Les impressionnantes avancées techniques et technologiques dans les deux domaines des semiconducteurs et de l'ingénieurie logicielle ont permis aux Système sur puces (System-on-Chip "SoC") d'intégrer des applications complexes et interdépendantes. Ces progrès vont de pair avec la complexité accrue des systèmes et de leur hétérogénéité. Ainsi, les concepteurs ont été forcé à réévaluer leurs méthodes de conception et d'élever le niveau d'abstraction au niveau système en ciblant la conception de l'ensemble du SoC plutôt que des composants individuels. L'objectif de ce travail de thèse est de fournir aux concepteurs systèmes les moyens nécessaires (au niveau méthodologique et au niveau outils) pour estimer les performances du système et évaluer rapidement les décisions de conception, idéalement trés tôt dans le flot de conception. Notre contribution portera sur deux aspects principaux: (1) L'aspect conceptuel: où nous avons défini (en utilisant les concepts de métamodélisation UML) des concepts de modélisation permettant d'étudier l'effet de la gestion et du partage des ressources sur les performances globales du système (les "noeuds virtuels") . En outre, nous avons introduit le concept de "Patron de communication" pour la modélisation de l'interaction entre les éléments d'architecture afin d'assurer l'orthogonalisation des concepts de l'exécution et de la communication. (2)L'aspect simulation: Un simulateur en SystemC a été développé pour simuler les modèles UML proposés. La simulation est faite à haut niveau d'abstraction et elle est plus rapide que l'exécution en temps réel. L'approche proposée a été appliquée pour la modélisation de la couche physique du protocole de télécommunications mobile de 4ème génération (LTE, Long Term Evolution) sur un DSP muli-core produit par Freescale. Les résultats ont été validés en les comparant avec l'implémentation réelle. Thèmes clés: Modélisation et conception au niveau système, UML pour les systèmes embarqués, la gestion et le partage des ressources, la modélisation de la communication, l'estimation des performances, les systèmes de télécommunication

