Les applications logicielles sont de plus en plus diversifié et complexe. Avec le développement orageux du Cloud Computing et de ses applications, les applications logicielles deviennent encore plus complexes que jamais. Les applications de cloud computing complexes peuvent contenir un grand nombre de composants logiciels qui nécessitent et consomment une grande quantité de ressources (matériel ou d'autres composants logiciels) répartis en plusieurs niveaux en fonction de la granularité de ces ressources. En outre, ces composants logiciels peuvent être situés sur différents nuages. Les composants logiciels et de leurs ressources requises d'une application Nuage ont des relations complexes dont certains pourraient être résolus au moment de la conception, mais certains sont nécessaires pour faire face au moment de l'exécution. La complexité des logiciels et de l'hétérogénéité de l'environnement Couverture devenir défis que les solutions d'élasticité actuelles ont besoin de trouver des réponses appropriées à résoudre. L'élasticité est l'un des avantages du cloud computing, qui est la capacité d'un système Cloud pour adapter à la charge de travail des changements par des ressources d'approvisionnement et deprovisioning d'une manière autonome. Par conséquent, les ressources disponibles correspondent à la demande actuelle d'aussi près que possible à chaque moment. Pour avoir une solution d'élasticité efficace, qui ne reflète pas seulement la complexité des applications Cloud mais également à déployer et à gérer eux d'une manière autonome, nous proposons une approche d'élasticité roman. Il est appelé à plusieurs niveaux élasticité fine qui comprend deux aspects de la complexité de l'application: plusieurs composants logiciels et la granularité des ressources. Le multi-niveau élasticité fine concerne les objets touchés par les actions d'élasticité et la granularité de ces actions. Dans cette thèse, nous introduisons plateforme Roboconf un système de cloud computing autonome (ACCS) pour installer et reconfigurer les applications complexes ainsi que soutenir le multi-niveau élasticité fine. A cet effet, Roboconf est également un gestionnaire d'élasticité autonome. Merci à cette plate-forme, nous pouvons abstraire les applications cloud complexes et automatiser leur installation et de reconfiguration qui peut être de plusieurs centaines d'heures de travail. Nous utilisons également Roboconf à mettre en œuvre les algorithmes de multi-niveau élasticité fine sur ces applications. Les expériences menées indiquent non seulement l'efficacité de l'élasticité fine multi-niveau, mais aussi de valider les caractéristiques de support de cette approche de la plateforme Roboconf. / Software applications are becoming more diverse and complex. With the stormy development of Cloud Computing and its applications, software applications become even more complex than ever. The complex Cloud applications may contain a lot of software components that require and consume a large amount of resources (hardware or other software components) distributed into multiple levels based on granularity of these resources. Moreover these software components might be located on different clouds. The software components and their required resources of a Cloud application have complex relationships which some could be resolved at design time but some are required to tackle at run time. The complexity of software and heterogeneity of Cloud environment become challenges that current elasticity solutions need to find appropriate answers to resolve. Elasticity is one of benefits of Cloud computing, which is capability of a Cloud system to adapt to workload changes by provisioning and deprovisioning resources in an autonomic manner. Hence, the available resources fit the current demand as closely as possible at each point in time. To have an efficient elasticity solution which not only reflects the complexity of Cloud applications but also deploy and manage them in an autonomic manner, we propose a novel elasticity approach. It is called multi-level fine-grained elasticity which includes two aspects of application’s complexity: multiple software components and the granularity of resources. The multi-level fine-grained elasticity concerns objects impacted by elasticity actions and granularity of these actions. In this thesis, we introduce Roboconf platform an autonomic Cloud computing system (ACCS) to install and reconfigure the complex applications as well as support the multi-level fine-grained elasticity. To this end, Roboconf is also an autonomic elasticity manager. Thanks to this platform, we can abstract the complex Cloud applications and automate their installation and reconfiguration that can be up to several hundred hours of labour. We also use Roboconf to implement the algorithms of multi-level fine-grained elasticity on these applications. The conducted experiments not only indicate efficiency of the multi-level fine-grained elasticity but also validate features supporting this approach of Roboconf platform.

