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) dont la spécification des modèles est décrite avec le profil MARTE. Les travaux présentés 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 réside dans la modélisation à haut-niveau d’abstraction permettant de cacher un grand nombre de détails d’implémentation. Un flot de conception est défini pour la modélisation des FPGAs, 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 de MARTE. Cependant,la modélisation de certains concepts de la reconfiguration dynamique a nécessité des extensions dans MARTE que nous avons identifiées et intégrées dans un nouveau profil qui étend MARTE baptisé RecoMARTE. 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. Nous passons ainsi d’un modèle MARTE/RecoMARTE vers une description intermédiaire selon le standard IP-XACT afin de générer des fichiers utilisés 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. / The works presented in this dissertation propose a co-design methodology of dynamically reconfigurable systems based on FPGA. Our methodology is based on the Engineering Model Driven approach (MDE). The models specification is done in MARTE profile.It aims to ensure flexibility, reusability and automation to facilitate the work of designer and improve his productivity. The first contribution related to this thesis is identifying parts of dynamically reconfigurable FPGA that can be modeled at high abstraction levels. So, we defined a design flow based on the MDE to ensure the automation of code generation. Using this flow, several models are created mainly through MARTE profile concepts. However, the modeling concepts of dynamic reconfiguration on FPGAs required extensions in MARTE. Thus, we identified the missing concepts to be integrated in a new profile that extends MARTE : RecoMARTE. The second contribution allows the chain automation and experimental validation. To integrate our design flow and to automate code generation, a processing chain was used. The final model resulting from the proposed MARTE-based design flow is given as input to this chain. We thereby move from MARTE/RecoMARTE models to an intermediate description according to the IP-XACT standard to finally generate files describing the complete system in the Xilinx XPS environment. This automation allows to accelerate the design phase and avoid errors due to the direct manipulation of these details. Finally, the proposed MARTE-based design flow and transformation chain were used for an image processing system design, which showed the benefits of our contributions in terms of design reusability and automation.

Ce travail propose deux flots de conception complémentaires permettant le broadcast d’un bitstream partiel vers un ensemble de Régions Partiellement Reconfigurables (RPRs) identiques. Ces deux flots de conception sont applicables avec les FPGAs – Xilinx. Le premier appelé ADForMe (Automatic DPPR Flow For Multi-RPRs Architecture) permet l’automatisation du flot traditionnel de la RDP de Xilinx grâce à l’automatisation de la phase de floorplanning. Ce floorplanning est assuré par l’algorithme AFLORA (Automatic Floorplanning For Multi-RPRs Architectures) que nous avons conçu qui permet l'allocation identique de ces RPRs en termes de forme géométrique en tenant compte des paramètres technologiques du FPGA et des paramètres architecturaux de la conception dans le but de permettre la relocalisation de bitstream. Le deuxième flot proposé vise à favoriser la technique de relocalisation 1D et 2D afin de permettre le broadcast d’un bitstream partiel (fonctionnalité) vers un ensemble de RPRs pour une configuration du système. Ce flot permet donc l’optimisation de la taille de la mémoire de bitstream. Nous avons également proposé une architecture matérielle adéquate capable d’effectuer ce broadcast. Les résultats expérimentaux ont été effectués sur les FPGAs-Xilinx récents et ont prouvé la rapidité d’exécution de notre algorithme AFLORA ainsi que l’efficacité des résultats obtenus suite à l’application du flot d’automatisation de la relocalisation de bitstream. Ces deux flots permettent d’assurer la flexibilité et la réutilisabilité des composants IPs intégrés dans les architectures à Multi-RPRs afin de réduire la complexité en termes de temps de conception et d’améliorer productivité des concepteurs. / This work proposes two complementary design flows allowing the broadcast of a partial bitstream to a set of identical Partially Reconfigurable Regions (PRRs). These two design flows are applicable with FPGAs - Xilinx. The first one called ADForMe (Automatic DPPR Flow For Multi-RPRs Architecture) allows the automation of the traditional flow of Xilinx RDP through the automation of the floorplanning phase. This floorplanning is carried out by the AFLORA (Automatic Floorplanning For Multi-RPRs Architectures) algorithm which we have designed that allows the same allocation of these RPRs in terms of geometric shape taking into account the technological parameters of the FPGA and the architectural parameters of the design in order to allow the relocation of bitstream. The second proposed flow aims to promote the 1D and 2D relocation technique in order to allow the broadcast of a partial bitstream (functionality) to a set of RPRs for a system configuration. Therefore, this flow allows optimizing the size of the bitstream memory. We have also proposed suitable hardware architecture capable of performing this broadcast. The experimental results have been performed on the recent Xilinx FPGAs and have proved the speed of execution of our AFLORA algorithm as well as the efficiency of the results obtained by the application of the automation of the bitstream relocation technique flow. These two flows allow flexibility and reusability of IP components embedded in Multi-RPRs architectures to reduce complexity in design time and improve design productivity.

