La pression pour la qualité et la mise sur le marché de systèmes embarqués monopuces fait que la validation de tels systèmes devient le point clé du processus de conception. La validation répond pour plus de la moitié du temps de conception. Mais à chaque jour la validation devient plus difficile car les systèmes sont de plus en plus hétérogènes. Cette hétérogénéité touche plusieurs aspects du système, comme les niveaux d'abstraction, les APIs et protocoles de communication, les langages de spécification, entre autres. Les points clés pour réduire le temps de validation sont : (1) maîtriser l'intégration des composants hétérogènes à travers de l'adaptation de la communication, (2) et générer automatiquement le modèle de simulation du système.<br />Ainsi, les contributions apportées par ce travail pour accélérer le temps de validation sont: (1) la proposition d'un modèle d'adaptateur de communication basé sur les services pour la cosimulation des systèmes hétérogènes embarqués ; (2) la proposition et l'implémentation d'un flot de génération automatique de modèles de simulation pour les systèmes hétérogènes embarqués. <br />Les approches proposées ont été validées sur deux systèmes hétérogènes embarqués : un modem VDSL et un encodeur MPEG-4.

Java est une technologie attractive pour les équipements embarqués et contraints, de par ses propriétés de sûreté, de portabilité et de faible empreinte mémoire du code. Cependant, la taille imposante d'un environnement Java complet a obligé les producteurs d'équipements embarqués à utiliser des spécifications dégradées de Java aux fonctionnalités limitées, telles que J2ME ou Java Card. Ces spécialisations précoces de Java perdent la compatibilité au niveau applicatif avec l'édition standard, et ne peuvent ainsi s'adresser qu'à des cas d'utilisation particuliers.Notre travail consiste à permettre l'utilisation de l'édition standard de Java sur les systèmes contraints, au travers d'une spécialisation tardive et agressive du système qui intervient après déploiement de ses applications. L'occurrence tardive de la spécialisation permet de mieux déterminer les conditions d'utilisation du système, et donc de le spécialiser « sur mesure » par rapport aux applications qu'il exécute.Nos contributions sont les suivantes : dans un premier temps, nous définissons la notion de « romization », consistant à déployer un système hors-ligne avant de capturer et de transférer son image mémoire vers l'équipement sur lequel il doit s'exécuter. De cette définition, nous proposons une architecture de romization capable de capturer une image mémoire du système à n'importe quel moment de son exécution. Dans un second temps, nous traitons des moyens d'analyse et de spécialisation permettant de rendre cette image mémoire embarquable. L'évaluation effectuée montre que cette spécialisation tardive, appliquée à un environnement Java standard déployé, permet effectivement d'en obtenir une version minimaliste et embarquable sur un équipement contraint.

Les architectures des systèmes embarqués des nouvelles générations d'avions civils et militaires tendent à s'organiser autour d'une plateforme avionique constituée de calculateurs interconnectés par un réseau central. Ce type d'architecture a fait apparaitre le besoin de développer de nouvelles méthodes de conception afin d'assister le dialogue entre les concepteurs des fonctions à embarquer (commandes de vol, gestion de l'énergie, ...) et les architectes de la plateforme avionique. Il est, en particulier, primordial de s'assurer que l'allocation des ressources de la plateforme aux fonctions embarquées respecte les exigences de sûreté de fonctionnement propres aux systèmes avioniques. Dans un premier temps, un cadre général a été proposé pour modéliser et vérifier l'effet de l'allocation des ressources d'une plateforme avionique du point de la sûreté de fonctionnement. Ce cadre est fondé sur l'utilisation du langage AltaRica pour décrire formellement la propagation des défaillances au sein de systèmes embarqués et des outils associés à ce langage (model-checking, génération de séquences et d'arbres de défaillances) pour vérifier la tenue des exigences de sûreté de fonctionnement. Ce cadre a été utilisé pour étudier, d'une part, l'allocation d'équipements informatiques aux fonctions de systèmes embarqués, et d'autre part, les placements des équipements au sein de l'avion en tenant compte de risques tels que l'éclatement d'un pneu ou l'explosion d'un moteur. Dans un second temps, la génération d'allocations respectant les exigences de sûreté de fonctionnement a été étudiée. L'approche retenue est fondée sur l'expression de contraintes d'allocation sous forme d'inégalités linéaires entières et sur l'utilisation de techniques de résolution de ces contraintes. Plusieurs types de contraintes (ségrégation, co-location, exclusion, ...) sont pris en compte. De plus, des critères d'optimisation permettent de guider la résolution des contraintes de façon à proposer des allocations les plus pertinentes du point de vue des besoins des systèmes aéronautiques. Finalement, une approche intégrant les techniques de vérification et de génération a été proposée. La première étape consiste à vérifier un modèle des fonctions embarquées qui est indépendant de la plateforme avionique. Il est possible d'extraire automatiquement des contraintes d'allocation à partir des résultats de cette vérification. L'étape de résolution de contraintes génère alors une allocation sûre. Les travaux sont illustrés par deux études de cas industrielles : une fonction de suivi de terrain d'un avion de chasse et un système de génération et de distribution hydraulique d'un avion de type A320. / Abstract

