Un système logiciel embarqué est dit reconfigurable, s’il peut modifier son comportement ou son architecture selon l’évolution des exigences de son contexte d’utilisation et la variation des contraintes de son environnement d’exécution. La croissance constante de la complexité afférente et l’autonomie indispensable à la gestion des systèmes logiciels embarqués rendent la reconfiguration de plus en plus importante. Les défis concernent autant le niveau modèle de conception que le niveau environnement et support d’exécution. Les contributions de ce travail portent sur la reconfiguration dynamique guidée par les modèles dans le processus de développement des systèmes logiciels embarqués. Elles ciblent à la fois le niveau modélisation et le niveau plate-forme d’exécution. Par ailleurs, nous proposons une approche basée sur l’ingénierie dirigée par les modèles permettant le passage automatisé et fiable des modèles vers l’implantation, sans rupture de la chaîne de production. / An embedded software system is reconfigurable when it can modify its behavior or its architecture. The reconfigurations are launched according to the evolution of context requirements and the variation of execution environment constraints. The constant growth of the complexity in embedded systems makes the reconfiguration more important and more difficult to achieve. The challenges concern as much the design model level as the runtime support level. The development of these systems according to the traditional processes is not more applicable in this context. New methods are necessary to conceive and to supply reconfigurable embedded software architectures. We propose a model driven approach that enables to specify dynamic embedded software architectures with respect to non-functional properties. We also propose a runtime support that enables to perform dynamic embedded applications generated from a high level description.

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.

Malgré des avantages certains en terme d'adaptabilité et en gain de surface, la reconfiguration dynamique sur FPGA a du mal à être utilisée dans l'industrie. Le manque de moyens et de méthodes d'évaluation d'une telle architecture en est la cause majeure. Pire, aucun outil officiel ne permet aux développeurs de déterminer facilement un ordonnancement de la reconfiguration adapté pour une architecture donnée. Cette thèse s'inscrit dans ce contexte et propose une méthodologie de modélisation SystemC d'architectures reconfigurables dynamiquement. Cet outil d'aide à la conception permet de faire gagner un temps considérable lors de la phase de conception en fournissant une première estimation des performances et des ressources nécessaires au développement de l'architecture. Il permet également le développement et la validation de scénarios d'ordonnancement de la reconfiguration, tout en respectant les contraintes temps réel liées à l'application. Afin de valider notre modèle sur une application réelle, des IP de transcodage vidéo ont été développées et seront détaillées. Cette application consiste en la réalisation d'un transcodeur H.264/MPEG-2, rendu auto-adaptable grâce à l'utilisation de la reconfiguration dynamique. Ces travaux ont été menés dans le cadre du projet ARDMAHN financé par l'Agence Nationale de la Recherche portant la référence ANR-09-SEGI-001 / Despite clear benefits in terms of fexibility and surface efficiency, dynamic reconfiguration of FPGAs is still finding it hard to break through into massive industrial project. One of the main reasons is the lack of means and methods for evaluation of reconfigurable architectures. Worse, main FPGA vendors do not provide official tools allowing developers to easily determine an optimal scheduling reconfiguration for a specific architecture. Within this framework, the proposed research work described in this thesis proposes a methodology for modeling dynamically reconfigurable architectures based on SystemC. The proposed methodology allows designers to save significant time during the design phases of an application specific reconfigurable architecture by providing an initial estimate of performance and resources needed for its development. It also allows development and validation of scheduling reconfiguration scenarios, while respecting real-time constraints associated with the given application. To validate our methodology on a real application, video transcoding IP have been developed and tested. This application consists in the realization of a H.264/MPEG-2 transcoder made self-adaptable through the use of dynamic reconfiguration. This work was conducted as a part of the ARDMAHN project sponsored by the National Research Agency (Agence Nationale de Recheche) with the reference number ANR-09-SEGI-001