Les domaines de recherche actuels, tels que l'informatique ubiquitaire et l'informatique en nuage (cloud computing), considèrent que ces environnements d’exécution sont en changement continue. Les applications dynamiques, où les composants peuvent être ajoutés et supprimés pendant l'exécution, permettent à un logiciel de s'adapter et de s'ajuster à l'évolution des environnements, et de tenir compte de l’évolution du logiciel. Malheureusement, les applications dynamiques soulèvent des questions de conception et de développement qui n'ont pas encore été pleinement explorées.Dans cette thèse, nous montrons que le dynamisme est une préoccupation transversale qui rompt avec un grand nombre d’hypothèses que les développeurs d’applications classiques sont autorisés à prendre. Le dynamisme affecte profondément la conception et développement de logiciels. S'il n'est pas manipulé correctement, le dynamisme peut « silencieusement » corrompre l'application. De plus, l'écriture d'applications dynamiques est complexe et sujette à erreur. Et compte tenu du niveau de complexité et de l’impact du dynamisme sur le processus du développement, le logiciel ne peut pas devenir dynamique sans (de large) modification et le dynamisme ne peut pas être totalement transparent (bien que beaucoup de celui-ci peut souvent être externalisées ou automatisées).Ce travail a pour but d’offrir à l’architecte logiciel le contrôle sur le niveau, la nature et la granularité du dynamisme qui est nécessaire dans les applications dynamiques. Cela permet aux architectes et aux développeurs de choisir les zones de l'application où les efforts de programmation des composants dynamiques seront investis, en évitant le coût et la complexité de rendre tous les composants dynamiques. L'idée est de permettre aux architectes de déterminer l'équilibre entre les efforts à fournir et le niveau de dynamisme requis pour les besoins de l'application. / Current areas of research, such as ubiquitous and cloud computing, consider execution environments to be in a constant state of change. Dynamic applications—where components can be added, removed and substituted during execution—allow software to adapt and adjust to changing environments, and to accommodate evolving features. Unfortunately, dynamic applications raise design and development issues that have yet to be fully addressed. In this dissertation we show that dynamism is a crosscutting concern that breaks many of the assumptions that developers are otherwise allowed to make in classic applications. Dynamism deeply impacts software design and development. If not handled correctly, dynamism can silently corrupt the application. Furthermore, writing dynamic applications is complex and error-prone, and given the level of complexity and the impact dynamism has on the development process, software cannot become dynamic without (extensive) modification and dynamism cannot be entirely transparent (although much of it may often be externalized or automated). This work focuses on giving the software architect control over the level, the nature and the granularity of dynamism that is required in dynamic applications. This allows architects and developers to choose where the efforts of programming dynamic components are best spent, avoiding the cost and complexity of making all components dynamic. The idea is to allow architects to determine the balance between the efforts spent and the level of dynamism required for the application's needs. At design-time we perform an impact analysis using the architect's requirements for dynamism. This serves to identify components that can be corrupted by dynamism and to—at the architect's disposition—render selected components resilient to dynamism. The application becomes a well-defined mix of dynamic areas, where components are expected to change at runtime, and static areas that are protected from dynamism and where programming is simpler and less restrictive. At runtime, our framework ensures the application remains consistent—even after unexpected dynamic events—by computing and removing potentially corrupt components. The framework attempts to recover quickly from dynamism and to minimize the impact of dynamism on the application. Our work builds on recent Software Engineering and Middleware technologies—namely, OSGi, iPOJO and APAM—that provide basic mechanisms to handle dynamism, such as dependency injection, late-binding, service availability notifications, deployment, lifecycle and dependency management. Our approach, implemented in the Robusta prototype, extends and complements these technologies by providing design and development-time support, and enforcing application execution consistency in the face of dynamism.