Les travaux de recherche présentés dans cette thèse portent sur le problème de la perception de l’environnement en milieu urbain, complexe et dynamique et ce en présence de mesures extéroceptives bruitées et incomplètes obtenues à partir decapteurs embarqués. Le problème est formalisé sous l’angle de la fusion de données capteurs à l’aide d’une représentation spatiale de l’environnement. Ces travaux ont été réalisés pour la navigation autonome de véhicules intelligents dans le cadre du projet national ANR CityVIP. Après avoir considéré les principaux formalismes de modélisation de l’incertitude, un système de fusion de grilles spatio-référencées gérant l’incertitude avec des fonctions de croyances est étudié. Ce système est notamment capable de fusionner les mesures d’un lidar multi-nappes et multi-échos, obtenues à différents instants pour construire une carte locale dynamique sous la forme discrète d’une grille d’occupation évidentielle.Le principal avantage des fonctions de croyance est de représenter de manière explicite l’ignorance et ne nécessite donc pas d’introduire d’information à priori non fondée. De plus, ce formalisme permet d’utiliser facilement l’information conflictuelle pour déterminer la dynamique de la scène comme par exemple les cellules en mouvement. Le formalisme de grilles d’occupation évidentielles est présenté en détails et un modèle de capteur lidar multi-nappes et multi-echos est ensuite proposé. Deux approches de fusion séquentielle multi-grilles sont étudiées selon les paradigmes halocentréet égo-centré. Enfin, l’implémentation et les tests expérimentaux des approches sont décrits et l’injection d’informations géographiques connues a priori est étudiée. La plupart des travaux présentés ont été implémentés en temps réel sur un véhicule du laboratoire et de nombreux tests en conditions réelles ont été réalisés avec une interface d’analyse de résultat utilisant une rétro-projection dans une image grand angle. Les résultats ont été présentés dans 5 conférences internationales [Moras et al., 2010, Moras et al., 2011a, Moras et al., 2011b, Moras et al., 2012, Kurdej et al., 2012] etle système expérimental a servi à la réalisation de démonstrations officielles dans le cadre du projet CityVIP à Paris et lors de la conférence IEEE Intelligent Vehicles Symposium 2011 en Allemagne. / The research presented in this thesis focuses on the problem of the perception of the urban environment which is complex and dynamic in the presence of noisy and incomplete exteroceptive measurements obtained from on-board sensors. The problem is formalized in terms of sensor data fusion with a spatial representation of the environment. This work has been carried out for the autonomous navigation of intelligent vehicles within the national project ANR CityVIP. After having considered various formalisms to represent uncertainty, a fusion of spatio-referenced grids managing uncertainty with belief functions is studied. This system is capable of merging multi-layers and multi-echoes lidar measurements, obtainedat different time indexes to build a dynamic local map as a discrete evidential occupancy grid. The main advantages of belief functions are, firstly, to represent explicitly ignorance, which reduces the assumptions and therefore avoid introducing wrong a priori information and, secondly, to easily use conflicting information to determine the dynamics of the scene such as movements of the cells. The formalism of evidential occupancy grids is then presented in details and two multi-layers and multi-echos lidar sensor models are proposed. The propagation of the information through geometrical transformations is formalized in a similar way of image transformation framework. Then, the implementation of the approach is described and the injection of prior geographic information is finally investigated. Most of the works presented have been implemented in real time on a vehicle and many tests in real conditions have been realized. The results of these researches were presented through five international conferences [Moras et al., 2010, Moras et al., 2011a, Moras et al., 2011b, Moras et al., 2012], [Kurdej et al., 2012] and the experimental vehicle was presented at the official demonstration project CityVIP in Paris and at the IEEE Intelligent Vehicles Symposium 2011, in Germany.

