Les systèmes embarqués peuvent contenir des données sensibles. Elles sont généralement échangées en clair entre le système sur puces et la mémoire, mais aussi en interne. Cela constitue un point faible: un attaquant peut observer cet échange et récupérer des informations ou insérer du code malveillant. L'objectif de la thèse est de fournir une solution dédiée et adaptée à ces problèmes en considérant l'intégralité de la durée de vie du système embarqué (démarrage, mises à jour et exécution) et l'intégralité des données (bitstream du FPGA, noyau du système d'exploitation, code et données critiques). En outre, il est nécessaire d'optimiser les performances des mécanismes matériels de sécurité introduits afin de correspondre aux attentes des systèmes embarqués. Cette thèse se distingue en proposant des solutions innovantes et adaptées au monde des FPGAs. / Embedded systems may contain sensitive data. They are usually exchanged in plaintext between the system on chips and the memory, but also internally. This is a weakness: an attacker can spy this exchange and retrieve information or insert malicious code. The aim of the thesis is to provide a dedicated and suitable solution for these problems by considering the entire lifecycle of the embedded system (boot, updates and execution) and all the data (FPGA bitstream, operating system kernel, critical data and code). Furthermore, it is necessary to optimize the performance of hardware security mechanisms introduced to match the expectations of embedded systems. This thesis is distinguished by offering innovative and suitable solutions for the world of FPGAs.

Empilant une couche multiprocesseur (MPSoC) et une couche de FPGA pour former un système sur puce reconfigurable en trois dimension (3DRSoC), est une solution prometteuse donnant un niveau de flexibilité élevé en adaptant l'architecture aux applications visées. Pour une application exécutée sur ce système, l'un des principaux défis vient de la gestion de haut niveau des tâches. Cette gestion est effectuée par le service d'ordonnancement du système d'exploitation et elle doit être en mesure de déterminer, lors de l'exécution de l'application, quelle tâche est exécutée logiciellement et/ou matériellement, quand (dimension temporelle) et sur quelles ressources (dimension spatiale, c'est à dire sur quel processeur ou quelle région du FPGA) pour atteindre la haute performance du système. Dans cette thèse, nous proposons des stratégies d'ordonnancement spatio-temporel pour les architectures 3DRSoCs. La première stratégie décide la nécessité de placer une tâche matérielle et une tâche logicielle en face-à-face afin que le coût de la communication entre tâches soit minimisé. La deuxième stratégie vise à minimiser le temps d'exécution globale de l'application. Cette stratégie exploits la présence de processeurs de la couche MPSoC afin d'anticiper, en temps-réel, l'exécution d'une tâche logicielle quand sa version matérielle ne peut pas être allouée sur le FPGA. Ensuite, un outil de simulation graphique a été développé pour vérifier le bon fonctionnement des stratégies développées et aussi nous permettre de produire des résultats. / Stacking a multiprocessor (MPSoC) layer and a FPGA layer to form a 3D Reconfigurable System-on- Chip (3DRSoC) is a promising solution giving a high flexibility level in adapting the architecture to the targeted application. For an application defined as a graph of parallel tasks running on the 3DRSoC system, one of the main challenges comes from the high-level management of tasks. This management is done by the scheduling service of the Operating System and it must be able to determine, on the fly, what task should be run in software and/or hardware, when (temporal dimension) and where (spatial dimension, i.e. on what processor or what area of the FPGA) in order to achieve high performance of the system. In this thesis, we propose online spatio-temporal scheduling strategies for 3DRSoCs. The first strategy decides, during the task scheduling, the need for a SW task and a HW task to communicate in face-to-face so that the communication cost between tasks is minimized. The second strategy aims at minimizing the overall execution time of the application. It exploits the presence of processors in the MPSoC layer in order to anticipate, at run-time, the SW execution of a task when its HW version cannot be allocated to the FPGA. Then, a graphical simulation tool has been developed to verify the proper functioning of the developed strategies and also enable us to produce results.

L'industrie des télécommunications connait une profonde évolution. Face au développement denouveaux usages sur les téléphones mobiles, les acteurs historiques de la téléphonie mobile(opérateurs de réseaux et fabricants de terminaux) doivent s'adapter à un nouvel environnementtechnologique et concurrentiel. Concrètement, ce nouvel environnement s'appuie technologiquementsur l'extension des usages d'objets numériques (logiciels et contenus pouvant être professionnels,personnels ou de loisir), il sert donc de tremplin pour des acteurs plus ou moins matures venant desindustries logicielles, culturelles et de l'Internet. Partant de ce constat, notre thèse repose sur l'idée queles acteurs historiques de la téléphonie mobile doivent s'adapter à ce nouvel environnement afin demaintenir leur position, ainsi qu'apprendre à se coordonner avec les nouveaux entrants de l’industrie,car la coordination est nécessaire à l'émergence du marché des services mobiles. Nous commençonsdonc par faire une analyse historique de l’émergence de l’industrie des services mobiles afin depositionner les enjeux de la coordination. Ensuite, nous étudions des projets « open source » desystèmes d’exploitation pour smartphones pour analyser l’intérêt d’une stratégie ouverte. Enfin, nousconstruisons un modèle de simulations évolutionnistes afin d’analyser les stratégies des acteurs en lienavec la structure de l’industrie et son effet sur la structure technologique. / The telecommunications industry currently undergoes a dramatic evolution. Faced with thedevelopment of new uses on mobile phones, incumbents of the mobile phone industry (networkoperators and devices manufacturers) must adapt to a new technological and competitive environment.This new environment technologically relies on expansions of uses of digital objects (software andcontents that can be either of professional, personal or leisure use) and thereby serves as a launchingpad for actors more or less mature coming from software industries, copyright-based industries or theInternet industry. Based on this observation, our thesis rests on the idea that incumbents of the mobilephone industry must adapt to this new environment in order to maintain their position, and must learnto coordinate with those new actors as coordination is required for this market to emerge. We thereforestart with a historical analysis of the emergence of the mobile services industry so as to position theissues at stake regarding coordination. We then focus on “open source” projects for smartphoneoperating systems in order to analyse the interest of an open strategy. Last, we design an evolutionistsimulation model so that to analyse the actors’ strategies linked with the structure of the industry andits effects on the technological structure.