Les applications de gestion de flux sont responsables de la majorité des calculs des systèmes embarqués (vidéo conférence, vision par ordinateur). Leurs exigences de haute performance rendent leur mise en œuvre parallèle nécessaire. Par conséquent, il est de plus en plus courant que les systèmes embarqués modernes incluent des processeurs multi-cœurs qui permettent un parallélisme massif. La mise en œuvre des applications de gestion de flux sur des multi-cœurs est difficile à cause de leur complexité, qui tend à augmenter, et de leurs exigences strictes à la fois qualitatives (robustesse, fiabilité) et quantitatives (débit, consommation d'énergie). Ceci est observé dans l'évolution de codecs vidéo qui ne cessent d'augmenter en complexité, tandis que leurs exigences de performance demeurent les mêmes. Les modèles de calcul (MdC) flot de données ont été développés pour faciliter la conception de ces applications qui sont typiquement composées de filtres qui échangent des flux de données via des liens de communication. Ces modèles fournissent une représentation intuitive des applications de gestion de flux, tout en exposant le parallélisme de tâches de l'application. En outre, ils fournissent des analyses statiques pour la vivacité et l'exécution en mémoire bornée. Cependant, les applications de gestion de flux modernes comportent des filtres qui échangent des quantités de données variables, et des liens de communication qui peuvent être activés / désactivés. Dans cette thèse, nous présentons un nouveau MdC flot de données, le Boolean Parametric Data Flow (BPDF), qui permet le paramétrage de la quantité de données échangées entre les filtres en utilisant des paramètres entiers et l'activation et la désactivation de liens de communication en utilisant des paramètres booléens. De cette manière, BPDF est capable de exprimer des applications plus complexes, comme les décodeurs vidéo modernes. Malgré l'augmentation de l'expressivité, les applications BPDF restent statiquement analysables pour la vivacité et l'exécution en mémoire bornée. Cependant, l'expressivité accrue complique grandement la mise en œuvre. Les paramètres entiers entraînent des dépendances de données de type paramétrique et les paramètres booléens peuvent désactiver des liens de communication et ainsi éliminer des dépendances de données. Pour cette raison, nous proposons un cadre d'ordonnancement qui produit des ordonnancements de type ``aussi tôt que possible'' (ASAP) pour un placement statique donné. Il utilise des contraintes d'ordonnancement, soit issues de l'application (dépendance de données) ou de l'utilisateur (optimisations d'ordonnancement). Les contraintes sont analysées pour la vivacité et, si possible, simplifiées. De cette façon, notre cadre permet une grande variété de politiques d'ordonnancement, tout en garantissant la vivacité de l'application. Enfin, le calcul du débit d'une application est important tant avant que pendant l'exécution. Il permet de vérifier que l'application satisfait ses exigences de performance et il permet de prendre des décisions d'ordonnancement à l'exécution qui peuvent améliorer la performance ou la consommation d'énergie. Nous traitons ce problème en trouvant des expressions paramétriques pour le débit maximum d'un sous-ensemble de BPDF. Enfin, nous proposons un algorithme qui calcule une taille des buffers suffisante pour que l'application BPDF ait un débit maximum. / Streaming applications are responsible for the majority of the computation load in many embedded systems (video conferencing, computer vision etc). Their high performance requirements make parallel implementations a necessity. Hence, more and more modern embedded systems include many-core processors that allow massive parallelism. Parallel implementation of streaming applications on many-core platforms is challenging because of their complexity, which tends to increase, and their strict requirements both qualitative (e.g., robustness, reliability) and quantitative (e.g., throughput, power consumption). This is observed in the evolution of video codecs that keep increasing in complexity, while their performance requirements remain the same or even increase. Data flow models of computation (MoCs) have been developed to facilitate the design process of such applications, which are typically composed of filters exchanging streams of data via communication links. Data flow MoCs provide an intuitive representation of streaming applications, while exposing the available parallelism of the application. Moreover, they provide static analyses for liveness and boundedness. However, modern streaming applications feature filters that exchange variable amounts of data, and communication links that are not always active. In this thesis, we present a new data flow MoC, the Boolean Parametric Data Flow (BPDF), that allows parametrization of the amount of data exchanged between the filters using integer parameters and the enabling and disabling of communication links using boolean parameters. In this way, BPDF is able to capture more complex streaming applications, like video decoders. Despite the increase in expressiveness, BPDF applications remain statically analyzable for liveness and boundedness. However, increased expressiveness greatly complicates implementation. Integer parameters result in parametric data dependencies and the boolean parameters disable communication links, effectively removing data dependencies. We propose a scheduling framework that facilitates the scheduling of BPDF applications. Our scheduling framework produces as soon as possible schedules for a given static mapping. It takes us input scheduling constraints that derive either from the application (data dependencies) or from the user (schedule optimizations). The constraints are analyzed for liveness and, if possible, simplified. In this way, our framework provides flexibility, while guaranteeing the liveness of the application. Finally, calculation of the throughput of an application is important both at compile-time and at run-time. It allows to verify at compile-time that the application meets its performance requirements and it allows to take scheduling decisions at run-time that can improve performance or power consumption. We approach this problem by finding parametric throughput expressions for the maximum throughput of a subset of BPDF graphs. Finally, we provide an algorithm that calculates sufficient buffer sizes for the BPDF graph to operate at maximum throughput.

Les systèmes embarqués ont évolué d'une manière spectaculaire et sont devenus partie intégrante de notre quotidien. En réponse aux exigences grandissantes en termes de nombre de fonctionnalités et donc de flexibilité, les parties logicielles de ces systèmes se sont vues attribuer une place importante malgré leur manque d'efficacité, en comparaison aux solutions matérielles. Par ailleurs, vu la prolifération des systèmes nomades et à ressources limités, tenir compte de la performance est devenu indispensable pour bien les concevoir. Dans cette thèse, nous proposons une démarche rigoureuse et intégrée pour la modélisation et l'évaluation de performance tôt dans le processus de conception. Cette méthode permet de construire des modèles, au niveau système, conformes aux spécifications fonctionnelles, et intégrant les contraintes non-fonctionnelles de l'environnement d'exécution. D'autre part, elle permet d'analyser quantitativement la performance de façon rapide et précise. Cette méthode est guidée par les modèles et se base sur le formalisme $mathcal{S}$BIP que nous proposons pour la modélisation stochastique selon une approche formelle et par composants. Pour construire des modèles conformes au niveau système, nous partons de modèles purement fonctionnels utilisés pour générer automatiquement une implémentation distribuée, étant donnée une architecture matérielle cible et un schéma de répartition. Dans le but d'obtenir une description fidèle de la performance, nous avons conçu une technique d'inférence statistique qui produit une caractérisation probabiliste. Cette dernière est utilisée pour calibrer le modèle fonctionnel de départ. Afin d'évaluer la performance de ce modèle, nous nous basons sur du model checking statistique que nous améliorons à l'aide d'une technique d'abstraction. Nous avons développé un flot de conception qui automatise la majorité des phases décrites ci-dessus. Ce flot a été appliqué à différentes études de cas, notamment à une application de reconnaissance d'image déployée sur la plateforme multi-cœurs STHORM. / In the present work, we tackle the problem of modeling and evaluating performance in the context of embedded systems design. These have become essential for modern societies and experienced important evolution. Due to the growing demand on functionality and programmability, software solutions have gained in importance, although known to be less efficient than dedicated hardware. Consequently, considering performance has become a must, especially with the generalization of resource-constrained devices. We present a rigorous and integrated approach for system-level performance modeling and analysis. The proposed method enables faithful high-level modeling, encompassing both functional and performance aspects, and allows for rapid and accurate quantitative performance evaluation. The approach is model-based and relies on the $mathcal{S}$BIP formalism for stochastic component-based modeling and formal verification. We use statistical model checking for analyzing performance requirements and introduce a stochastic abstraction technique to enhance its scalability. Faithful high-level models are built by calibrating functional models with low-level performance information using automatic code generation and statistical inference. We provide a tool-flow that automates most of the steps of the proposed approach and illustrate its use on a real-life case study for image processing. We consider the design and mapping of a parallel version of the HMAX models algorithm for object recognition on the STHORM many-cores platform. We explored timing aspects and the obtained results show not only the usability of the approach but also its pertinence for taking well-founded decisions in the context of system-level design.