La consommation énergétique est devenue un problème majeur dans la conception des systèmes aussi bien d'un point de vue de la fiabilité des circuits que de l'autonomie d'un équipement embarqué. Cette thèse vise à caractériser et modéliser le coût énergétique du système d'exploitation (OS) embarqué en vue d'explorer des solutions faibles consommation. La première contribution consiste à définir une approche globale de modélisation de la consommation des services de base de l'OS: la stimulation de l'exécution de ces services, tels que le changement de contexte, l'ordonnancement et la communication interprocessus, est effectuée à travers des programmes de test adéquats. Sur la base de mesures de la consommation d'énergie sur la carte OMAP35x EVM, des paramètres pertinents soit matériels soit logiciels ont été identifiés pour en déduire des modèles de consommation. Dans une seconde étape, la prise en compte de ces paramètres doit intervenir au plus haut niveau de la conception. L'objectif sera d'exploiter les fonctionnalités offertes par un langage de modélisation et d'analyse architecturale AADL tout en modélisant les aspects logiciel et matériel en vue d'estimer la consommation d'énergie. Ensuite, les modèles énergétiques de l'OS ont été intégrés dans un simulateur multiprocesseur de politique d'ordonnancement STORM afin d'identifier la consommation de l'OS et ceci pour des politiques d'ordonnancement mettant en œuvre des techniques de réduction de la consommation tel que le DVFS et le DPM. Enfin, la définition et vérification de certaines contraintes temps-réel et énergétiques ont été effectuées avec des langages de spécification de contraintes (QAML, RDAL).

Ces dernières années, la sécurité des systèmes embarqués a fait l'objet de recherches intensives. Comme l'énergie, le coût et la performance; la sécurité est un aspect important qui doit être considérée tout au long du processus de conception d'un système embarqué. Des menaces récentes appelées "attaques par canaux cachés'' (Side-Channel Analysis (SCA)) ont attiré beaucoup d'attention dans le milieu de la sécurité embarquée. Ces attaques exploitent des propriétés physiques, telles que la consommation d'énergie ou le champ magnétique rayonné, afin de retrouver le secret. De plus, elles sont passives dans le sens où l'analyse se contente d'une observation extérieure du système sans l'endommager. Dans ce contexte, il est évident que la sécurisation des systèmes embarqués contre les attaques SCA constitue un aspect vital dans le flot de conception. Par conséquent, la nécessité d'assurer et d'évaluer la robustesse des systèmes embarqués contre ces attaques devient clair. Cette thèse propose principalement des techniques et méthodes génériques dans l'analyse par canaux cachés. Ces techniques qui touchent à différents aspects de l'analyse SCA (acquisition, pré-traitement, attaque et évaluation) peuvent être utilisées dans un cadre d'évaluation plus officiel tel que les Critères Communs (CC) ou le FIPS-140 afin d'améliorer la visibilité de l'évaluateur. Par ailleurs, le propriétaire d'un produit pourrait aussi se baser sur ces techniques dans le but d'évaluer la sécurité de son produit face aux attaques par canaux cachés avant de solliciter un certificat.

Les systèmes embarqués sont présents dans de nombreux domaines et font même partie de notre quotidien à travers les smartphones ou l'électronique embarquée dans les voitures par exemple. Ces systèmes manipulent des données sensibles (codes de carte bleue, informations techniques sur le système hôte. . . ) qui doivent être protégées contre les attaques extérieures d'autant plus que ces données sont transmises sur un canal de communication sur lequel l'attaquant peut se greffer pour extraire des données ou injecter du code malveillant. Le fait que ces systèmes contiennent de plus en plus de composants dans une seule et même puce augmente le nombre de failles qui peuvent être exploitées pour provoquer des attaques. Les travaux menés dans cemanuscrit s'attachent à proposer une méthode de sécurisation des communications et des mémoires dans une architecture multiprocesseur embarquée dans un composant reconfigurable FPGA par l'implantation de mécanismes matériels qui proposent des fonctions de surveillance et de cryptographie afin de protéger le système contre un modèle de menaces prédéfini tout en minimisant l'impact en latence pour éviter de perturber le trafic des données dans le système. Afin de répondre au mieux aux tentatives d'attaques, le protocole demise à jour est également défini. Après une analyse des résultats obtenus par différentes implémentations, deux extensions sont proposées : un flot de sécurité complet dédié à la mise en route et la maintenance d'un système multiprocesseur sur FPGA ainsi qu'une amélioration des techniques de détection afin de prendre en compte des paramètres logiciels dans les applications multi-tâches.

L’objectif de ce projet de recherche est de développer une technologie d’agents mobiles pour systèmes embarqués. Dans un premier temps, une plateforme d’agents mobiles pour systèmes embarqués homogènes est réalisée et, ensuite dans un deuxième temps, une application d’informatique diffuse qui exploite la mobilité du contexte d’exécution est mise en œuvre pour valider cette plateforme. La mobilité d’un agent est définie comme suit: son exécution est interrompue sur le nœud courant, appelé nœud source, ensuite les données représentant l’état de l’agent sont transférées du nœud source vers un nœud destination et enfin, arrivé au nœud destination, son exécution se poursuit là où elle avait été interrompue sur le nœud de départ. Cette opération, appelée migration du contexte d’exécution, est intégrée aux fonctionnalités d’un noyau temps réel, permettant ainsi la mobilité d’agents logiciels au sein d’une grappe de systèmes embarqués homogènes. Les applications visées par le projet relèvent du domaine de l’informatique diffuse et plus particulièrement de son application à l’espace intelligent.

