Le travail présenté dans cette thèse porte sur la conception de logiciels pour systèmes embarqués. Outre les contraintes de programmation provenant des faibles quantité de mémoire et capacité de calcul, ces plates-formes matérielles ne disposent parfois que de peu d'énergie pour fonctionner. Les applications usuelles de ces systèmes imposent de plus des objectifs en matière de réactivité et de durée de vie. Par ailleurs, quelques-unes des ressources fournies sont partagées entre les composants, qu'il s'agisse de l'énergie délivrée par une batterie, ou encore des bus de communication qui les relient. Il est donc nécessaire de pouvoir assurer des propriétés globales portant sur l'ensemble de la plate-forme, telles que le contrôle des accès aux bus, ou encore la maîtrise de la puissance électrique consommée. Cependant, les pilotes des différents périphériques sont d'ordinaire programmés individuellement. La connaissance nécessaire à l'implantation d'une politique de contrôle global est alors distribuée parmi diverses portions du logiciel. Nous exposons une solution au problème du contrôle global des ressources, basée sur une vue centralisée des états des composants matériels de la plate-forme. Bâtie sur un principe de para-virtualisation, notre approche consiste en l'introduction d'une couche de contrôle ; le système d'exploitation invité est adapté afin de communiquer avec le matériel à l'aide de celle-ci. La couche de contrôle incorpore les pilotes des périphériques, conçus à partir d'automates dont les états correspondent aux modes de fonctionnement ou de consommation du composant géré. Un contrôleur est ajouté, dont le rôle est d'assurer les propriétés globales. L'ensemble de ces automates est programmé à l'aide d'un langage synchrone, puis compilé en code séquentiel. Nous proposons une implantation de la couche de contrôle pour une architecture de nœuds de réseaux de capteurs sans fil, qui constitue une plate-forme représentative des systèmes embarqués contraints. Nous évaluons qualitativement et quantitativement ce prototype afin de montrer la viabilité de l'approche. Son impact sur le reste du logiciel est également apprécié, que celui-ci soit construit selon un modèle d'exécution purement événementiel ou multi-fils. Enfin, nous passons en revue plusieurs extensions possibles, et identifions quelques bonnes pratiques pour son usage dans d'autres contextes. / This thesis is about the design of software for embedded systems. The hardware platforms usually employed in these systems provide a limited amount of memory, computational power and energy. The software they execute is then constrained by such limited resources. Usual applications involve further objectives, such as reactivity and lifetime. In addition, these platforms comprise shared resources like buses or even the energy provided by a battery. Hence, global properties concerning the whole platform must be enforced, for instance to control concurrent accesses to a bus or power consumption. As device drivers are commonly developed individually, the knowledge necessary to implement global control policies is distributed among several pieces of software. We propose a global control approach, based on a centralized view of the devices' states. Built upon para-virtualization principles, it operates on the hardware/software interface. It involves a simple adaptation of the guest operating system, to communicate with the hardware via a control layer. The control layer itself is built from a set of simple automata: the device drivers, whose states correspond to functional or power consumption modes, and a controller to enforce global properties. All these automata are programmed using a synchronous language, and compiled into a single piece of sequential code. As a suitable representative of embedded systems hardware, we choose the node of a wireless sensor network. To show that our approach is practical, we propose a proof-of-concept implementation of the control layer to manage this platform, and evaluate it both qualitatively and quantitatively. We also demonstrate its use and benefits with an event-driven or multithreading operating system, and estimate the impact of the adaptation on guest software. Finally, we audit several extensions and draw guidelines for its use in other contexts.

This thesis presents a comparison between the synchronous and asynchronous model of computation in the area of knowledge processing. Focus lies on evaluating if a synchronous approach to knowledge processing is possible and practical. This has been done by implementing the reconfigurable fault diagnosis framework FlexDx using the synchronous programming language SIGNAL, a language designed to be used in embedded real-time systems. FlexDx have previously been implemented using the asynchronous knowledge processing middleware DyKnow, from which an example system with multiple failure scenarios consisting of input signals and results were available. Matlab code for many algorithms in FlexDx from the existing implementation could also be reused. The SIGNAL implementation was tested using one of the available scenarios and the results matched the expected results from the DyKnow implementation almost perfectly. The synchronous aspect of the new implementation was not a problem as the behavior of all parts of FlexDx that had to be reimplemented easily could be described synchronously. However, using SIGNAL for this purpose proved to be both complicated and cumbersome. This was partly because of the strict declarative coding style, but mostly because of limitations of SIGNAL and the POLYCHRONY compiler. Two such limitations caused most of the problems that were encountered. First, SIGNAL does not support dynamic arrays and all iteration constructs require that the number of iterations is determined at compile time. This could be overcome by using external types and processes, the method used in SIGNAL to import code written in other languages, to implement the needed functionality in C++ and Matlab. Second, the POLYCHRONY compiler provides very limited feedback that can be used to correct non-trivial coding errors, making the task of programming with SIGNAL far more complicated than necessary. While it is clear that a synchronous approach to knowledge processing works well, it is not practical to write a working implementation of FlexDx using only SIGNAL. Because of the limitations of SIGNAL a large part of the system had to be implemented using other languages.