Ces dernières années, les fournisseurs de cloud et les centres de données ont intégrés les FPGA dans leur environnement à des fins d'accélération. Cela est dû au fait que les accélérateurs à base de FPGA sont connus pour leur faible puissance et leurs bonnes performances par watt. En outre, l'introduction de la capacité de reconfiguration partielle dynamique (DPR) de certains FPGA incite les chercheurs de l'industrie et des universitaires à proposer des services de cloud FPGA virtualisés baser sur DPR. Dans la plupart des travaux existants, l'interconnexion entre les vFPGA repose soit sur les réseaux BUS ou OpenFlow. Cependant le bus et OpenFlow ne sont pas des solutions optimales pour la virtualisation.Dans cette thèse, nous avons proposé un NoC évolutif à l'exécution pour les accélérateurs basés sur FPGA virtualisés dans un cloud computing. Les composants NoC s'adapteront dynamiquement aux nombres d'accélérateurs virtualisés actifs en ajoutant et en supprimant des sous-noC. Pour minimiser la complexité de la conception de l'architecture NoC à un niveau inférieur (implémentation HDL), nous avons proposé un langage de modélisation unifié de haut niveau (UML) basé sur une ingénierie dirigée par les modèles. Une approche basée sur UML / MARTE et IP-XACT est utilisée pour définir les composants de la topologie NoC de haut niveau et générer les fichiers HDL requis. Les résultats des expériences montrent que le NoC évolutif à l'exécution peut réduire la consommation d'énergie de 17%. La caractérisation NoC sur la modélisation de haut niveau basée sur MDE réduit également le temps de conception de 25%. / In the last few years, cloud providers and data centers have been integrating FPGAs in their environment for acceleration purpose. This is due to the fact that FPGA based accelerator are known for their lower power and good performance per watt. Moreover, the introduction of the ability for dynamic partial reconfiguration (DPR) of some FPGAs trigger researchers in both industry and academics to propose DPR based virtualized FPGA (vFPGA) cloud services. In most of the existing works, the interconnection between the vFPGAs relies either on BUS or OpenFlow networks. However, both the bus and OpenFlow are not virtualization-aware and optimal solutions. In this thesis, we have proposed a virtualization-aware dynamically scalable NoC for virtualized FPGA accelerators in cloud computing. The NoC components will adapt to the number of active virtualized accelerator dynamically by adding and removing sub-NoCs. To minimize the complexity of NoC architecture design at a low level (HDL implementation), we have proposed a Model-Driven Engineering (MDE) based high-level unified modeling language (UML). A UML/MARTE and IP-XACT based approach are used to define the NoC Topology components at a high-level and generate the required HDL files. Experiment results show that the dynamically scalable NoC can reduce the power consumption by 17%. The MDE based high-level modeling based NoC characterization also reduce the design time by 25%.

L'évolution constante des applications et le besoin toujours croissant de performances imposent le développement de nouvelles architectures compétitives et évolutives au sein de systèmes reconfigurables dynamiquement sur puces. Ces contraintes ont amené à une complexification des architectures, de leurs mécanismes de reconfiguration et de leur conception. De manière à répondre efficacement à ce problème, des plate-formes de développement ont été conçues et permettent ainsi d'automatiser certains processus constituant la chaîne de conception d'une architecture. Cela est rendu possible par l'intermédiaire d'un langage de description haut niveau (ADL) qui permet, par une spécification rapide de certains paramètres matériels, de procéder rapidement à la génération d'une architecture et de ses outils de développement adaptés tels que des outils de simulation, de compilation ou encore de synthèse. Cette thèse se place dans le contexte de la modélisation haut niveau des architectures ainsi que dans le contexte de l'aide à la conception et à l'exploration d'architectures reconfigurables dynamiquement. Ce document présente la plate-forme de développement Mozaïc dont l'objectif est de permettre la conception d'architectures reconfigurables dynamiquement par l'introduction automatique de ressources matérielles dédiées et adaptées. Dans une première partie, nous détaillons les concepts de reconfiguration dynamique qui ont été développés et mis en oeuvre dans Mozaïc. Dans une deuxième partie, nous présentons le langage de description haut niveau xMAML qui permet la spécification de l'architecture et de l'exploitation efficace des mécanismes précédemment présentés. Ce langage est basé sur l'ADL MAML développé à l'université d'Erlangen, auquel nous avons ajouté certains paramètres de spécifications nécessaires à la mise en oeuvre de la reconfiguration dynamique ainsi qu'à la spécification d'architectures hétérogènes. Enfin, dans un dernier chapitre, nous présentons les différentes phases de développement, et les outils associés, de deux architectures reconfigurables dynamiquement que sont les FPGAs et le processeur reconfigurable DART. Cette présentation inclut les phases d'exploration et l'implémentation d'un décodeur WCDMA par reconfiguration dynamique sur le FPGA modélisé par xMAML.

