Les besoins de nouveaux services dans les rames ferroviaires ( le comptage, l’efficience énergétique, le confort et la sécurité des passagers etc.), risquent de saturer à terme les systèmes de communication filaires mis en place il y a une vingtaine d’années. Les réseaux de capteurs sans fil, par leurs avantages (déploiement facile, capacité à s’adapter à plusieurs types d’environnements, faible consommation d’énergie), ouvrent de nombreuses perspectives pour les systèmes de gestion énergétique. Le but de ce travail de thèse est d’étudier et mettre en oeuvre un réseau de capteurs sans fil à l’intérieur des trains pour l’efficience énergétique. Ainsi, quelques protocoles de communication dédiés à la gestion énergétique ont été présentés puis une étude comparative des différents réseaux de communication sans fil réalisée. Cette étude comparative a permis de faire le choix du réseau ZigBee comme étant le plus adéquat pour la plateforme. L’architecture hybride proposée permet l’utilisation du réseau IP existant comme colonne vertébrale de l’ensemble des réseaux ZigBee. Afin de tenir compte de l’effet de l’environnement ferroviaire dans la planification et le déploiement du réseau, une étude du canal de propagation, basée sur des mesures réalisées dans un métro et un wagon de RER a été menée. L’impact de la coexistence entre le ZigBee et le WiFi et de la présence humaine sur la communication du réseau sans fil a été démontré. Le prototype d’une plateforme basée sur le réseau ZigBee allant de la collecte des données à l’affichage des informations a été réalisé et testé. / The need of new services in railway trains (services for metering, energy efficiency, the comfort and safety of users etc.) may eventually saturate the wired communication systems installed since twenty years ago years. The several advantages of wireless sensor networks (easy deployment, ability to adapt on different environments and low energy consumption) offer many possibilities for energy management systems. The aim of this thesis is to study and implement a wireless network sensors inside trains for energy efficiency. Thus, some communication protocols dedicated to energy management were presented and then a comparative study of the various wireless communication networks carried out. This comparative study shows that the ZigBee network is the most suitable for the platform. The proposed hybrid architecture allows the use of the existing IP network as the backbone of all ZigBee networks. In order to take into account the effect of the railway environment in the planning and deployment of the network, a study of the propagation channel was carried out, based on measurements realized in a subway and a RER car. The impact of the coexistence between ZigBee and WiFi and of the human presence on wireless communication have been demonstrated. The prototype of a platform based on the ZigBee network, allows data collection, informations traitement and monitoring, was carried out.