Au niveau système, un ensemble d'experts spécifient des propriétés fonctionnelles et non fonctionnelles en utilisant chacun leurs propres modèles théoriques, outils et environnements. Chacun essaye d'utiliser les formalismes les plus adéquats en fonction des propriétés à vérifier. Cependant, chacune des vues d'expertise pour un domaine s'appuie sur un socle commun et impacte direct ou indirectement les modèles décrits par les autres experts. Il est donc indispensable de maintenir une cohérence sémantique entre les différents points de vue, et de pouvoir réconcilier et agréger chacun des points de vue avant de poursuivre les différentes phases d'analyse. Cette thèse propose un modèle, dénommé PRISMSYS, qui s'appuie sur une approche multi-vue dirigée par les modèles et dans laquelle pour chacun des domaines, chaque expert décrit les concepts de son domaine et la relation que ces concepts entretiennent avec le modèle socle. L'approche permet de maintenir la cohérence sémantique entre les différentes vues à travers la manipulation d'événements et d'horloges logiques. PRISMSYS est basé sur un profil UML qui s'appuie autant que possible sur les profils SysML et MARTE. Le modèle sémantique qui maintien la cohérence est spécifié avec le langage CCSL qui est un langage formel déclaratif pour la spécification de relations causales et temporelles entre les événements de différentes vues. L'environnement proposé par PRISMSYS permet la co-simulation du modèle et l'analyse. L'approche est illustrée en s'appuyant sur une architecture matérielle dans laquelle le domaine d'analyse privilégié est un domaine de consommation de puissance.

Les systèmes embarqués temps réel critiques intègrent des architectures complexes qui évoluent constamment a n d'intégrer des nouvelles fonctionnalités requises par les utilisateurs naux des systèmes (automobile, avionique, ferroviaire, etc.). Ces nouvelles architectures ont un impact direct sur la variabilité du comportement temporel des systèmes temps réel. Cette variabilité entraîne un sur-approvisionnement important si la conception du système est uniquement basée sur le raisonnement pire cas. Approches probabilistes proposent des solutions basées sur la probabilité d'occurrence des valeurs les plus défavorables a n d'éviter le sur-approvisionnement, tout en satisfaisant les contraintes temps réel. Les principaux objectifs de ce travail sont de proposer des nouvelles techniques d'analyse des systèmes temps réel probabilistes et des moyens de diminuer la complexité de ces analyses, ainsi que de proposer des algorithmes optimaux d'ordonnancement á priorité xe pour les systèmes avec des temps d'exécution décrits par des variables aléatoires. Les résultats que nous présentons dans ce travail ont été prouvés surs et á utiliser pour les systèmes temps réel durs, qui sont l'objet principal de notre travail. Notre analyse des systèmes avec plusieurs paramètres probabilistes a été démontrée considérablement moins pessimiste que d'autres types d'analyses. Cette analyse combinée avec des algorithmes d'ordonnancement optimaux appropriées pour les systèmes temps réel probabilistes peut aider les concepteurs de systèmes á mieux apprécier la faisabilité d'un systéme, en particulier de ceux qui sont jugé irréalisable par des analyses/algorithmes d'ordonnancement déterministes.