Le web est une plate-forme universelle pour développer des applications riches en interactions avec les utilisateurs et des services distants. Ces interactions sont implémentées sous forme d’évènements asynchrones pouvant survenir à n’importe quel instant de l’exécution de l’application. JavaScript, le langage du web, gère les évènements asynchrones de façon peu abstraite, ce qui rend l’écriture, la vérification et la maintenance d’applications interactives difficile. La contribution de cette thèse est l’élaboration et l’implémentation du langage Hiphop.js qui dote JavaScript d’abstractions de plus haut niveau pour gérer les évènements asynchrones. Hiphop.js est une implémentation JavaScript de constructions temporelles du langage réactif synchrone Esterel. Grâce à ces constructions, le flot de contrôle d’une application Hiphop.js est explicite. Il est donc possible de savoir précisément quand et sous quelles conditions un évènement est traité par simple lecture du code source de l’application. Ceci facilite la vérification et la maintenance de l’application. L’intégration profonde du langage Hiphop.js avec l’environnement dynamique du web est une part importante des travaux entrepris dans cette thèse. Les programmes sont construits et compilés pendant l’exécution de l’application JavaScript ce qui permet d’adapter automatiquement le traitement des évènements asynchrones en fonction des changements de l’environnement au cours de l’exécution (par exemple, la connexion ou déconnexion de participants pendant une visioconférence). / The web is an universal platform used to develop applications interacting with users and remote services. These interactions are implemented as asynchronous events that can be fired anytime. JavaScript, the mainstream language of the web, handles asynchronous events using low-level abstractions that makes it difficult to write, verify, and maintain interactive applications. We have addressed this problem by designing and implementing a new domain specific language called Hiphop.js. It offers an alternative to JavaScript event handling mechanism by reusing temporal constructions coming from the synchronous programming language Esterel. These constructions make the control flow of the program explicit and deterministic. Hiphop.js is embedded in JavaScript and suits the traditional dynamic programming style of the Web. It is tighly coupled to JavaScript with which it can exchange values and access any data structures. It can also support dynamic modifications of existing programs needed to support on-demand download on the Web. It can run on both end of Web applications, namely on servers and on clients. In this thesis, we present Hiphop.js, its design and implementation. We overview its programming environment and we present the prototypical web applications we have implemented to validate the approach.

Cette thèse traite de la conception et implémentationd’un langage de programmation pour les systèmes detraitement de flux en temps réel, comme l’encodagevidéo. Le modèle des réseaux de Kahn est bien adaptéà ce domaine et y est couramment utilisé. Dans cemodèle, un programme consiste en un ensemble deprocessus parallèles communicant à travers des filesmono-producteur, mono-consommateur. La force dumodèle réside en son déterminisme.Les langages synchrones fonctionnels comme Lustresont dédiés aux systèmes embarqués critiques. Un programmeLustre définit un réseau de Kahn synchronequi peut être exécuté avec des files bornées et sans blocage.Cette propriété est garantie par un système detypes dédié, le calcul d’horloge, qui établit une échellede temps globale à un programme. Cette échelle detemps globale est utilisée pour définir les horloges, sé-quences booléennes indiquant pour chaque file, et àchaque pas de temps, si un processus produit ou consommeune donnée. Cette information sert non seulementà assurer la synchronie mais également à générerdu logiciel ou matériel à état fini.Nous proposons et étudions les horloges entières, unegénéralisation des horloges booléennes autorisant desentiers naturels arbitrairement grands. Les horlogesentières décrivent la production ou consommation deplusieurs valeurs depuis une même file au cours d’uninstant. Nous les utilisons pour définir la constructiond’échelle de temps locale, qui peut masquer despas de temps cachés par un sous-programme au contexteenglobant.Ces principes sont intégrés à un calcul d’horloge pourun langage fonctionnel d’ordre supérieur. Nous étudionsses propriétés et prouvons en particulier que lesprogrammes bien typés ne bloquent pas. Nous compilonsles programmes typés vers des circuits numériquessynchrones en adaptant le schéma de générationde code dirigé par les horloges de Lustre. L’informationde typage contrôle certains compromis entre temps etespace dans les circuits générés. / This thesis addresses the design and implementationof a programming language for real-time streaming applications,such as video decoding. The model of Kahnprocess networks is a natural fit for this area and hasbeen used extensively. In this model, a program consistsin a set of parallel processes communicating via singlereader, single writer queues. The strength of the modellies in its determinism.Synchronous functional languages such as Lustre arededicated to critical embedded