicatif particulier permet de concilier ces deux objectifs antagonistes. En effet, en caractérisant une famille d'applications, il est possible d'identifier des abstractions de haut niveau permettant de les modéliser. Nous proposons deux modèles spécifiques au traitement du signal et de l'image sur cluster hétérogène. Le premier modèle est statique. Nous lui apportons une fonctionnalité de migration de tâches. Le second est dynamique, basé sur le support exécutif StarPU. Les deux modèles offrent d'une part un haut niveau d'abstraction en modélisant les applications de traitement du signal et de l'image sous forme de graphe de flot de données et d'autre part, ils permettent d'exploiter efficacement les différents niveaux de parallélisme tâche, données, graphe. Ces deux modèles sont validés par plusieurs implémentations et comparaisons incluant deux applications de traitement de l'image du monde réel sur cluster CPU-GPU. / Since a decade, computing systems evolved to parallel and heterogeneous architectures. Composed of several nodes connected via a network and including heterogeneous processing units, clusters achieve high performances. To program these architectures, the user must rely on programming models such as MPI, OpenMP or CUDA. However, it is still difficult to conciliate productivity provided by abstracting the architectural specificities, and performances. In this thesis, we exploit the idea that a programming model specific to a particular domain of application can achieve these antagonist goals. In fact, by characterizing a family of application, it is possible to identify high level abstractions to efficiently model them. We propose two models specific to the implementation of signal and image processing applications on heterogeneous clusters. The first model is static. We enrich it with a task migration feature. The second model is dynamic, based on the StarPU runtime. Both models offer firstly a high level of abstraction by modeling image and signal applications as a data flow graph and secondly they efficiently exploit task, data and graph parallelisms. We validate these models with different implementations and comparisons including two real-world applications of images processing on a CPU-GPU cluster.