Le réseau local domestique est un environnement ouvert, hétérogène et distribué pour lequel il est primordial de garantir la qualité de service des applications multimédia. Des mécanismes de réservation de ressources (CPU, mémoire, réseau) et des architectures utilisant ces mécanismes existent. Les architectures et les mécanismes existants nécessitent de modifier les équipements ou les applications et ne prennent pas en compte l'hétérogénéité inhérente au domaine d'étude. Ces solutions ne sont pas adaptées au contexte du réseau local domestique. Pour répondre au problème de l'hétérogénéité, ce travail propose de limiter le nombre de mesures à réaliser et à stocker en agrégeant les quantités de ressources. Cette agrégation est automatisée à l'aide d'algorithmes basés sur du clustering ou du bin-packing. Cette thèse propose ensuite un framework de gestion des ressources peu intrusif, reposant sur une architecture configurable en fonction des équipements présents. Cette architecture utilise des composants globaux qui délèguent, aux composants locaux, la gestion des ressources locales. Les composants locaux utilisent les mécanismes de réservation du système d'exploitation Linux pour garantir les quantités de ressources aux applications. L'agrégation évaluée par simulation, réduit efficacement le nombre de mesures à réaliser et à stocker. De son côté, le framework de gestion des ressources est mis œuvre sur des équipements réels (des PCs, des ordinateurs portables et des équipements embarqués dédiés au multimédia), communiquant via des réseaux Wifi et Ethernet. Les évaluations du framework montrent que les réservations sont garanties même quand du bruit est généré sur les ressources utilisées, ce qui garantit aussi la qualité de service attendue.

Actuellement, il y a une demande croissante pour le déploiement de robots mobile dans des lieux publics. Pour alimenter cette demande, plusieurs chercheurs ont déployé des systèmes robotiques de prototypes dans des lieux publics comme les hôpitaux, les supermarchés, les musées, et les environnements de bureau. Une principale préoccupation qui ne doit pas être négligé, comme des robots sortent de leur milieu industriel isolé et commencent à interagir avec les humains dans un espace de travail partagé, est une interaction sécuritaire. Pour un robot mobile à avoir un comportement interactif sécuritaire et acceptable - il a besoin de connaître la présence, la localisation et les mouvements de population à mieux comprendre et anticiper leurs intentions et leurs actions. Cette thèse vise à apporter une contribution dans ce sens en mettant l'accent sur les modalités de perception pour détecter et suivre les personnes à proximité d'un robot mobile. Comme une première contribution, cette thèse présente un système automatisé de détection des personnes visuel optimisé qui prend explicitement la demande de calcul prévue sur le robot en considération. Différentes expériences comparatives sont menées pour mettre clairement en évidence les améliorations de ce détecteur apporte à la table, y compris ses effets sur la réactivité du robot lors de missions en ligne. Dans un deuxiè contribution, la thèse propose et valide un cadre de coopération pour fusionner des informations depuis des caméras ambiant affixé au mur et de capteurs montés sur le robot mobile afin de mieux suivre les personnes dans le voisinage. La même structure est également validée par des données de fusion à partir des différents capteurs sur le robot mobile au cours de l'absence de perception externe. Enfin, nous démontrons les améliorations apportées par les modalités perceptives développés en les déployant sur notre plate-forme robotique et illustrant la capacité du robot à percevoir les gens dans les lieux publics supposés et respecter leur espace personnel pendant la navigation.

Les systemes temps reel sont des dispositifs constitues de materiels et de logiciels soumis a des contraintes a la fois fonctionnelles et temporelles pour realiser des traitements, et agir sur leur environnement. Des exemples de domaines o u on rencontre de tels systemes sont les telecommunications, le nucl eaire, l'avionique ou le medical. Ces systemes sont souvent critiques a cause d'enjeux humains et economiques importants. Leur developpement exige donc des methodes tres ables. L'approche synchrone a et e proposee dans le but de repondre a cette attente. Ses fondements mathematiques o rent un cadre formel propice a la description et la validation des systemes temps reel. Parmi les modeles de specification synchrone, le modele multi-horloge ou polychrone se distingue par le fait qu'il permet de decrire des systemes o u chaque composant peut avoir sa propre horloge d'activation. Outre la validation formelle, il favorise des approches orientees composants et le d eveloppement modulaire de systemes a grande echelle. Cette these propose une m ethodologie de conception de syst emes temps reel en utilisant comme formalisme de description le langage synchrone Signal fond e sur le mod ele polychrone. Elle utilise les outils et techniques formels bas es sur ce modele pour verifier des proprietes comportementales portant sur des aspects tant fonctionnels que non fonctionnels. Cette demarche facilite l' evaluation des choix de conception. La methodologie propos ee permet de concevoir des systemes comportant des m ecanismes asynchrones a l'aide de l'approche synchrone. Elle illustre la caracterisation de comportements temps r eel dans le modele polychrone. L'avionique est le domaine d'application privilegie par la these. Cette derniere s'inscrit dans le cadre du projet europ een IST SafeAir (Advanced Design Tools for Aircraft Systems and Airborne Software), regroupant plusieurs industriels. Nous nous sommes particulierement interesses a la conception d'applications suivant le mod ele d'architecture IMA (Integrated Modular Avionics) sur lequel repose la norme avionique ARINC. Cela a conduit a la r ealisation d'une bibliotheque Signal de composants, constituee en majeure partie de services d'un ex ecutif temps reel d e nis par ARINC.