La peau est un organe capable de se régénérer et de cicatriser. Elle constitue la première barrière de protection de notre organisme contre les agressions physico-chimiques extérieures. Depuis plusieurs décennies des recherches ont été menées pour maîtriser la culture du derme pour plusieurs applications telles que la greffe des grands brulés. L’aspect technologique de ce domaine a fait l’objet de plusieurs travaux. Dans les années 2000, l'équipe de notre laboratoire a proposé la méthode de culture du derme associée à des microsystèmes en silicium. C’est l’unique méthode actuelle qui permet la mesure des forces isométrique du derme équivalent lors de sa culture.Dans une première étude, nous avons proposé des nouvelles méthodes de mesure des forces isométriques qui s’exercent dans des peaux reconstruites en culture entre deux lames de silicium afin de fabriquer un bio-dispositif miniaturisé à faible coût. Ainsi, les dimensions optimales ont été calculées et des nouvelles lames ont été fabriquées. L’optimisation que nous avons retenue est relative à l’amélioration de la sensibilité de la mesure des forces. Afin de quantifier le fléchissement de lames due aux forces isométriques appliquées par le derme en culture, nous avons opté pour la mesure des déplacements des lames sous l’effets des forces isométriques, à l’aide d’ondes acoustiques de surface (SAW). Ce choix se justifie par la simplicité de l’intégration des transducteurs interdigités qui génèrent les ondes acoustiques, de la possibilité d’utiliser une interrogation sans fils et la réalisation physique de l’intercorrélation des ondes générées.A l’aide de simulation nous avons identifié les déformations des ondes et les écarts de fréquence qu’elles provoquent. En effet, la dissymétrie de la courbe d’intercorrélation des signaux transmis et reçus, par les transducteurs interdigités, est intiment liée à l’écart de fréquence de l’onde reçue. Nous avons démontré que le fléchissement engendre bien la dissymétrie dans l’axe du temps qui peut être mesurée plus précisément dans les limites d‘échantillonnage. Deux démonstrateurs sont modélisés et fabriqués dans la salle blanche afin de valider l’instrumentation et le principe de transduction d’un signal chirpé avec une onde acoustique de surface. Les résultats obtenus montrent que la méthode de mesure à l’aide d’une onde acoustique nous permet de faire de mesure de force mais dans une gamme d’intensité plus élevée que celle attendue. Par la suite, nous avons étudié la méthode de mesure de forces par les capteurs à base de piézorésistances. Sachant que la technique est basée sur la variation de résistivité du matériau déformé, nous avons décidé de replacer les grilles de lame prévue pour l’accrochage du derme en culture par le matériau piézorésistif implanté sur les micro poutres. Afin d’améliorer la résolution de détection de faibles forces une série de calcul et de simulations de la position et les dimensions du matériau piézorésistif et des micropoutres sont effectués et présentés. Une autre étude que nous avons menée en parallèle concerne le développement d’une instrumentation embarquée permettant de suivre la croissance du derme en culture basé sur un système de vision. Vu les conditions strictes de notre cahier de charges qui exigeait la portabilité et l’autonomie de système final, nous avons prévu le développement d’un système de vision embarqué basé sur un module de caméra et une carte FPGA. La caméra à haute définition montée sur le système de boite de culture finale avec un objectif permet de prendre des images de fluorescences des cellules en culture. / The skin is an organ which can regenerate and heal. It is the first shield of protection of our body against external physico-chemical aggression. For several decades, researches have been conducted to control the dermis culture for several applications such as grafting large burns. The technological aspect of this area has been the subject of several works. In the 2000s, the team of our laboratory proposed the dermis culture method associated with silicon microsystems. This is the only current method that allows the measurement of isometric forces of the equivalent dermis during its culture.In a first stage of study, in order to produce a miniaturized and low-cost bio-device, we proposed new methods to measure isometric forces in reconstructed skins in culture between two silicon beams. Thus, the optimal dimensions were calculated and new beams were fabricated. The chosen optimization is related to improve the sensitivity of the force measurement. To quantify the deflection of the beams due to the isometric forces applied by the dermis in culture, we opted for the measurement of the displacements of the beams under the influence of the isometric forces by using surface acoustic waves (SAW). This choice is justified by the simplicity of the integration of the interdigital transducers (IDT) that generate the SAW, the possibility of using a wireless interrogation and the physical realization of the cross-correlation of the generated waves.Using simulation, we have identified the frequency deviations caused by wave deformations. Indeed, the dissymmetry of the cross-correlation curve of the signals generated and received by IDT is closely related to the frequency deviation of the received wave. We have evidenced that the beam deflection generates the dissymmetry in the time axis which can be measured more precisely within the limits of sampling. Two demonstrators were designed and manufactured in the clean room to validate the instrumentation and the principle of transducing a chirped signal with a SAW. The obtained results show that the proposed SAW-based force measuring method allows us to measure force, but in a higher intensity range than expected. Subsequently, we studied the method of force measurement by piezoresistors. Considering that the technique is based on the variation of resistivity of the deformed material, we decided to replace the silicon grids provided for the attachment of the dermis in culture by the piezoresistive material implanted on the silicon micro-beams. To improve the low-resolution detection, a series of calculations and simulations of the positions and the dimensions of the piezoresistive material and the micro-beams have been carried out and presented. Another study that we conducted in parallel concerns the development of an on-board instrumentation to monitor the growth of the dermis in culture based on a vision system. Considering of the strict conditions of our specifications that required the portability and autonomy of the final system, we developed an embedded vision system based on a camera module and a FPGA card. The high definition camera mounted on the system of final culture box with a lens allows to take fluorescence images of cells in culture.