Un environnement spatial naturel hostile, les systèmes spatiaux de télédétection traditionnels,monolithiques et téléopérés depuis le sol, demeurent vulnérables face à un nombre croissant de menaces émergentes issues de l’environnement spatial artificiel (armes antisatellites,débris). Plutôt que de chercher à protéger physiquement les satellites, nous proposons d’adopter une stratégie fondée sur le concept de résilience, qui traduit la capacité d’un système à poursuivre sa mission face à des aléas imprévisibles, fût-ce en mode dégradé. En nous appuyant sur de récentes innovations dans les technologies spatiales, nous nous sommes intéressés à la conception et à l’évaluation d’architectures système fondées sur la mise en réseau de constellations de microsatellites hétérogènes, autonomes et communicants.Afin d’étudier de telles architectures, appelées réseaux de constellations autonomes (RCA),nous proposons une approche de modélisation ainsi qu’un outil de simulation à base de réseaux de Petri imbriqués. Grâce à des métriques issues des réseaux de télécommunication ainsi que des systèmes multiagents, nous avons évalué les RCA au travers de leurs performances opérationnelles et de leurs capacités de communication, nominales puis dans divers modes dégradés. Du point de vue de la résilience, les résultats présentés mettent en évidence l’intérêt de disposer de réseaux de communication denses et de modules de reconfiguration autonomes embarqués au sein même des satellites. / Although Earth observation space systems are designed with strong safety requirements due to an hostile natural space environment, they remain vulnerable to an increasing range of emerging space threats such as antisatellite weapons or orbital debris. Instead of a physical protection of these monolithic and remote-controlled assets, we propose a design strategy based on the concept of resilience which is the ability of a system to maintain an acceptable level of performance in the presence of unforeseeable disturbance.Thanks to the latest space technology innovations, we devised new system architectures composed of networked constellations of heterogeneous and autonomous interacting microsatellites. We decided to model these architectures, called autonomous networked constellations (RCA in French), thanks to Petri nets, and more specifically their nets-within-nets variant. Using telecommunication and multiagent metrics, we assessed different RCA configurations through their operational performance and communicability, for nominal as wellas degraded modes. From the resilience point of view, we present quantitative results that point out the benefits of dense space networks and embedded autonomous reconfiguration modules.

Les capacités d'auto-reconfiguration des architectures FPGA modernes ouvrent la voie à des applications dynamiques capables d'adapter leur fonctionnement pour répondre à des évènements ponctuels. Les flots de reconfiguration des architectures commerciales sont aujourd'hui aboutis mais limités par des contraintes inhérentes à la complexité de ces circuits. Dans cette thèse, plusieurs contributions sont avancées afin de proposer une architecture FPGA reconfigurable permettant le placement dynamique de tâches matérielles. Dans un premier temps, une représentation intermédiaire des données de configuration de ces tâches, indépendante de leur positionnement final, est présentée. Cette représentation permet notamment d'atteindre des taux de compression allant jusqu'à 11x par rapport à la représentation brute d'une tâche. Un flot de conception basé sur des outils de l'état de l'art accompagne cette représentation et génère des tâches relogeables à partir d'une description haut-niveau. Ensuite, le comportement en ligne de ce mécanisme est étudié. Deux algorithmes permettant le décodage de ces tâches et la génération en temps-réel des données de configuration propres à l'architectures son décrits. Par ailleurs, une amélioration du réseau d'interconnexion d'une architecture FPGA est proposée pour accroître la flexibilité du placement de tâches hétérogènes, avec une augmentation de 10% en moyenne du délai du chemin critique. Enfin, une alternative programmable aux mémoires de configuration de ces circuits est étudiée pour faciliter leur reconfiguration partielle. / The self-reconfiguration capabilities of modern FPGA architectures pave the way for dynamic applications able to adapt to transient events. The CAD flows of modern architectures are nowadays mature but limited by the constraints induced by the complexity of FPGA circuits. In this thesis, multiple contributions are developed to propose an FPGA architecture supporting the dynamic placement of hardware tasks. First, an intermediate representation of these tasks configuration data, independent from their final position, is presented. This representation allows to compress the task data up to 11x with regard to its conventional raw counterpart. An accompanying CAD flow, based on state-of-the-art tools, is proposed to generate relocatable tasks from a high-level description. Then, the online behavior of this mechanism is studied. Two algorithms allowing to decode and create in real-time the conventional bit-stream are described. In addition, an enhancement of the FPGA interconnection network is proposedto increase the placement flexibility of heterogeneous tasks, at the cost of a 10% increase in average of the critical path delay. Eventually, a configurable substitute to the configuration memory found in FPGAs is studied to ease their partial reconfiguration.