Avec les avancées récentes en microélectronique, en traitement numérique et en technologie de communication, les noeuds de réseau de capteurs sans fil (noeud RCSF) deviennent de moins en moins encombrants et coûteux. De ce fait la technologie de RCSF est utilisée dans de larges domaines d’application. Comme les noeuds RCSF sont limités en taille et en coût, ils sont en général équipés d’un petit microcontrôleur de faible puissance de calcul et de mémoire etc. De plus ils sont alimentés par une batterie donc son énergie disponible est limitée. A cause de ces contraintes, la plateforme logicielle d’un RCSF doit consommer peu de mémoire, d’énergie, et doit être efficace en calcul. Toutes ces contraintes rendent les développements de logiciels dédiés au RCSF très compliqués. Aujourd’hui le développement d’un système d’exploitation dédié à la technologie RCSF est un sujet important. En effet avec un système d’exploitation efficient, les ressources matérielles d’une plateforme RCSF peuvent être utilisées efficacement. De plus, un ensemble de services système disponibles permet de simplifier le développement d’une application. Actuellement beaucoup de travaux de recherche ont été menés pour développer des systèmes d’exploitation pour le RCSF tels que TinyOS, Contiki, SOS, openWSN, mantisOS et simpleRTJ. Cependant plusieurs défis restent à relever dans le domaine de système d’exploitation pour le RCSF. Le premier des défis est le développement d’un système d’exploitation temps réel à faible empreinte mémoire dédié au RCSF. Le second défi est de développer un mécanisme permettant d’utiliser efficacement la mémoire et l’énergie disponible d’un RCSF. De plus, comment fournir un développement d’application pour le RCSF reste une question ouverte. Dans cette thèse, un nouveau système d’exploitation hybride, temps réel à énergie efficiente et à faible empreinte mémoire nommé MIROS dédié au RCSF a été développé. Dans MIROS, un ordonnanceur hybride a été adopté ; les deux ordonnanceurs évènementiel et multithread ont été implémentés. Avec cet ordonnanceur hybride, le nombre de threads de MIROS peut être diminué d’une façon importante. En conséquence, les avantages d’un système d’exploitation évènementiel qui consomme peu de ressource mémoire et la performance temps réel d’un système d’exploitation multithread ont été obtenues. De plus, l’allocation dynamique de la mémoire a été aussi réalisée dans MIROS. La technique d’allocation mémoire de MIROS permet l’augmentation de la zone mémoire allouée et le réassemblage des fragments de mémoire. De ce fait, l’allocation de mémoire de MIROS devient plus flexible et la ressource mémoire d’un noeud RCSF peut être utilisée efficacement. Comme l’énergie d’un noeud RCSF est une ressource à forte contrainte, le mécanisme de conservation d’énergie a été implanté dans MIROS. Contrairement aux autres systèmes d’exploitation pour RCSF où la conservation d’énergie a été prise en compte seulement en logiciel, dans MIROS la conservation d’énergie a été prise en compte à la fois en logiciel et en matériel. Enfin, pour fournir un environnement de développement convivial aux utilisateurs, un nouveau intergiciel nommé EMIDE a été développé et intégré dans MIROS. EMIDE permet le découplage d’une application de système. Donc le programme d’application est plus simple et la reprogrammation à distance est plus performante, car seulement les codes de l’application seront reprogrammés. Les évaluations de performance de MIROS montrent que MIROS est un système temps réel à faible empreinte mémoire et efficace pour son exécution. De ce fait, MIROS peut être utilisé dans plusieurs plateformes telles que BTnode, IMote, SenseNode, TelosB et T-Mote Sky. Enfin, MIROS peut être utilisé pour les plateformes RCSF à fortes contraintes de ressources. / With the recent advances in microelectronic, computing and communication technologies, wireless sensor network (WSN) nodes have become physically smaller and more inexpensive. As a result, WSN technology has become increasingly popular in widespread application domains. Since WSN nodes are minimized in physical size and cost, they are mostly restricted to platform resources such as processor computation ability, memory resources and energy supply. The constrained platform resources and diverse application requirements make software development on the WSN platform complicated. On the one hand, the software running on the WSN platform should be small in the memory footprint, low in energy consumption and high in execution efficiency. On the other hand, the diverse application development requirements, such as the real-time guarantee and the high reprogramming performance, should be met by the WSN software. The operating system (OS) technology is significant for the WSN proliferation. An outstanding WSN OS can not only utilize the constrained WSN platform resources efficiently, but also serve the WSN applications soundly. Currently, a set of WSN OSes have been developed, such as the TinyOS, the Contiki, the SOS, the openWSN and the mantisOS. However, many OS development challenges still exist, such as the development of a WSN OS which is high in real-time performance yet low in memory footprint; the improvement of the utilization