Cette thèse s'intéresse à la définition de mécanismes, aussi bien au niveau logiciel que matériel, facilitant la gestion des systèmes-sur-puce hétérogènes et dynamiquement reconfigurable (HRSoC). L'hétérogénéité de ses architectures se manifeste par la présence à la fois de processeurs de calcul généralistes et de modules matériels reconfigurables. L'objectif de cette thèse est de permettre à un développeur d'application de s'abstraire de cette hétérogénéité en ce qui concerne l'allocation des tâches sur les différentes unités de calcul disponibles. Cette abstraction passe par une première phase d'homogénéisation des interfaces utilisateurs (API) et la définition d'un modèle de thread matériel, au même titre qu'il existe des threads logiciels. Cette homogénéisation se poursuit ensuite dans la gestion de ces threads matériels. Nous avons implémenté des services au niveau du système d'exploitation permettant de sauvegarder, préempter, et restaurer le contexte d'un thread matériel. Des outils de conception ont également été développés afin de surpasser le problème de la relocation d'un thread matériel au sein d'un FPGA. Enfin, la dernière étape a été d'étendre l'accès aux services offerts par tous les systèmes d'exploitation distribués au sein de la plateforme à tous les threads s'exécutant sur celle-ci, indépendamment de leur localisation. Ceci a été réalisé via une implémentation originale de l'API MRAPI. Avec ces trois étapes, nous avons apporté une base solide afin, dans le futur, de proposer au développeur un flot de conception dédié aux architectures HRSoC lui permettant de procéder à une exploration architecturale précise de son système. Finalement, afin d'éprouver le fonctionnement de ces mécanismes, nous avons réalisé une plateforme de démonstration sur FPGA Virtex 5 mettant en scène une application de suivi de cibles dynamique. / This thesis aims to define software and hardware mechanisms helping in the management the Heterogeneous and dynamically Reconfigurable Systems-on-Chip (HRSoC). The heterogeneity is due to the presence of general processing units and reconfigurable IPs. Our objective is to provide to an application developer an abstracted view of this heterogeneity, regarding the task mapping on the available processing elements. First, we homogenize the user interface defining a hardware thread model. Then, we pursue with the homogenization of the hardware threads management. We implemented OS services permitting to save and restore a hardware thread context. Conception tools have also been developed in order to overcome the relocation issue. The last step consisted in extending the access to the distributed OS services to every thread running on the platform. This access is provided independently from the thread location and is is realized implementing the MRAPI API. With these three steps, we build a solid basis to, in future work, provide to the developer, a conception flow dedicated to HRSoC allowing to perform precise architectural space explorations. Finally, to validate these mechanisms, we realize a demonstration platform on a Virtex 5 FPGA running a dynamic tracking application.