Les applications de télécommunications mobiles et de multimédia, notamment dans le domaine de l'embarqué, deviennent de plus en plus complexes au niveau calculatoire et consomment de plus en plus d'énergie. Afin de palier aux besoins calculatoires et énergétiques de ces applications, les concepteurs se sont orientés vers les architectures hybrides, associant des systèmes de nature et paradigme différents. Ces architectures ont retenu l'attention des concepteurs parce qu'elles présentent un bon compromis coût/performances calculatoires d'autant plus qu'elles possèdent des propriétés énergétiques intéressantes. En outre, l'émergence dans la dernière décade des architectures reconfigurables dynamiquement associant haute performance et encore plus de flexibilité, a fait que les dernières générations des architectures hybrides associent un ou plusieurs processeurs à une ou plusieurs architectures reconfigurables dynamiquement (ARD). Cette thèse s'inscrit dans cette thématique et a ainsi pour objectif d'apporter une modélisation précise de ces architectures ainsi que des méthodologies permettant d'exploiter leurs potentiels de performances. Une modélisation des mécanismes d'échange d'informations entre un processeur couplé à une ressource reconfigurable est d'abord proposée ce qui a permis une identification précise de modèles de performances. En utilisant ces modèles de performances, une méthodologie d'adéquation algorithme architecture permettant suivant les paramètres de l'application de déterminer le couplage CPU/ARD adéquat est présentée. Nous introduisons ces modèles de performances dans le flot de développement logiciel de ces architectures afin de permettre un partitionnement temporel automatique basé sur la détermination de la surface (en nombre d'unités fonctionnelles) de l'ARD nécessaire pour avoir des performances optimales et ce en trouvant le facteur de déroulage de boucle qui assure le maximum de performances pour l'architecture hybride. Le dernier aspect de ce travail concerne la validation de ces méthodologies et leur mise en oeuvre. Nous présentons pour cela les mécanismes d'implémentation d'un démodulateur multimode DVB-T/H et d'un récepteur WCDMA dynamique sur une architecture hybride reconfigurable dynamiquement.

La reconfiguration dynamique d'un logiciel peut être un auxiliaire utile pour adapter et maintenir des systèmes informatiques. Dans la plupart des approches, le système doit être interrompu pour que la reconfiguration puisse être exécutée. Cette interruption ne peut convenir aux systèmes temps-réel : il est nécessaires que les contraintes temporelles soient respectées, même lorsque le système est en train d'être reconfiguré.<br />Notre approche se base sur OSA+, un middleware temps-réel. Notre objectif principal est d'être capable de reconfigurer un (ou plusieurs) service lorsque le système est en fonction, avec un temps de non-réponse prévisible et prédéfini, c'est-à-dire un temps pendant lequel le système ne réagit pas à cause de la reconfiguration.<br />Trois approches différentes concernant le blocage ou le non-blocage d'un service sont présentées. Ces approches peuvent être utilisées pour réaliser un compromis entre le temps de reconfiguration et le temps de non-réponse.

On parle de plus en plus de systèmes (ou plateformes) reconfigurables qui intègrent sur un même substrat un ou plusieurs cœurs de processeurs et une matrice programmable (ex: Excalibur d'Altera, Virtex 2-Pro et Virtex 4-Fx de Xilinx). Par ailleurs, tout un champ technologique émerge actuellement dans le domaine de la reconfiguration dynamique. Le concepteur se retrouve face à des choix d'implantations logicielles (spécifiques ou génériques) et matérielles (figées ou reconfigurables) pour les différentes parties de l'application. Pour les prochaines générations de systèmes, la complexité croissante nécessite de faire appel à des méthodes et outils d'aide à la prise de décisions. Il est donc nécessaire d'étendre ou de repenser les approches de conception actuelles afin de les adapter aux possibilités offertes par les technologies reconfigurables.<br />Cette thèse propose une méthode automatique de partitionnement logiciel/matériel qui cible des systèmes mixtes logiciel et matériel reconfigurable dynamiquement et a pour objectif de minimiser le temps d'exécution global sous contrainte de surface maximale. Elle offre un flot complet à partir de la spécification au niveau système de l'application (écrite en SSM : formalisme graphique du langage synchrone Esterel) jusqu'à son raffinement vers les outils de niveau RTL. La méthode, basée sur un algorithme génétique, prend en compte les spécificités de l'architecture reconfigurable en ajoutant au partitionnement spatial (ou affectation) classique une étape de partitionnement temporel afin de distribuer dans le temps les configurations successivement implantées sur le reconfigurable. Les performances sont évaluées par une étape d'ordonnancement qui prend en compte les temps de communication et ceux dus aux changements de configurations.

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.