Le développement des systèmes embarqués est complexe. Cette complexité a plusieurs origines.D’une part, elle provient des caractéristiques propres des systèmes embarqués (mesureet contrôle du monde physique, exécution sur une plate-forme physique limitée en ressources,autonomie, fiabilité, réactivité, . . . ) qui les distinguent des systèmes purement logiciels. D’autrepart, elle est due aux fortes contraintes industrielles auxquelles ces systèmes sont soumis : coûtset délais de développement et de fabrication, équipes pluri-disciplinaires, certification et documentationdes systèmes. Afin de maitriser cette complexité, un certain nombre de méthodeset de langages furent proposés. Ils mettent l’accent sur une modélisation de l’application etde la plate-forme constituant le système embarqué. Cependant, les notions de méthode et deprocessus de développement qui abordent le problème de description des activités à réaliserne sont pas bien connues dans le domaine de l’ingénierie des systèmes embarqués et les méthodesactuelles tirent peu parti de l’expérience capitalisée dans d’autres domaines d’ingénierietels que les systèmes d’information. L’enjeu de cette thèse est la définition, la formalisation etl’outillage d’une méthode couvrant le développement des systèmes embarqués. Pour ce faire,ces travaux ont été axés autour de quatre contributions majeures : (1) la formalisation d’unprocessus guidé et d’un langage permettant une modélisation homogène d’une application et desa plate-forme, (2) la composition de plates-formes complexes permettant une implémentationprogressive d’une application sur sa plate-forme réelle, (3) l’intégration de la gestion de projetet de la traçabilité couplées aux produits offrant au chef de projet un moyen de mesurer etde piloter l’avancement de progression, d’organiser son équipe et de paralléliser les développements,et (4) le développement d’un outil dédié aux supports du processus, du langage et de lagestion de projet. / Embedded system development is complex. This complexity has several sources. A firstone is embedded system own specificities (physical world measurement and control, executionon a physical resource-constrained platform, reliability, responsiveness, . . . ) that distinguishthemselves from software systems. Another one comes from industrial concerns about whomthese systems are subject to : product and development costs and delays, multidisciplinaryteams, system documentation and certification. To handle this complexity, few methods andlanguages have been proposed. They focus on a modeling of both application and platform partincluded in an embedded system. However, the notions of method and process model are barelyknown from the embedded system community and current methods do not capitalize on theknowledge acquired by other engineering domains like information systems. The goal of thisthesis is the definition, the formalization and the tooling of an embedded system developmentmethod. To do that, this work focuses on four main contributions : (1) the formalization ofa guided process and a language to ensure a consistent modeling of both the application andthe platform, (2) the composition of complex platforms to permit a progressive implementationof an application on its concrete platform, (3) the integration of a project management anda product traceability allowing the project manager to measure and monitor the developmentprogress, to organize his team and to parallelize the development, and (4) the development ofa tool designed to support the process, the language and the project management

L’aviation civile moderne dépend de plus en plus sur l’interconnexion de tous les acteurs qu’il soit avionneur, équipementier, contrôleur aérien, pilote, membre d’équipage ou compagnie aérienne. Ces dernières années, de nombreux travaux ont été réalisés dans le but de proposer des méthodes pour simplifier la tache des pilotes, de mieux contrôler et optimiser l’espace aérien, de faciliter la gestion des vols par les compagnies aériennes et d’optimiser les taches de maintenance entre les vols. De plus, les compagnies aériennes cherchent non seulement a offrir a ses passagers, de plus en plus exigeants, des services de divertissements, de messagerie et de navigation sur le Web mais également des services de connexion a Internet pour leurs propres appareils. Cette omniprésence de connectivité dans le domaine aéronautique a ouvert la voie a un nouvel ensemble de cyber-menaces. L’industrie doit donc être en mesure de déployer des mécanismes de sécurité qui permettent d’offrir les mêmes garanties que la sûreté de fonctionnement tout en permettant de répondre aux nombreux besoins fonctionnels de tous les acteurs. Malgré tout, il existe peu de solutions permettant l’analyse et la détection d’intrusion sur les systèmes avioniques embarqués. La complexité des mises a jour sur de tel système rend difficile l’utilisation de mécanismes strictement a base de signatures alors il est souhaitable que des mécanismes plus "intelligents", a l’abri de l’évolution des menaces, puissent être développés et mis en place. Cette thèse s’inscrit dans une démarche de mise en place de mécanismes de sécurité pour les communications entre le sol et l’avion, et plus particulièrement un système de détection d’intrusion pour le système de communication aéronautique ACARS visant a protéger les fonctions Air Traffic Control (ATC) et Aeronautical Operational Control (AOC) embarquées dans l’avion. Fonde sur la détection d’anomalie, un premier modèle propose permet de discriminer les messages ACARS anormaux a l’aide d’une technique empruntée a la classification de texte, les n-grammes. Un second modèle propose, également fonde sur la détection d’anomalie, permet de modéliser, a l’aide des chaines de Markov, l’ensemble des messages échanges entre le bord et le sol durant un vol complet permettant de détecter des messages ne faisant pas partie d’une communication normale. Une