Les progrès des technologies de la micro-électronique ont permis d'embarquer des circuits numériques dans des objets multiples et divers (téléphones, GPS, automobiles, etc.) dont ils ont enrichi les fonctionnalités et amélioré les performances à moindre coût. Conjointement, l'essor rapide et constant de ces applications a amené des contraintes de conception sans précédent (contraintes de coût, de performance, de consommation, etc.). Dans ce contexte, l'émergence des architectures reconfigurables à grain épais a ouvert la voie à de nouveaux compromis entre performances et flexibilité. À ce jour, la mise en oeuvre des mécanismes de reconfiguration matérielle a principalement concerné les aspects calculatoires de ces architectures. Or, les applications embarquées (multimédia) manipulent des volumes de données croissants, engendrant une sollicitation intensive des ressources de mémorisation. En outre, l'hétérogénéité et l'évolutivité des traitements induits ne permet plus d'envisager l'élaboration de solutions de stockage dédiées dans un objectif de performance et de maîtrise de la consommation. Aussi, dans le cadre de cette thèse, nous avons développé le modèle RTL, valide et fonctionnel, d'une architecture reconfigurable que nous avons nommé MOREA (acronyme de Memory-Oriented Reconfigurable Embedded Architecture) et dont la structure mémoire est flexible. Celle-ci est organisée en un pavage de tuiles de traitement et de stockage qui supportent les processus d'une application. Au sein d'une tuile, les tâches du processus sont exécutées par quatre clusters qui intègrent des ressources mémoire et de calcul. Ces clusters communiquent entre eux et avec une mémoire de tuile, contenant les données partagées par les tâches du processus, grâce à une interconnexion flexible de type crossbar. Dès lors, cette structure permet de minimiser les mouvements de données au sein de MOREA et notamment le nombre d'accès mémoire et donc d'en atténuer l'impact sur la puissance de calcul et la dissipation énergétique du système. De plus, les gains obtenus sont maximisés grâce à une unité de génération d'adresses programmable dont l'architecture a été définie en fonction des caractéristiques des applications de traitement du signal et de l'image. Celle-ci intègre notamment un accélérateur matériel pour la génération de séquences d'adresses régulières. Cette architecture permet dès lors, comparativement à une solution programmable classique, d'améliorer significativement les performances de l'unité de génération d'adresses, d'un facteur 6 en terme de Millions d'Adresses générées Par Seconde (MAPS), tout en réduisant drastiquement sa consommation d'énergie de 96%.

Avec l'essor des nouvelles technologies d'intégration sur silicium submicroniques, la consommation de puissance dans les systèmes sur puce multiprocesseur (MPSoC) est devenue un facteur primordial au niveau du flot de conception. La prise en considération de ce facteur clé dés les premières phases de conception, joue un rôle primordial puisqu'elle permet d'augmenter la fiabilité des composants et de réduire le temps d'arrivée sur le marché du produit final. Dans cette thèse, nous proposons une méthodologie efficace pour l'estimation de la consommation de puissance des plateformes MPSoC. Cette méthodologie repose sur une combinaison d'une analyse fonctionnelle de la puissance (FLPA) pour l'obtention des modèles de consommation et d'une technique de simulation au niveau transactionnel (TLM) pour calculer la puissance de l'ensemble du système. Fondamentalement, FLPA est proposée pour modéliser le comportement des processeurs en terme de consommation afin d'obtenir des modèles paramétrés de haut niveau. Dans ce travail, FLPA est étendue pour mettre en place des modèles de puissance génériques pour les différentes parties du système (mémoire, logique reconfigurable, etc.). En outre, un environnement de simulation a été développé au niveau transactionnel afin d'évaluer avec précision les activités utilisées dans les modèles de consommation. La combinaison de ces deux parties conduit à une estimation de la puissance hybride qui donne un meilleur compromis entre la précision et la vitesse. La méthodologie proposée a plusieurs avantages: elle estime la consommation du système embarqué dans tous ses éléments et conduit à des estimations précises sans matériel coûteux et complexe. La méthodologie proposée est évolutive pour explorer des architectures complexes embarquées. Notre outil d'estimation de puissance au niveau du système PETS (Power Estimation Tool at System-level) est développé sur la base de la méthodologie proposée. L'efficacité de notre outil PETS en termes de précision et rapidité est validée par des architectures embarquées monoprocesseur et multiprocesseur conçues autour des plateformes OMAP (3530 et 5912) et FPGA Pro Xilinx Virtex II.