L'augmentation de la densité des transistors dans les circuits électroniques conduit à une augmentation de la consommation d'énergie induisant des phénomènes thermiques plus complexes à maitriser. Dans le cas de systèmes embarqués en environnement où la température ambiante varie dans des proportions importantes (automobile par exemple), ces phénomènes peuvent conduire à des problèmes de fiabilité. Parmi les mécanismes de défaillance observés, on peut citer les cycles thermiques (CT) qui induisent des déformations dans les couches métalliques de la puce pouvant conduire à des fissurations. L’objectif de la thèse est de proposer pour des architectures de type multiprocesseur sur puce une technique de réduction des CT subis par les processeurs, et ce en respectant les contraintes temps réel des applications. L’exemple du circuit MPC5517 de Freescale a été considéré. Dans un premier temps un modèle thermique de ce circuit a été élaboré à partir de mesures par une caméra thermique sur ce circuit décapsulé. Un environnement de simulation a été mis en oeuvre pour permettre d’effectuer simultanément des analyses thermiques et d’ordonnancement de tâches et mettre en évidence l’influence de la température sur la puissance dissipée. Une heuristique globale pour réduire à la fois les CT et la température maximale des processeurs a été étudiée. Elle tient compte des variations de la température ambiante et se base sur les techniques DVFS et DPM. Les résultats de simulation avec les algorithmes d’ordonnancement globaux RM, EDF et EDZL et avec différentes charges processeur (sur un circuit type MPC5517 et un UltraSparc T1) illustrent l’efficacité de la technique proposée. / Increasing the density of transistors in electronic circuits leads to an increase in energy consumption resulting in more complex thermal phenomena to master. For systems embedded in environments where the ambient temperature can vary in large range (e.g. automotive), these thermal effects can induce reliability problems. Among classical failure mechanisms thermal cycles (CTs) produce deformations in materials and play a major role in the cracking of the metal layers in the chip. The aim of the thesis is to propose a reduction technique of CTs suffered by the processor cores in a multiprocessor on chip architecture such that real-time application constraints are met. The example of the Freescale MPC5517 circuit has been considered. In a first step a thermal model of this circuit was developed. This was achieved from measurements taken by a thermal camera on a decapsulated circuit. Next, a simulation environment has been implemented allowing both the analysis of thermal behavior and the scheduling of tasks so as to highlight the influence of temperature on the dissipated power. A global heuristic to reduce both the CTs and the maximum temperature of processors has been studied. It takes into account variations in the ambient temperature and is based on DVFS and DPM techniques. Simulation results with global scheduling algorithms RM, EDF and EDZL and different processor loads (for a MPC5517 type circuit and a T1 UltraSparc from Sun Microsystems) illustrate the effectiveness of the proposed technique.

Les réseaux sur puce (NoC : Network on Chip) et les architectures GALS (Globalement Asynchrone – Localement Synchrone) sont deux nouveaux paradigmes de communication pour les systèmes sur puce (SoC : System on Chip). Ces paradigmes ont conduit à la création de réseaux sur puce asynchrones. Cependant, faute de méthodologies et d'outils de test adaptés, le test de production des réseaux sur puce asynchrones constitue un grand défi pour la mise sur le marché de ces systèmes. L'objectif de cette thèse est de proposer une nouvelle méthode de test pour les réseaux sur puce asynchrones. Afin de faciliter le test de l'infrastructure du réseau, nous avons tout d'abord proposé une architecture DfT (Design-for-Test) dans laquelle chaque routeur du réseau est entouré d'un wrapper de test asynchrone qui améliore sa contrôlabilité et son observabilité. Cette architecture DfT a été modélisée, implémentée en logique asynchrone QDI (Quasi-Delay Insensitive), et validée avec un réseau sur puce asynchrone ANOC développée au CEA-LETI. La génération des vecteurs de test a été alors faite en analysant les fonctionnalités et l'implémentation structurelle du routeur et de ses interconnexions. Ensuite, nous avons également introduit une stratégie pour tester un réseau complet. La méthode de test complète développée dans cette thèse permet une couverture de faute de 99,86% pour le réseau ANOC en utilisant un modèle de faute de collage simple.