Les travaux de recherche détaillés dans ce document portent sur la conception et l'implantation d'un composant matériel jouant le rôle du sous-système cryptographique d'une radio logicielle sécurisée. A partir du début des années 90, les systèmes radios ont peu à peu évolué de la radio classique vers la radio logicielle. Le développement de la radio logicielle a permis l'intégration d'un nombre toujours plus grand de standards de communication sur une même plateforme matérielle. La réalisation concrète d'une radio logicielle sécurisée amène son concepteur à faire face à de nombreuses problématiques qui peuvent se résumer par la question suivante : Comment implanter un maximum de standards de communication sur une même plateforme matérielle et logicielle ? Ce document s'intéresse plus particulièrement à l'implantation des standards cryptographiques destinés à protéger les radiocommunications. Idéalement, la solution apportée à ce problème repose exclusivement sur l'utilisation de processeurs numériques. Cependant, les algorithmes cryptographiques nécessitent le plus souvent une puissance de calcul telle que leur implantation sous forme logicielle n'est pas envisageable. Il s'ensuit qu'une radio logicielle doit parfois intégrer des composants matériels dédiés dont l'utilisation entre en conflit avec la propriété de flexibilité propre aux radios logicielles. Or depuis quelques années, le développement de la technologie FPGA a changé la donne. En effet, les derniers FPGA embarquent un nombre de ressources logiques suffisant à l'implantation des fonctions numériques complexes utilisées par la radio logicielle. Plus précisément, la possibilité offerte par les FPGA d'être reconfigurés dans leur totalité (voir même partiellement pour les derniers d'entre eux) fait d'eux des candidats idéaux à l'implantation de composants matériels flexibles et évolutifs dans le temps. À la suite de ces constatations, des travaux de recherche ont été menés au sein de l'équipe Conception des Systèmes Numériques du Laboratoire IMS. Ces travaux ont d'abord débouché sur la publication d'une architecture de sous-système cryptographique pour la radio logicielle sécurisée telle qu'elle est définie par la Software Communication Architecture. Puis, ils se sont poursuivis par la conception et l'implantation d'un cryptoprocesseur multicœur dynamiquement reconfigurable sur FPGA.

Ce travail propose une méthodologie de conception du contrôle pour les systèmes reconfigurables sur FPGA, visant à améliorer la productivité des concepteurs et assurer l'efficacité de l'implémentation. Cette méthodologie est basée sur un modèle de contrôle semi-distribué qui se compose d'un ensemble de contrôleurs distribués modulaires assurant chacun les tâches d'observation, de prise de décision et de reconfiguration pour une région reconfigurable du système, et d'un coordinateur entre les décisions des contrôleurs distribués afin de respecter les contraintes et objectifs globaux du système. Cette prise de décision semi-distribuée est basée sur le formalisme des automates de modes. Cette combinaison entre modularité, division du contrôle et formalisme permet d'améliorer la flexibilité, réutilisabilité et scalabilité de la conception du contrôle. Un autre point peut être ajouté à cette combinaison pour améliorer la productivité des concepteurs, qui est l'automatisation. Pour cela, la méthodologie proposée est basée sur une approche d'Ingénierie Dirigée par les Modèles permettant d'automatiser la génération du code à partir de modèles de haut-niveau d'abstraction. Cette approche fait usage du profil standard MARTE (Modeling and Analysis of Real-Time and Embedded Systems), permettant de rendre les détails techniques de bas niveau transparents aux concepteurs et d'automatiser la génération du code VHDL pour une implémentation matérielle des systèmes de contrôle modélisés afin d'assurer leur performance. Les systèmes de contrôle générés ont été validés par simulation. Les résultats de synthèse ont montré un coût acceptable en termes de temps d'exécution et de ressources pour des systèmes ayant différents nombres de contrôleurs. Un système de contrôle composé de quatre contrôleurs et d'un coordinateur a été également validé par implémentation physique dans un système FPGA pour une application de traitement d'images.