systems. A Lustre programdefines a synchronous Kahn process network, thatis, which can be executed using finite queues and withoutdeadlocks. This is enforced by a dedicated type system,the clock calculus, which establishes a global timescale throughout a program. The global time scale isused to define clocks: per-queue boolean sequences indicating,for each time step, whether a process producesor consumes a token in the queue. This information isused both for enforcing synchrony and for generatingfinite-state software or hardware.We propose and study integer clocks, a generalizationof boolean clocks featuring arbitrarily big natural numbers.Integer clocks model the production or consumptionof several values from the same queue in the courseof a time step. We then rely on integer clocks to definethe local time scale construction, which may hide timesteps performed by a sub-program from the surroundingcontext.These principles are integrated into a clock calculus fora higher-order functional language. We study its properties,proving among other results that well-typed programsdo not deadlock. We adjust the clock-directedcode generation scheme of Lustre to generate finite-statedigital synchronous circuits from typed programs. Thetyping information controls certain trade-offs betweentime and space in the generated circuits.

Les systèmes informatiques sont devenus de plus en plus distribués et hétérogènes, ce qui rend leur administration manuelle difficile et source d'erreurs. L'administration autonome a été proposée comme solution à ce problème. Elle consiste à automatiser l'administration des systèmes informatiques à l'aide de boucles de contrôle appelées gestionnaires autonomes. De nombreux travaux de recherche se sont intéressés à l'automatisation des fonctions d'administration de systèmes informatiques et aujourd'hui, beaucoup de gestionnaires autonomes sont disponibles. Toutefois, les gestionnaires autonomes existants sont, la plupart, spécialisés dans la gestion de quelques aspects d'administration. Cela rend nécessaire la coexistence de plusieurs gestionnaires autonomes pour atteindre une gestion globale des systèmes. La coexistence de plusieurs gestionnaires permet la gestion de plusieurs aspects, mais nécessite des mécanismes de coordination afin d'éviter des décisions incohérentes. Nous étudions l'utilisation de techniques de contrôle pour la conception de contrôleurs de coordination, nous utilisons la programmation synchrone qui fournit des méthodes formelles, et la synthèse de contrôleur discret pour automatiser la construction de contrôleur. Nous suivons une approche à base de composants, et utilisons le contrôle discret modulaire qui permet de décomposer la complexité combinatoire inhérente à la technique d'exploration d'espace d'états. Cela améliore le passage à l'échelle de notre approche et permet la construction d'un contrôle hiérarchique. Notre approche permet la réutilisation de gestionnaires complexes dans des contextes différents, sans modifier leurs spécifications de contrôle. Nous construisons une coordination de gestionnaires basée sur le modèle à composants offrant introspection, adaptabilité et reconfiguration. Cette thèse présente notre méthodologie et des études de cas. Nous évaluons et démontrons les avantages de notre approche par la coordination de gestionnaires autonomes dédiés à la gestion de la disponibilité, et à la gestion de la performance et l'optimisation de ressources. / Computing systems have become more and more distributed and heterogeneous, making their manual administration difficult and error-prone. The Autonomic Computing approach has been proposed to overcome this issue, by automating the administration of computing systems with the help of control loops called autonomic managers. Many research works have investigated the automation of the administration functions of computing systems and today many autonomic managers are available. However the existing autonomic managers are mostly specialized in the management of few administration concerns. This makes necessary the coexistence of multiple autonomic managers for achieving a global system management. The coexistence of several managers make possible to address multiple concerns, yet requires coordination mechanisms to avoid incoherent management decisions. We investigate the use of control techniques for the design of coordination controllers, for which we exercise synchronous programming that provide formal semantics, and discrete controller synthesis to automate the construction of the controller. We follow a component-based approach, and explore modular discrete control allowing to break down the combinatorial complexity inherent to the state-space exploration technique. This improves scalability of the approach and allows constructing a hierarchical control. It also allows re-using complex managers in different contexts without modifying their control specifications. We build a component-based coordination of managers, with introspection, adaptivity and reconfiguration. This thesis details our methodology and presents case-studies. We evaluate and demonstrate the benefits of our approach by coordinating autonomic managers which addresse the management of availability, and the management of performance and resources optimization.