L’informatique en nuage, au travers de son modèle en couche et de l’accès à ses services à la demande, a bouleversé la façon de gérer les infrastructures (IaaS) et la manière de produire les logiciels (SaaS). Grâce à l’élasticité de l’infrastructure, la quantité de ressource peut être ajustée automatiquement en fonction de la demande afin de satisfaire un certain niveau de qualité de service (QoS) aux clients tout en minimisant les coûts d’exploitation sous-jacents. Le modèle d’élasticité actuel qui consiste à ajuster les ressources IaaS au travers de services de dimensionnement automatique basiques montre ses limites en termes de réactivité et de granularité d’adaptation. De plus, bien qu’étant une caractéristique cruciale de l’informatique en nuage, l’élasticité est à ce jour pauvrement outillée empêchant ainsi les différents acteurs du Cloud de jouir pleinement de ses bienfaits. Dans ce travail de thèse, nous proposons d’étendre leconcept d’élasticité aux couches hautes du nuage, et plus précisément au niveau du SaaS. Nous présentons ainsi le nouveau concept d’élasticité logicielle que nous définissons comme la capacité d’un logiciel à s’adapter, idéalement de manière autonome, pour répondre aux changements de la demande et/ou aux limitations de l’élasticité des ressources de l’infrastructure. Il s’agit alors d’envisager l’élasticité de manière transverse et multi-couche en considérant l’adaptation des ressources Cloud au sens large. Pour ce faire, nous présentons un modèle pour la gestion autonome de l’élasticité multi-couche et le Framework ElaStuff associé. Dans le but d’outiller et d’industrialiser le processus de gestion de l’élasticité, nous proposons l’outil de surveillance perCEPtion basé sur le traitement des événements complexes et permettant à l’administrateur de mettre en place une observation avancée du système Cloud. De plus, un langage dédié à l’élasticité multi-couche nommé ElaScript est proposé pour exprimer simplement et efficacement des plans de reconfiguration orchestrant les actions d’élasticité de différents niveaux. Enfin, notre proposition d’étendre l’élasticité aux couches hautes du Cloud, et plus particulièrement au niveau SaaS, est validée expérimentalement selon plusieurs points devue (QoS, énergie, réactivité et précision du passage à l’échelle,etc.). / Cloud computing, through its layered model and access to its on-demand services, has changed the way of managing the infrastructures (IaaS) and how to produce software (SaaS). With the advent of IaaS elasticity, the amount of resources can be automatically adjusted according to the demand to satisfy a certain level of quality of service (QoS) to customers while minimizing underlying operating costs. The current elasticity model is based on adjusting the IaaS resources through basic autoscaling services, which reaches to its limit in terms of responsiveness and adaptation granularity. Although it is an essential feature for Cloud computing, elasticity remains poorly equipped which prevents the various actors of the Cloud to really enjoy its benefits. In this thesis, we propose to extend the concept of elasticity to higher layers of the cloud, and more precisely to the SaaS level. Then, we present the new concept of software elasticity by defining the ability of the software to adapt, ideally in an autonomous way, to cope with workload changes and/or limitations of IaaS elasticity. This predicament brings the consideration of Cloud elasticity in a multi-layer way through the adaptation of all kind of Cloud resources. To this end, we present a model for the autonomic management of multi-layer elasticity and the associated framework ElaStuff. In order to equip and industrialize the elasticity management process, we propose the perCEPtion monitoring tool, based on complex event processing, which enables the administrators to set up an advanced observation of the Cloud system. In addition, we propose a domain specific language (DSL) for the multi-layer elasticity, called ElaScript, which allows to simply and effectively express reconfiguration plans orchestrating the different levels of elasticity actions. Finally, our proposal to extend the Cloud elasticity to higher layers, particularly to SaaS,is validated experimentally from several perspectives (QoS,energy, responsiveness and accuracy of the scaling, etc.).