Ce travail de thèse porte sur la conception de l'interconnexion entre les nombreux composants IP (Intellectual Property) d'un système électronique sur puce (SoC pour System on Chip).<br />Notre étude repose sur une solution émergente qui est celle des réseaux sur puce (NoC pour Network-on-chip), celle-ci est inspirée des réseaux de communication entre ordinateurs.<br />Un NoC offre de nombreuses possibilités et un large espace de conception. La maîtrise des choix des paramètres d'un NoC vis à vis des contraintes d'une application n'est pas triviale et nécessite de la méthode.<br />Cette thèse propose un flot de conception afin de déterminer ces paramètres automatiquement.<br />Le problème de l'horloge dans les circuits de grande taille, ainsi que l'aspect sécurité sont également traités.<br />Ce travail a conduit au développement de l'outil µSpider, qui est un environnement de conception composé d'outils de décisions et d'un générateur de code (VHDL synthétisable).<br />Ce travail a été validé avec des applications dans les domaines du traitement du signal, de l'image et des télécommunications.

Ces travaux de thèse définissent un environnement de développement ouvert et extensible pour la conception de logiciels à base de composants. L'environnement se présente comme une chaîne de compilation d'architectures logicielles, acceptant des architectures écrites dans des langages différents et fournissant des fonctionnalités comme la génération de code ou le déploiement. L'extensibilité de l'outil est assurée par une architecture à base de composants implantant des patrons de programmation extensibles et supportant un mécanisme de plug-in pour intégrer des extensions de tierces parties. L'utilisation de l'outil est illustrée au travers deux cadres applicatifs ayant pour trame les systèmes sur puces. La première illustre le développement de systèmes d'exploitation pour ceux-ci. La deuxième illustre la définition d'un nouveau langage facilitant l'expression de la synchronisation au sein d'applications de traitement de flux multimédia réparties.

La conception des systèmes de contrôle embarqués devient de plus en plus complexe en raison des algorithmes utilisés, de l'augmentation des besoins industriels et de la nature des domaines d'applications. Une façon de gérer cette complexité est de concevoir les contrôleurs correspondant en se basant sur des plateformes numériques puissantes et ouvertes. Plus précisément, cette thèse s'intéresse à l'utilisation des plateformes FPGA System-on-Chip (SoC) pour la mise en œuvre des algorithmes d'entraînement électrique pour des applications avioniques. Ces dernières sont caractérisées par des difficultés techniques telles que leur environnement de travail (pression, température élevée) et les exigences de performance (le haut degré d'intégration, la flexibilité). Durant cette thèse, l'auteur a contribué à concevoir et à tester un contrôleur numérique pour un variateur de vitesse synchrone qui doit fonctionner à 200 °C de température ambiante. Il s'agit d'une commande par flux orienté (FOC) pour une Machine Synchrone à Aimants Permanents (MSAP) associée à un capteur de type résolveur. Une méthode de conception et de validation a été proposée et testée en utilisant une carte FPGA ProAsicPlus de la société Actel/Microsemi. L'impact de la température sur la fréquence de fonctionnement a également été analysé. Un état de l'art des technologies basées sur les SoC sur FPGA a été également présenté. Une description détaillée des plateformes numériques récentes et les contraintes en lien avec les applications embarquées a été également fourni. Ainsi, l'intérêt d'une approche basée sur SoC pour des applications d'entrainements électriques a été démontré. D'un autre coté et pour profiter pleinement des avantages offertes par les SoC, une méthodologie de Co-conception matériel-logiciel (hardware-software (HW-SW)) pour le contrôle d'entraînement électrique a été proposée. Cette méthode couvre l'ensemble des étapes de développement de l'application de contrôle à partir des spécifications jusqu'à la validation expérimentale. Une des principales étapes de cette méthode est le partitionnement HW-SW. Le but est de trouver une combinaison optimale entre les modules à mettre en œuvre dans la partie