La problématique de cette thèse se tient à l'interface des domaines scientifiques de l'adéquation algorithme architecture, des systèmes de vision bio-inspirée en robotique mobile et du traitement d'images. Le but est de rendre un robot autonome dans son processus de perception visuelle, en intégrant au sein du robot cette tâche cognitive habituellement déportée sur un serveur de calcul distant. Pour atteindre cet objectif, l’approche de conception employée suit un processus d'adéquation algorithme architecture, où les différentes étapes de traitement d'images sont analysées minutieusement. Les traitements d'image sont modifiés et déployés sur une architecture embarquée de façon à respecter des contraintes d'exécution temps-réel imposées par le contexte robotique. La robotique mobile est un sujet de recherche académique qui s'appuie notamment sur des approches bio-mimétiques. La vision artificielle étudiée dans notre contexte emploie une approche bio-inspirée multirésolution, basée sur l'extraction et la mise en forme de zones caractéristiques de l'image. Du fait de la complexité de ces traitements et des nombreuses contraintes liées à l'autonomie du robot, le déploiement de ce système de vision nécessite une démarche rigoureuse et complète d'exploration architecturale logicielle et matérielle. Ce processus d'exploration de l'espace de conception est présenté dans cette thèse. Les résultats de cette exploration ont mené à la conception d'une architecture principalement composée d'accélérateurs matériels de traitements (IP) paramétrables et modulaires, qui sera déployée sur un circuit reconfigurable de type FPGA. Ces IP et le fonctionnement interne de chacun d'entre eux sont décrits dans le document. L'impact des paramètres architecturaux sur l'utilisation des ressources matérielles est étudié pour les traitements principaux. Le déploiement de la partie logicielle restante est présenté pour plusieurs plate-formes FPGA potentielles. Les performances obtenues pour cette solution architecturale sont enfin présentées. Ces résultats nous permettent aujourd'hui de conclure que la solution proposée permet d'embarquer le système de vision dans des robots mobiles en respectant les contraintes temps-réel qui sont imposées.

Je présente dans ce document mes résultats de recherche sur la conception sûre de systèmes embarqués sûrs. La première partie concerne la répartition automatique de programmes synchrones. Le caractère automatique de la répartition apporte un réel degré de sûreté dans la conception de systèmes répartis car c'est la partie la plus délicate de la spécification qui est automatisée. Grâce à cela, l'absence d'inter-blocage et l'équivalence fonctionnelle entre le programme source centralisé et le programme final réparti peuvent être formellement démontrées. La deuxième partie traite le sujet de l'ordonnancement et de la répartition de graphes de tâches flots-de-données sur des architectures à mémoire répartie, avec contraintes de tolérance aux fautes et de fiabilité. Je présente principalement des heuristiques d'ordonnancement statique multiprocesseur avec pour but la tolérance aux fautes et la fiabilité des systèmes, mais également l'utilisation de méthodes formelles telles que la synthèse de contrôleurs discrets ou les transformations automatiques de programmes. Enfin, la troisième partie concerne les autoroutes automatisées, avec deux volets : la commande longitudinale de véhicules autonomes et les stratégies d'insertion dans les autoroutes automatisées.

Les systèmes embarqués actuels (téléphone portable, assistant personnel...) ne sont pas considérés<br />comme des hôtes de confiance car toute personne y ayant accès, sont des attaquants potentiels. Les données<br />contenues dans ces systèmes peuvent être sensibles (données privées du propriétaire, mot de passe, code d'un<br />logiciel...) et sont généralement échangées en clair entre le Système sur Puces (SoC – System on Chip) et la<br />mémoire dans laquelle elles sont stockées. Le bus qui relie ces deux entités constitue donc un point faible : un<br />attaquant peut observer ce bus et récupérer le contenu de la mémoire, ou bien a la possibilité d'insérer du code<br />afin d'altérer le fonctionnement d'une application s'exécutant sur le système. Afin de prévenir ce type d'attaque,<br />des mécanismes matériels doivent être mis en place afin d'assurer la confidentialité et l'intégrité des données.<br />L'approche conventionnelle pour atteindre cet objectif est de concevoir un mécanisme matériel pour chaque<br />service de sécurité (confidentialité et intégrité). Cette approche peut être implantée de manière sécurisée mais<br />empêche toute parallélisation des calculs sous-jacents.<br />Les travaux menés au cours de cette thèse ont dans un premier temps, consisté à faire une étude des<br />techniques existantes permettant d'assurer la confidentialité et l'intégrité des données. Dans un deuxième temps,<br />nous avons proposé deux mécanismes matériels destinés à la sécurisation des transactions entre un processeur et<br />sa mémoire. Un moteur de chiffrement et de contrôle d'intégrité parallélisé, PE-ICE (Parallelized Encryption and<br />Integrity Checking Engine) a été conçu. PE-ICE permet une parallélisation totale des opérations relatives à la<br />sécurité aussi bien en écriture qu'en lecture de données en mémoire. Par ailleurs, une technique basée sur une<br />structure d'arbre (PRV-Tree – PE-ICE protected Reference Values) comportant la même propriété de<br />parallélisation totale, a été spécifiée afin de réduire le surcoût en mémoire interne impliqué par les mécanismes de sécurité