L'industrie est aujourd'hui, comme elle a toujours été, une pierre angulaire de l'économie pour chaque pays développé. Avoir une base solide en entreprises industrielles est très important parce qu’elles poussent et stimulent tous les autres secteurs de l'économie, et offrent également une grande variété d'emplois qui apporte des bonnes conditions de vie dans de nombreux secteurs de la société. L’augmentation de la concurrence mondiale, l’évolution rapide du marché, la nécessité de créer des entreprises stables avec des usines rentables obligent la mise en oeuvre d’une démarche globale prenant en compte à la fois les aspects techniques, économiques, logistiques et sociétaux lors de la conception d’un système de production innovant. L’objectif de cette thèse est de contribuer au développement d’un concept innovant de Systèmes de Production Reconfigurables et Agiles (SPRA) permettant de s'adapter rapidement et efficacement aux exigences imposées du marché, des clients, de la technologie des procédés, de l’environnement et de la société afin que l’entreprise soit dynamique, compétitive et rentable. Dans ces travaux de thèse, la proposition d'un modèle générique et la caractérisation de ce nouveau type de système de production ont été décrits en utilisant le langage de modélisation des systèmes complexes (SysML : Systems Modeling Language). Ensuite, nous avons développé un processus de reconfiguration qui représente une démarche à suivre pour concevoir et implanter une nouvelle configuration. De plus, un pilotage opérationnel adapté au SPRA a été introduit. Enfin, quelques travaux développés au cours de cette thèse ont été partiellement déployés sur un démonstrateur industriel au sein de la plate-forme AIP-PRIMECA Auvergne. / Industry is, today as it has always been, a cornerstone of the economy for any developed country. Having a strong manufacturing base is very important because it impels and stimulates all the other sectors of the economy. It provides a wide variety of job, which bring higher standards of living to many sectors of society, and builds a strong middle class. Increasing global competition, rapid changes in the marketplace and the need to create stable companies with profitable plants require the implementation of a global approach, taking into account technical, economic, logistic and societal aspects in the design of an innovative manufacturing system. The aim of this dissertation is to contribute to the development of an innovative concept of Reconfigurable and Agile Manufacturing Systems (RAMS) to adapt quickly and effectively to the requirements imposed by markets, customers, technology processes, the environment and society, to ensure that the enterprise is dynamic, competitive and profitable. In this thesis work, the characterization and proposal of a generic model for this new type of manufacturing system have been described using the language of complex systems modeling (SysML: Systems Modeling Language). We have developed a reconfiguration process that represents the approach to follow in the design and implementation of a new configuration. In addition, the operational control of a RAMS has been introduced. Finally, some works developed in this thesis have been partially deployed on an industrial demonstrator within the AIP-PRIMECA Auvergne organisation.