logiciel et celles qui doivent être mis en œuvre dans la partie matériel. Ce problème d'optimisation multi-objectif a été réalisé en utilisant l'algorithme de génétique, Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm (NSGA-II). Ainsi, un Front de Pareto des solutions optimales peut être déduit. L'illustration de la méthodologie proposée a été effectuée en se basant sur l'exemple du régulateur de vitesse sans capteur utilisant le filtre de Kalman étendu (EKF). Le choix de cet exemple correspond à une tendance majeure dans le domaine des contrôleurs embraqués pour entrainements électriques. Par ailleurs, la gestion de l'architecture du contrôleur embarqué basée sur une approche SoC a été effectuée en utilisant un système d'exploitation temps réel. Afin d'accélérer les services de ce système d'exploitation, une unité temps réel a été développée en VHDL et associée au système d'exploitation. Il s'agit de placer les services d'ordonnanceur et des processus de communication du système d'exploitation logiciel au matériel. Ceci a permis une accélération significative du traitement. La validation expérimentale d'un contrôleur du courant a été effectuée en utilisant un banc de test du laboratoire. Les résultats obtenus prouvent l'intérêt de l'approche proposée. / Designing embedded control systems becomes increasingly complex due to the growing of algorithm complexity, the rising of industrials requirements and the nature of application domains. One way to handle with this complexity is to design the corresponding controllers on performing powerful and open digital platforms. More specifically, this PhD deals with the use of FPGA System-on-Chip (SoC) platforms for the implementation of complex AC drive controllers for avionic applications. These latters are characterized by stringent technical issues such as environment conditions (pressure, high temperature) and high performance requirements (high integration, flexibility and efficiency). During this thesis, the author has contributed to design and to test a digital controller for a high temperature synchronous drive that must operate at 200°C ambient. It consists on the Flux Oriented Controller (FOC) for a Permanent Magnet Synchronous Machine (PMSM) associated with a Resolver sensor. A design and validation method has been proposed and tested using a FPGA ProAsicPlus board from Actel-Microsemi Company. The impact of the temperature on the operating frequency has been also analyzed. A state of the art FPGA SoC technology has been also presented. A detailed description of the recent digital platforms and constraints in link with embedded applications was investigated. Thus, the interest of a SoC-based approach for AC drives applications was also established. Additionally and to have full advantages of a SoC based approach, an appropriate HW-SW Co-design methodology for electrical AC drive has been proposed. This method covers the whole development steps of the control application from the specifications to the final experimental validation. One of the main important steps of this method is the HW-SW partitioning. The goal is to find an optimal combination between modules to be implemented in software and those to be implemented in hardware. This multi-objective optimization problem was performed with the Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm (NSGA-II). Thus, the Pareto-Front of optimal solution can be deduced. The illustration of the proposed Co-design methodology was made based on the sensorless speed controller using the Extended Kalman Filter (EKF). The choice of this benchmark corresponds to a major trend in embedded control of AC drives. Besides, the management of SoC-based architecture of the embedded controller was allowed using an efficient Real-Time Operating System (RTOS). To accelerate the services of this operating system, a Real-Time Unit (RTU) was developed in VHDL and associated to the RTOS. It consists in hardware operating system that moves the scheduling and communication process from software RTOS to hardware. Thus, a significant acceleration has been achieved. The experimentation tests based on digital current controller were also carried out using a laboratory set-up. The obtained results prove the interest of the proposed approach.