Les systèmes adaptatifs basés sur les architectures FPGA (Field-Programmable Gate Arrays) peuvent bénéficier grandement de la grande flexibilité offerte par la reconfiguration partielle dynamique (DPR). Grâce au DPR, les tâches matérielles composant un système adaptatif peuvent être allouées et re-allouées à la demande ou en fonction de l'environnement dynamique. Les flots de conceptions disponibles et les outils commerciaux ont évolué pour répondre aux exigences des architectures reconfigurables qui sont toutefois limitées dans leurs fonctionnalités. Ces outils ne permettent pas un placement et une relocation efficaces de tâches matérielles de tailles variables. L'objectif principal de ces travaux de thèse consiste à proposer des nouvelles méthodologies et de nouvelles approches pour faciliter au concepteur la phase de conception d'un système adaptatif reconfigurable opérationnelle, valide, optimisé et adapté aux changements dynamiques de l'environnement. La première contribution de cette thèse porte sur la problématique de la relocation des tâches matérielles de tailles différentes. Une méthodologie de conception est proposée pour répondre à un problème majeur des mécanismes de relogement : le stockage d'une unique bitstream de configuration pour réduire les besoins de la mémoire et pour accroître la réutilisable des modules matériels générés. Une technique de partitionnement de la région reconfigurable est appliquée dans la méthodologie de relogement proposée pour augmenter l'efficacité d'utilisation des ressources matérielles dans le cas des tâches reconfigurables de tailles variables. Cette méthodologie prend en compte aussi la communication entre différentes régions reconfigurables et la région statique. Pour valider la méthode, plusieurs études de cas sont implémentées. Cette validation montre une utilisation efficace des ressources matérielles ainsi une réduction importante du temps de reconfiguration. La deuxième partie de cette thèse présente et détaille une formulation mathématique afin d'automatiser le floorplanning des zones reconfigurables dans les FPGAs. Les algorithmes de recherche présentés dans cette thèse sont basés sur la technique d'optimisation PLMNE (programmation linéaire mixte en nombres entiers). Ces algorithmes permettent de définir automatiquement l'emplacement, la taille et la forme de la zone reconfigurable dynamique. Nous nous intéressons principalement dans cette recherche à la satisfaction des contraintes de placement des zones reconfigurables et celles liées à la relocation. De plus, nous considérons l’optimisation des ressources matérielles dans le FPGA en tenant compte des tâches de tailles variables. Finalement, une évaluation de l'approche proposée est présentée / Adaptive systems based on Field-Programmable Gate Arrays (FPGA) architectures can benefit greatly from the high degree of flexibility offered by dynamic partial reconfiguration (DPR). Thanks to DPR, hardware tasks composing an adaptive system can be allocated and relocated on demand or depending on the dynamically changing environment. Existing design flows and commercial tools have evolved to meet the requirements of reconfigurables architectures, but that are limited in functionality. These tools do not allow an efficient placement and relocation of variable-sized hardware tasks. The main objective of this thesis is to propose a new methodology and a new approaches to facilitate to the designers the design phase of an adaptive and reconfigurable system and to make it operational, valid, optimized and adapted to dynamic changes in the environment. The first contribution of this thesis deals with the issues of relocation of variable-sized hardware tasks. A design methodology is proposed to address a major problem of relocation mechanisms: storing a single configuration bitstream to reduce memory requirements and increasing the reusability of generating hardware modules. A reconfigurable region partitioning technique is applied in this proposed relocation methodology to increase the efficiency of use of hardware resources in the case of reconfigurable tasks of variable sizes. This methodology also takes into account communication between different reconfigurable regions and the static region. To validate the design method, several cases studies are implemented. This validation shows an efficient use of hardware resources and a significant reduction in reconfiguration time. The second part of this thesis presents and details a mathematical formulations in order to automate the floorplanning of the reconfigurable regions in the FPGAs. The algorithms presented in this thesis are based on the optimization technique MILP (mixed integer linear programming). These algorithms allow to define automatically the location, the size and the shape of the dynamic reconfigurable region. We are mainly interested in this research to satisfy the constraints of placement of the reconfigurable zones and those related to the relocation. In addition, we consider the optimization of the hardware resources in the FPGA taking into account the tasks of variable sizes. Finally, an evaluation of the proposed approach is presented

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.

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.

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