Ce travail de thèse porte sur le comportement en vol de drones légers à voilure fixe en présence de vent. Ces dispositifs aériens offrent une transition en douceur de la théorie à la pratique dans le domaine de la commande autonome. En outre, ils fournissent une solution appropriée dans des environnements inaccessibles ou dangereux pour les êtres humains. Cependant, ne pas avoir un pilote humain à bord implique que les UAV reposent sur l'automatisation pour naviguer ou pour éviter les obstacles. De plus, leur vitesse de fonctionnement relativement faible les rend particulièrement affectés par le vent. Motivé par ces considérations, les objectifs de ce travail de recherche visent des résultats théoriques et expérimentaux dans le domaine de la conception de contrôleurs de vol pour les petits drones à voilure fixe de configuration classique permettant le vol stable dans les conditions de vent. Pour atteindre ces objectifs, plusieurs domaines de recherche sont abordés dans cette thèse comme il suit.Tout d'abord, une étude approfondie sur l'aspect aérodynamique de l'avion est menée afin d'obtenir le modèle mathématique du véhicule en présence de vent. En outre, des modèles qui reproduisent le comportement essentiel du système dans un contexte simplifié sont analysés. Par conséquent, des modèles non linéaires de complexité réduite, qui sont plus simples à analyser et simuler et plus adaptés à la conception de stratégies de contrôle, sont présentés. Deuxièmement, le problème à résoudre est formulé comme un problème de suivi de trajectoire dans lequel le dispositif de commande de vol doit être en mesure de diriger le véhicule le long d'un chemin. Des stratégies de navigation sont élaborées dans le but d'éliminer la déviation de l'avion par rapport à la trajectoire de référence. Le vent est considéré d'abord mesurable par une station au sol et, ensuite, estimé en utilisant une navigation adaptative basée sur la théorie de Lyapunov. La performance de l'algorithme d'estimation est améliorée en utilisant la stratégie de commande basée sur la méthode des fonctions de réglage. Le troisième axe de recherche est la conception et la mise en œuvre d'un dispositif expérimental qui se compose d'une station au sol utilisée pour la visualisation et la commande à distance du drone et d'un pilote automatique embarqué contenant la plate-forme de vol munie d'avionique appropriée.

Cette thèse se situe dans le domaine des Systèmes Commandés en Réseaux, systèmes pluridisciplinaires qui connaissent un grand développement dans le contexte technologique actuel et qui introduisent de nouveaux problèmes de recherche, en particulier, pour les communautés Automatique et Réseau de Communication. L'objectif est de montrer l'intérêt de considérer un lien bidirectionnel entre la Qualité de Contrôle (QdC) (stabilité et performance des applications de contrôle-commande) et la Qualité de Service (QdS) (retards dans les transmissions) en se focalisant sur les réseaux locaux et plus particulièrement sur l'ordonnancement des trames dans la sous couche MAC où on considère des protocoles MAC de type CSMA. Notre travail se situe tout d'abord dans le cadre du réseau CAN où nous faisons trois propositions. La première proposition consiste en des solutions de QdS pour des applications de contrôle-commande sur la base du concept de priorité hybride, pour l'ordonnancement de trames, dans laquelle nous définissons une partie priorité dynamique qui dépend d'un paramètre de QdC. Ceci permet de réaliser une relation QdC->QdS. La deuxième proposition consiste en des solutions de QdC par une méthode de compensation de retard (maintenance des pôles dominants) ce qui permet de réaliser une relation QdS->QdC. La troisième proposition consiste à réaliser une relation QdC<=>QdS qui assure lors de l'implantation de plusieurs applications, une propriété d'équité comportementale. Nous abordons ensuite le cadre particulier des réseaux locaux sans fil où, d'une part, nous définissons des protocoles MAC de type CSMA sans collision sur la base de priorités et, d'autre part, nous montrons la faisabilité des idées développées dans le cadre du réseau CAN.