Les avantages des véhicules autonomes sont formidables, mais le chemin vers une vraie autonomie sera long et semé d’incertitudes. La recherche de ces dernières années s’est basée sur des systèmes multi-capteurs capables de percevoir l’environnement dans lequel le véhicule est conduit. Ces systèmes deviennent plus complexes quand on contrôle le véhicule autonome, différents systèmes de contrôle sont activés dépendant de la décision du système multi-capteurs. Chacun de ces systèmes suit des critères de performance et de stabilité lors de leur conception. Cependant, ils doivent fonctionner ensemble, garantissant une stabilité et étant capable de se charger des changements dynamiques, structuraux et environnementaux. Cette thèse explore la paramétrisation Youla-Kucera (YK) dans des systèmes dynamiques comme les voitures, en insistant sur la stabilité quand la dynamique change, ou que le trafic impose une reconfiguration du contrôleur. Concentrons-nous sur l’obtention de résultats de simulation et expérimentaux en relation avec le "Cooperative Adaptive Cruise Control" (CACC), dans le but, non pas d’utiliser, ici, pour la première fois la paramétrisation YK dans le domaine des systèmes de transport intelligents (STI), mais d’améliorer l’état de l’art en CACC aussi. Des résultats de reconfiguration stable de contrôleurs sont donnés quand la communication avec le véhicule précédent n’est plus disponible, en cas de manœuvre d’entrées/sorties ou lorsqu’ils sont entourés de véhicules aux dynamiques différentes. Ceci démontrant l’adaptabilité, la stabilité et l’implémentation réelle de la paramétrisation YK comme structure générale de contrôle pour les véhicules autonomes. / Benefits of autonomous vehicles are genuinely exciting, but the route to true autonomy in transportation will likely be long and full of uncertainty. Research on the last years is on the development of multi-sensor systems able to perceive the environment in which the vehicle is driving in. These systems increase complexity when controlling an autonomous vehicle, as different control systems are activated depending on the multi-sensor decision system. Each of these systems follows performance and stability criteria for its design, but they all must work together, providing stability guarantees and being able to handle dynamics, structural and environmental changes. This thesis explores the Youla-Kucera (YK) parameterization in dynamics systems such as vehicles, with special emphasis on stability when some dynamics change or the traffic situation demands controller reconfiguration. Focus is in obtaining simulation and experimental results related to Cooperative Adaptive Cruise Control (CACC), with the aim not only of using for the very first time YK parameterization in the Intelligent Transportation Systems (ITS) domain, but improving CACC state-of-the art. Stable controller reconfiguration results are given when non-available communication link with the preceding vehicle, cut-in/out maneuvers or surrounding vehicles with different dynamics, proving adapability, stability and possible real implementation of the YK parameterization as general control framework for autonomous vehicles.

La complexité croissante des Systèmes de Systèmes et autres grandes fédérations d’acteurs pose de nouvelles problématiques de conception et de réalisation. Cette complexité, induite par des structures de management toujours plus sophistiquées et un cycle de vie long, doit être maîtrisée au plus tôt dans la conception des entreprises. Cette maîtrise permet à l’ensemble des intervenants au cours du cycle de vie d’une entreprise d’identifier ses points clés et de prendre confiance en sa capacité à atteindre ses objectifs. En particulier, il importe de savoir estimer les capacités de l’entreprise à s’adapter à des situations imprévues ou exceptionnelles afin d’assurer ses missions en toutes circonstances. En réaction, de nouvelles démarches d’ingénierie émergent. Elles s’appuient sur la modélisation et la simulation de l’architecture de ces systèmes aux différents stades de leur développement et de leur fonctionnement. Dans le cadre d’une de ces démarches nommée IDEA, nous avons enrichi le langage de description d’architecture avec des concepts et des mécanismes ayant pour but d’adresser l’adaptabilité et des capacités de reconfiguration des entreprises. Ces apports ont été expérimentés avec succès par prototypage et dans des contextes d’affaires industrielles. / As the complexity of large civilian and military Systems of Systems and system federations increases, new system architecture and engineering challenge emerge. This complexity is mainly due to intricate management structures and a long lifecycle, and needs to be mastered from the early stages of architecting. All engineering stakeholders need to identify the key aspects of the enterprise and gain confidence in its ability to fulfill its missions. To ensure that the enterprise is able to satisfy its objectives despite evolving situations, there is a need to focus on its capability to adapt through reconfiguration. New engineering approaches emphasize architecture modelling and simulation to tackle the complexity of the enterprise in all stages of its lifecycle in a flexible and global way. In the context of such an approach named IDEA, we updated the architecture description language to include concepts and mechanisms dedicated to the adaptability and reconfiguration of the enterprise. We also focused on ensuring model consistency. The results were experimented through prototyping and application on industrial affairs.