L'approche synchrone aux systèmes réactifs, où le temps global est une séquence d'instants discrets, a été proposée afin de faciliter la conception des systèmes embarqués critiques. Des systèmes synchrones sont souvent réalisés sur des architectures asynchrones pour des raisons de performance ou de contraintes physiques de l'application. Une répartition d'un système synchrone sur une architecture asynchrone nécessite des protocoles de communication et de synchronisation pour préserver la sémantique synchrone. En pratique, les protocoles peut avoir un coût important qui peut entrer en conflit avec les contraintes de l'application comme, par exemple, la taille de mémoire disponible, le temps de réaction, ou le débit global. L'approche quasi-synchrone utilise des composants synchrones avec des horloges indépendantes. Les composants communiquent par échantillonnage de mémoire partagée ou par des tampons FIFO. On peut exécuter un tel système de façon synchrone, où toutes les horloges avancent simultanément, ou de façon asynchrone avec moins de contraintes sur les horloges, sans ajouter des protocoles. Plus les contraintes sont relâchées, plus de comportements se rajoutent en fonction de l'entrelacement des tics des horloges. Dans le cas de systèmes flots de données, un comportement est différent d'un autre si les valeurs ou le cadencement ont changé. Pour certaines classes de systèmes l'occurrence des déviations est acceptable, tant que la fréquence de ces événements reste bornée. Nous considérons des limites dures sur la fréquence des deviations avec ce que nous appelons les exigences faiblement dures, par exemple, le nombre maximal d'éléments divergents d'un flot par un nombre d'éléments consécutifs. Nous introduisons des limites de dérive sur les apparitions relatives des paires d'événements récurrents comme les tics d'une horloge, l'occurrence d'une difference, ou l'arrivée d'un message. Les limites de dérive expriment des contraintes entre les horloges, par exemple, une borne supérieure de deux tics d'une horloge entre trois tics consécutifs d'une autre horloge. Les limites permettent également de caractériser les exigences faiblement dures. Cette thèse présente des analyses pour la vérification et l'inférence des exigences faiblement dures pour des programmes de flots de données synchrones étendu avec de la communication asynchrone par l'échantillonnage de mémoire partagée où les horloges sont décrites par des limites de dérive. Nous proposons aussi une analyse de performance des systèmes répartis avec de la communication par tampons FIFO, en utilisant les limites de dérive comme abstraction.

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.

While relying during the last decade on single-core Commercial Off-The-Shelf (COTS) architectures despite their inherent runtime variability, the safety critical industry is now considering a shift to multi-core COTS in order to match the increasing performance requirement. However, the shift to multi-core COTS worsens the runtime variability issue due to the contention on shared hardware resources. Standard techniques to handle this variability such as resource over-provisioning cannot be applied to multi-cores as additional safety margins will offset most if not all the multi-core performance gains. A possible solution would be to capture the behavior of potential contention mechanisms on shared hardware resources relatively to each application co-running on the system. However, the features on contention mechanisms are usually very poorly documented. In this thesis, we introduce measurement techniques based on a set of dedicated stressing benchmarks and architecture hardware monitors to characterize (1) the architecture, by identifying the shared hardware resources and revealing their associated contention mechanisms. (2) the applications, by learning how they behave relatively to shared resources. Based on such information, we propose a technique to estimate the WCET of an application in a pre-determined co-running context by simulating the worst case contention on shared resources produced by the application's co-runners.