L’objectif de ce travail de Thèse est d’évaluer les capacités de composants numérique de type Système-sur-Puce (SoC en anglais) pour l’implantation de Simulateurs Temps Réel Embarqués (ERTS en anglais) de systèmes électromécaniques et d’électronique de puissance. En effet, l’utilisation de ces simulateurs n’est pas seulement limitée aux validations matériel dans la boucle (en anglais Hardware-in-the-Loop ou HIL) du système mais doivent également être embarqués avec le contrôleur afin d’assurer plusieurs fonctionnalités additionnelles comme l'observation, l'estimation, commande sans capteur (ou sensorless), le diagnostic ou la surveillance de la santé, commande tolérante aux défauts, etc.La réalisation de ces simulateurs doit néanmoins considérer plusieurs contraintes à plusieurs niveaux de développement : durant la modélisation de la partie du système à simuler en temps-réel, durant la réalisation numérique et enfin durant l’implantation sur le composant numérique utilisé. Ainsi, le travail réalisé durant cette Thèse s’est focalisé sur ce dernier niveau et l’objectif était d’évaluer les capacités temps/ressources des composants de type SoC pour l’implantation de modules ERTS. Ce type de plateformes intègrent dans un même composant de puissants processeurs, un circuit logique programmable (de type Field-Programmable Gate Array ou FPGA), et d’autres périphériques, ce qui offre plusieurs opportunités d’implantation.Afin de pallier les limitations liées au codage VHDL de la partie FPGA, il existe des outils High-Level Synthesis (HLS) qui permettent de programmer ces dispositifs en utilisant des langages à haut niveau d'abstraction comme C, C++ ou SystemC. De plus, en incluant des directives et contraintes au code source, ces outils peuvent produire des implémentations matérielles différentes (architecture totalement combinatoire, « pipeline », architecture parallélisées ou factorisées, arranger les données et leurs formats pour une meilleure utilisation des ressources de mémoire, etc.).Dans le but d’évaluer ces différentes implantations, deux cas d’études ont été choisis : le premier se compose d’un Générateur Asynchrone à Double Alimentation (GADA) et le second d’un Convertisseur Modulaire Multiniveau (ou Modular Multi-level Converter - MMC). Vu que la GADA a une dynamique basse/moyenne (dynamiques électriques et mécaniques), deux versions d’implantations ont été évaluées : (i) une implantation full-software en utilisant seulement les processeurs ARM; et (ii) une implantation full-hardware en utilisant l’outil HLS pour programmer la partie FPGA. Ces deux versions ont été évaluées avec différentes optimisations du compilateur et trois formats de données: 64/32-bit en virgule flottante, et 32-bit en virgule flottante. L’approche mixe software/hardware a également été évaluée à travers la caractérisation des transferts de données entre le processeur et l’IP ERTS implantée dans la partie FPGA. Quant au convertisseur MMC, sa complexité et sa forte dynamique (dynamique de commutation) impose une implantation exclusivement full-hardware. Celle-ci a également été réalisée à base d’outils HLS.Enfin pour la validation expérimentale de ce travail de Thèse, une maquette à base de convertisseur MMC a été construite dans le but de comparer des mesures du système réel avec les résultats fournis par l’IP ERTS. / This Doctoral Thesis is a detailed study of how suitable System-on-Chip (SoC) devices are for implementing Embedded Real-Time Simulators (ERTS) of electromechanical and power electronic systems. This emerging class of Real-Time Simulators (RTS) are not only expected for Hardware-in-the-Loop (HIL) validations of systems; but they also have to be embedded within the controller to play several roles like observers, parameter estimation, diagnostic, health monitoring, fault-tolerant and sensorless control, etc.The design of these Intellectual Properties (IP) must rigorously consider a set of constraints at different development stages: (i) during the modeling of the system to be real-time simulated; (ii) during the digital realization of the IP; and also (iii) during its final implementation in the digital platform. Thus, the conducted work of this Thesis focuses specially on this last stage and its aim is to evaluate the time/resource performances of recent SoC devices and study how suitable they are for implementing ERTSs. These kind of digital platforms combine powerful general purpose processors, a Field-Programmable Gate Array (FPGA) and other peripherals which make them very convenient for controlling and monitoring a complete system.One of the limitations of these devices is that control engineers are not particularly familiarized with FPGA programming, which needs extensive expertise in order to code these highly sophisticated algorithms using Hardware Description Languages (HDL). Notwithstanding, there exist High-Level Synthesis (HLS) tools which allow to program these devices using more generic programming languages such as C, C++ or SystemC. Moreover, by inserting directives and constraints to the source code, these tools can produce different hardware implementations (e.g. full-combinatorial design, pipelined design, parallel or factorized design, partition or arrange data for a better utilisation of memory resources, etc.).This dissertation is based on the implementation of two representative applications that are well known in our laboratory: a Doubly-fed Induction Generator (DFIG) commonly used as wind turbines; and a Modular Multi-level Converter (MMC) that can be arranged in different configurations and utilized for many different energy conversion purposes. Since the DFIG has low/medium system dynamics (electrical and mechanical ones), both a full-software implementation using solely the ARM processor and a full-hardware implementation using HLS to program the FPGA will be evaluated with different design optimizations and data formats (64/32-bit floating-point and 32-bit fixed-point). Moreover, it will also be investigated whether a system of these characteristics is interesting to be run as a hardware accelerator. Different data transfer options between the Processor System (PS) and the Programmable Logic (PL) have been studied as well for this matter. Conversely, because of its harsh dynamics (switching dynamics), the MMC will be implemented only with a full-hardware approach using HLS tools, as well.For the experimental validation of this Thesis work, a complete MMC test bench has been built from scratch in order to compare the real-world results with its SoC ERTS implementation.