Dans cette thèse, nous proposons une architecture reconfigurable scalable et flexible, avec un réseau de communication parallèle « full-duplex switched » ainsi que le modèle d’exécution approprié ce qui nous a permis de redéfinir les paradigmes de calcul, de communication et de reconfiguration dans les systèmes embarqués à haute performance (HPEC). Ces systèmes sont devenus très sophistiqués et consommant des ressources pour trois raisons. Premièrement, ils doivent capturer et traiter des données en temps réel à partir de plusieurs sources d’E/S parallèles. Deuxièmement, ils devraient adapter leurs fonctionnalités selon l’application ou l’environnement. Troisièmement, à cause du parallélisme potentiel des applications, multiples instances de calcul réparties sur plusieurs nœuds sont nécessaires, ce qui rend ces systèmes massivement parallèles. Grace au parallélisme matériel offert par les FPGAs, la logique d’une fonction peut être reproduite plusieurs fois pour traiter des E/S parallèles, faisant du modèle d’exécution « Single Program Multiple Data » (SPMD) un modèle préféré pour les concepteurs d’architectures parallèles sur FPGA. En plus, la fonctionnalité de reconfiguration dynamique est un autre attrait des composants FPGA permettant la réutilisation efficace des ressources matérielles limitées. Le défi avec les systèmes HPEC actuels est qu’ils sont généralement conçus pour répondre à des besoins spécifiques d’une application engendrant l’obsolescence rapide du matériel. Dans cette thèse, nous proposons une architecture qui permet la personnalisation des nœuds de calcul (FPGA), la diffusion des données (E/S, bitstreams) et la reconfiguration de plusieurs nœuds de calcul en parallèle. L’environnement logiciel exploite les attraits du réseau de communication pour implémenter le modèle d’exécution SPMD.Enfin, afin de démontrer les avantages de notre architecture, nous avons mis en place une application d’encodage H.264 sécurisé distribué évolutif avec plusieurs protocoles de communication avioniques pour les données et le contrôle. Nous avons utilisé le protocole « serial Front Panel Data Port (sFPDP) » d’acquisition de données à haute vitesse basé sur le standard FMC pour capturer, encoder et de crypter le flux vidéo. Le système mis en œuvre s’appuie sur 3 FPGA différents, en respectant le modèle d’exécution SPMD. En outre, nous avons également mis en place un système d’E/S modulaire en échangeant des protocoles dynamiquement selon les besoins du système. Nous avons ainsi conçu une architecture évolutive et flexible et un modèle d’exécution parallèle afin de gérer plusieurs sources vidéo d’entrée parallèles. / In this thesis, we propose a scalable and customizable reconfigurable computing platform, with a parallel full-duplex switched communication network, and a software execution model to redefine the computation, communication and reconfiguration paradigms in High Performance Embedded Systems. High Performance Embedded Computing (HPEC) applications are becoming highly sophisticated and resource consuming for three reasons. First, they should capture and process real-time data from several I/O sources in parallel. Second, they should adapt their functionalities according to the application or environment variations within given Size Weight and Power (SWaP) constraints. Third, since they process several parallel I/O sources, applications are often distributed on multiple computing nodes making them highly parallel. Due to the hardware parallelism and I/O bandwidth offered by Field Programmable Gate Arrays (FPGAs), application can be duplicated several times to process parallel I/Os, making Single Program Multiple Data (SPMD) the favorite execution model for designers implementing parallel architectures on FPGAs. Furthermore Dynamic Partial Reconfiguration (DPR) feature allows efficient reuse of limited hardware resources, making FPGA a highly attractive solution for such applications. The problem with current HPEC systems is that, they are usually built to meet the needs of a specific application, i.e., lacks flexibility to upgrade the system or reuse existing hardware resources. On the other hand, applications that run on such hardware architectures are constantly being upgraded. Thus there is a real need for flexible and scalable hardware architectures and parallel execution models in order to easily upgrade the system and reuse hardware resources within acceptable time bounds. Thus these applications face challenges such as obsolescence, hardware redesign cost, sequential and slow reconfiguration, and