efficiency to the memory and energy resources on the WSN platforms, and the providing of a user-friendly application development environment to the WSN users. In this thesis, a new hybrid, real-time, energy-efficient, memory-efficient, fault-tolerant and user-friendly WSN OS MIROS is developed. MIROS uses the hybrid scheduling to combine the advantages of the event-driven system's low memory consumption and the multithreaded system's high real-time performance. By so doing, the real-time scheduling can be achieved on the severely resource-constrained WSN platforms. In addition to the hybrid scheduling, the dynamic memory allocators are also realized in MIROS. Differing from the other dynamic allocation approaches, the memory heap in MIROS can be extended and the memory fragments in the MIROS can be defragmented. As a result, MIROS allocators become flexible and the memory resources can be utilized more efficiently. Besides the above mechanisms, the energy conservation mechanism is also implemented in MIROS. Different from most other WSN OSes in which the energy resource is conserved only from the software aspect, the energy conservation in MIROS is achieved from both the software aspect and the multi-core hardware aspect. With this conservation mechanism, the energy cost reduced significantly, and the lifetime of the WSN nodes prolonged. Furthermore, MIROS implements the new middleware software EMIDE in order to provide a user-friendly application development environment to the WSN users. With EMIDE, the WSN application space can be decoupled from the low-level system space. Consequently, the application programming can be simplified as the users only need to focus on the application space. Moreover, the application reprogramming performance can be improved as only the application image other than the monolithic image needs to be updated during the reprogramming process. The performance evaluation works to the MIROS prove that MIROS is a real-time OS which has small memory footprint, low energy cost and high execution efficiency. Thus, it is suitable to be used on many WSN platforms including the BTnode, IMote, SenseNode, TelosB, T-Mote Sky, etc. The performance evaluation to EMIDE proves that EMIDE has less memory cost and low energy consumption. Moreover, it supports small-size application code. Therefore, it can be used on the high resource-constrained WSN platforms to provide a user-friendly development environment to the WSN users.

Cette thèse souhaite fournir des outils pour qu’un utilisateur puisse contribuer activement à la sécurité de son usage d’un système informatique. Les activités de sensibilités différentes d’un utilisateur nécessitent tout d’abord d’être cloisonnées dans des domaines dédiés, par un contrôle d’accès s’ajustant aux besoins de l’utilisateur. Afin de conserver ce cloisonnement, celui-ci doit être en mesure d’identifier de manière fiable les domaines avec lesquels il interagit, à partir de l’interface de sa machine. Dans une première partie, nous proposons un nouveau mécanisme de cloisonnement qui peut s’adapter de manière transparente aux changements d’activité de l’utilisateur, sans altérer le fonctionnement des contrôles d’accès existants, ni dégrader la sécurité du système. Nous en décrivons une première implémentation, nommée StemJail, basée sur les espaces de noms de Linux. Nous améliorons ce cloisonnement en proposant un nouveau module de sécurité Linux, baptisé Landlock, utilisable sans nécessiter de privilèges. Dans un second temps, nous identifions et modélisons les propriétés de sécurité d’une interface homme-machine (IHM) nécessaires à la compréhension fiable et sûre du système par l’utilisateur. En particulier, il s’agit d’établir un lien entre les entités avec lesquelles l’utilisateur pense communiquer, et celles avec lesquelles il communique vraiment. Cette modélisation permet d’évaluer l’impact de la compromission de certains composants d’IHM et d’aider à l’évaluation d’une architecture donnée. / This thesis aims to provide end users with tools enhancing the security of the system they use. First, user activities of different sensitivities require to be confined in dedicated domains by an access control fitting the user’s needs. Next, in order to maintain this confinement, users must be able to reliably identify the domains they interact with, from their machine’s interface. In the first part, we present a new confinement mechanism that seamlessly adapts to user activity changes, without altering the behavior of existing access controls nor degrading the security of the system. We also describe a first implementation named StemJail, based on Linux namespaces. We improve this confinement tool by creating a new Linux security module named Landlock which can be used without requiring privileges. In a second step, we identify and model the security properties a human-computer interface (HCI) requires for the reliable and secure understanding of the system by the user. Precisely, the goal is to establish a link between the entities with which the users think they communicate, and those with which they actually communicate. This model enables to evaluate the impact of HCI components jeopardization and helps assessing a given architecture.