<p>Les systèmes cryptographiques à base de courbes elliptiques sont aujourd'hui de plus en plus employés dans les protocoles utilisant la cryptographie à clef publique. Ceci est particulièrement vrai dans le monde de l'embarqué qui est soumis à de fortes contraintes de coût, de ressources et d'efficacité, car la cryptographie à base de courbes elliptiques permet de réduire significativement la taille des clefs utilisées par rapport à d'autres systèmes cryptographiques tels que RSA.</p> <p>Les travaux qui suivent décrivent dans un premier temps 'implantation efficace et sécurisée de la cryptographie à base de courbes elliptiques sur des composants embarqués, en particulier sur des cartes à puce. La sécurisation de ces implantations nécessite de prendre en compte les attaques physiques dont un composant embarqué peut être la cible. Ces attaques incluent notamment les analyses par canaux auxiliaires qui consistent à étudier le comportement d'un composant qui manipule une clef secrête pour en déduire de l'information sur celle-ci, et les analyses par faute dans lesquelles un attaquant peut perturber le fonctionnement d'un composant dans le même but.</p> <p>Dans la seconde partie de ce mémoire de thèse, nous étudions ces attaques et leurs conséquences concernant l'implantation des systèmes cryptographiques à clef publique les plus répandus. De nouvelles méthodes d'analyse et de nouvelles contre-mesures sont proposées pour ces systèmes cryptographiques, ainsi que des attaques spécifiques à l'algorithme de chiffirement par bloc AES.</p>

Les architectures dynamiques orientées services ( D-SOA) se concentrent sur les interactions client-serveur à couplage faible, où les deux peuvent apparaître et disparaître à l'exécution. Notre objectif est de concevoir des systèmes de surveillance pour ces architectures. Comme les systèmes de surveillance classiques sont statiquement injectés dans les services surveillés, ils ne peuvent pas gérer correctement le cycle de vie des services d'exécution. En outre, quand un service est remplacé par un autre service, d'autres services peuvent toujours utiliser l'ancienne référence. Cette référence vers un service absent, lorsqu'elle est gardée en mémoire, peut induire des comportements non désirés. Cette thèse contribue à la conception d'un système de surveillance de l'utilisation des services, qui soit résistant à la dynamique de la plateforme et qui soit en mesure de faire face à l'utilisation des références obsolètes. Ce but est atteint en trois étapes. Tout d'abord, en considérant le caractère dynamique des systèmes SOA dans un environnement ouvert, nous concevons une approche de monitoring résistant au la dynamique de la plateforme. Nous identifions deux propriétés clés du système de surveillance à couplage faible: résilience à la dynamicité, c'est-à-dire qu'un moniteur d'interface et son état sont maintenus en mémoire et transférés à un nouveau service lors de la disparition d'un service utilisé, et exhaustivité, c'est-à-dire qu'un service surveillé ne peut pas contourner les observations du moniteur. Ensuite, pour éviter l'usage de références vers des services qui ne sont plus actifs, nous proposons un service de sécurité côté client (SSU Layer), qui permet de traiter ce problème de manière transparente. Si un service utilisé disparaît, la couche SSU peut soit substituer le service de manière transparente, soit lever une exception pour avertir explicitement le client. Cette couche SSU est basée sur une approche transactionnelle qui vise à préserver la cohérence des services actifs. Enfin, nous proposons d'intégrer les deux approches dans un nouveau système de surveillance (NewMS). Les NewMS hérite des principes des deux systèmes précédents: la résilience à la dynamicité, l'exhaustivité et la tolérance aux fautes. Il peut dynamiquement surveiller l'utilisation de services et traiter les références obsolètes de manière transparente. Ces trois propositions sont implémentées dans la plateforme OSGi. Nous avons développé une application simple qui simule un système de réservation de place, qui est monitoré par notre systèmes. Nous avons également proposé différentes spécifications pour ce système. Nos résultats démontrent que le coût d'observation de notre moniteur est proche du coût d'un monitor classique, ne prenant pas en compte les problématiques liées à la dynamique.