wastage of computing power.Addressing the challenges described above, we propose an architecture that allows the customization of computing nodes (FPGAs), broadcast of data (I/O, bitstreams) and reconfiguration several or a subset of computing nodes in parallel. The software environment leverages the potential of the hardware switch, to provide support for the SPMD execution model. Finally, in order to demonstrate the benefits of our architecture, we have implemented a scalable distributed secure H.264 encoding application along with several avionic communication protocols for data and control transfers between the nodes. We have used a FMC based high-speed serial Front Panel Data Port (sFPDP) data acquisition protocol to capture, encode and encrypt RAW video streams. The system has been implemented on 3 different FPGAs, respecting the SPMD execution model. In addition, we have also implemented modular I/Os by swapping I/O protocols dynamically when required by the system. We have thus demonstrated a scalable and flexible architecture and a parallel runtime reconfiguration model in order to manage several parallel input video sources. These results represent a conceptual proof of a massively parallel dynamically reconfigurable next generation embedded computers.

La déflection statique d'une structure flexible exposée à un écoulement transverse permet classiquement de réduire la traînée à laquelle elle est soumise. Dans le domaine de la biomécanique, la déformation induite par l'écoulement d'éléments végétaux flexibles conduisant à une réduction du chargement est désignée par le terme `reconfiguration' pour souligner le caractère avantageux de ce processus adaptatif. Dans cette thèse, nous examinons les mécanismes qui sous-tendent le processus de reconfiguration, dans des systèmes fluide-structure présentant une variabilité spatiale, ou de la dynamique provenant au choix de l'instationnarité de l'écoulement de base, d'un couplage fluide-structure conduisant à une instabilité, ou de vibrations induites par vortex. Nous montrons que l'aptitude des structures flexibles à réduire l'intensité du chargement imposé par l'écoulement est preservée en présence de non-uniformités ou de dynamique, à condition que le design de la structure soit tel que la traînée résistive domine les forces inertiels. Nous montrons de plus que la capacité à se déformer présente l'avantage supplémentaire de permettre la réduction des vibrations induites par vortex. Notre travail indique également que des structures légères et élancées sont les mieux adaptées pour supporter les chargements induits par l'écoulement en se reconfigurant, et que l'efficacité de la réduction du chargement par reconfiguration élastique dépend faiblement de la distribution spatiale des propriétés du système. Finalement, la réduction des chargements résulte toujours, indépendamment du régime de reconfiguration, de la concentration de la déformation sur une longueur caractéristique inférieure à la longueur réelle de la structure. / The static deflection of a flexible structure exposed to a transverse flow is classically known to reduce the drag it has to withstand. In the field of biomechanics, the flow-induced deformation of flexible plant elements leading to a reduction of the loads is referred to as `reconfiguration', in order to highlight the alleged benefits of such adaptive process. In this thesis, we investigate the mechanisms underpinning the reconfiguration in flow-structure systems featuring some spatial variability, or some dynamics arising either from the unsteadiness of the free-stream, from a flow-structure coupling leading to an instability, or from vortex-induced vibrations. We show that the ability of flexible structures to reduce the magnitude of the flow-induced loads is preserved in the presence of non-uniformities or dynamics, provided that the design of the structure is such that resistive drag dominates over inertial forces. We also show that the ability to deform has the added benefit of reducing the magnitude of the vortex-induced vibrations. Our work further indicates that light, slender structures are better suited to accommodate the flow-induced loads by reconfiguring, and that the efficiency of the process of load reduction by elastic reconfiguration is weakly sensitive to the spatial distribution of the system properties. Finally, regardless of the regime of reconfiguration, the reduction of the load always results from the concentration of the deformation on a characteristic bending length smaller than the actual length of the structure.