Depuis son introduction en 1982, la carte auto-organisatrice de Kohonen (Self-Organizing Map : SOM) a prouvé ses capacités de classification et visualisation des données multidimensionnelles dans différents domaines d’application. Les implémentations matérielles de la carte SOM, en exploitant le taux de parallélisme élevé de l’algorithme de Kohonen, permettent d’augmenter les performances de ce modèle neuronal souvent au détriment de la flexibilité. D’autre part, la flexibilité est offerte par les implémentations logicielles qui quant à elles ne sont pas adaptées pour les applications temps réel à cause de leurs performances temporelles limitées. Dans cette thèse nous avons proposé une architecture matérielle distribuée, adaptable, flexible et extensible de la carte SOM à base de NoC dédiée pour une implantation matérielle sur FPGA. A base de cette approche, nous avons également proposé une architecture matérielle innovante d’une carte SOM à structure croissante au cours de la phase d’apprentissage / Since its introduction in 1982, Kohonen’s Self-Organizing Map (SOM) showed its ability to classify and visualize multidimensional data in various application fields. Hardware implementations of SOM, by exploiting the inherent parallelism of the Kohonen algorithm, allow to increase the overall performances of this neuronal network, often at the expense of the flexibility. On the other hand, the flexibility is offered by software implementations which on their side are not suited for real-time applications due to the limited time performances. In this thesis we proposed a distributed, adaptable, flexible and scalable hardware architecture of SOM based on Network-on-Chip (NoC) designed for FPGA implementation. Moreover, based on this approach we also proposed a novel hardware architecture of a growing SOM able to evolve its own structure during the learning phase

Les détecteurs de vertex sont importants pour les expériences de la physique des particules, car la connaissance de la saveur présente dans un événement deviendra une question majeure dans le programme de physique auprès du Futur Collisionneur Linéaire. Un capteur monolithique à pixels actifs (MAPS) basé sur une structure originale a été proposé. Le capteur est inséparable de son électronique de lecture, puisque les deux sont intégrés sur la même tranche de silicum basse résistivité qui constitue le substrat classique pour une technologie CMOS. La configuration de base est composée uniquement de trois transistors et d'une diode qui collecte par diffusion thermique la charge. Celle-ci est générée dans la couche épitaxiale mince, non-désertée en dessous du circuit de lecture. Cela permet d'obtenir un détecteur mince, de haute résolution, d'une surface entièrement sensible à la radiation et d'un faible coût de fabrication. Les simulations détaillées ont été effectuées en utilisant le logiciel ISE-TCAD pour étudier le mécanisme de collection de charge. Quatre prototypes ont été fabriqués en technologies CMOS submicroniques pour démontrer la viabilité de cette technique. Le gain des pixels a été calibré par irradiation à l'aide d'une source 55Fe et en appliquant la méthode fondée sur la séquence de Poisson. Les prototypes ont été également exposés aux faisceaux de particules de haute énergie au CERN. D'excellentes performances de détection ont été prouvées. Elles s'expriment par un rapport signal sur bruit supérieur à 30, une résolution spatiale de 1.5 μm et une efficacité de détection proche de 100%. Les tests d'irradiation ont démontré une résistance aux flux de neutrons jusqu'a quelques 1012 n/cm2 et une résistance aux rayonnements ionisants jusqu'à quelques centaines kRad. Des idées futures telles que l'amplification du signal sur le pixel, le double échantillonnage ainsi que la conception d'un pixel en mode courrant ont été également présentées.