dernière contribution consiste en une alternative a la courbe ROC pour évaluer les performances d’un système de détection d’intrusion lorsque le jeu de données disponible contient seulement des instances normales. / Modern civil aviation is increasingly dependent on the interconnection of all players, be it aircraft manufacturers, air traffic controllers, pilots, crew members or airlines. In recent years, much work has been done to propose methods to simplify the task of pilots, to better control and optimize airspace, to facilitate the management of flights by airlines and to optimize the maintenance tasks between flights. In addition, airlines are seeking not only to provide more demanding passengers with entertainment, messaging and web browsing services, but also Internet connection services for their own devices. This omnipresence of connectivity in the aeronautical field has paved the way for a new set of cyber threats. The industry must therefore be able to deploy security mechanisms inline with safety requirements while allowing the many functional needs of all actors. Despite this, there are few solutions for intrusion detection and analysis on avionics systems. The complexity of updates on such a system makes it difficult to use strictly signature-based mechanisms, so it is desirable that more "smart" mechanisms, threats evolution proof, be developed and deployed. This thesis is part of an approach to put in place security mechanisms for communications between the ground and the airplane, and more particularly an intrusion detection system for the aeronautical communication system ACARS to protect the Air Traffic Control (ATC) and Aeronautical Operational Control (AOC) functions. Based on anomaly detection technique, a first proposed model makes it possible to discriminate the abnormal ACARS messages using a technique borrowed from the text classification, n-grams. A second proposed model, also based on anomaly detection technique, allows to model a sequence of messages, using Markov chains, exchanged between the ground and the airplane during a flight, allowing to detect messages not taking part of a normal communication. The last contribution consists of an alternative to the ROC curve to evaluate the performance of an intrusion detection system when the available data set contains only normal instances.

Le travail présenté dans cette thèse porte sur la conception de logiciels pour systèmes embarqués. Outre les contraintes de programmation provenant des faibles quantité de mémoire et capacité de calcul, ces plates-formes matérielles ne disposent parfois que de peu d'énergie pour fonctionner. Les applications usuelles de ces systèmes imposent de plus des objectifs en matière de réactivité et de durée de vie. Par ailleurs, quelques-unes des ressources fournies sont partagées entre les composants, qu'il s'agisse de l'énergie délivrée par une batterie, ou encore des bus de communication qui les relient. Il est donc nécessaire de pouvoir assurer des propriétés globales portant sur l'ensemble de la plate-forme, telles que le contrôle des accès aux bus, ou encore la maîtrise de la puissance électrique consommée. Cependant, les pilotes des différents périphériques sont d'ordinaire programmés individuellement. La connaissance nécessaire à l'implantation d'une politique de contrôle global est alors distribuée parmi diverses portions du logiciel. Nous exposons une solution au problème du contrôle global des ressources, basée sur une vue centralisée des états des composants matériels de la plate-forme. Bâtie sur un principe de para-virtualisation, notre approche consiste en l'introduction d'une couche de contrôle ; le système d'exploitation invité est adapté afin de communiquer avec le matériel à l'aide de celle-ci. La couche de contrôle incorpore les pilotes des périphériques, conçus à partir d'automates dont les états correspondent aux modes de fonctionnement ou de consommation du composant géré. Un contrôleur est ajouté, dont le rôle est d'assurer les propriétés globales. L'ensemble de ces automates est programmé à l'aide d'un langage synchrone, puis compilé en code séquentiel. Nous proposons une implantation de la couche de contrôle pour une architecture de nœuds de réseaux de capteurs sans fil, qui constitue une plate-forme représentative des systèmes embarqués contraints. Nous évaluons qualitativement et quantitativement ce prototype afin de montrer la viabilité de l'approche. Son impact sur le reste du logiciel est également apprécié, que celui-ci soit construit selon un modèle d'exécution purement événementiel ou multi-fils. Enfin, nous passons en revue plusieurs extensions possibles, et identifions quelques bonnes pratiques pour son usage dans d'autres contextes. / This thesis is about the design of software for embedded systems. The hardware platforms usually employed in these systems provide a limited amount of memory, computational power and energy. The software they execute is then constrained by such limited resources. Usual applications involve further objectives, such as reactivity and lifetime. In addition, these platforms comprise shared resources like buses or even the energy provided by a battery. Hence, global properties concerning the whole platform must be enforced, for instance to control concurrent accesses to a bus or power consumption. As device drivers are commonly developed individually, the knowledge necessary to implement global control policies is distributed among several pieces of software. We propose a global control approach, based on a centralized view of the devices' states. Built upon para-virtualization principles, it operates on the hardware/software interface. It involves a simple adaptation of the guest operating system, to communicate with the hardware via a control layer. The control layer itself is built from a set of simple automata: the device drivers, whose states correspond to functional or power consumption modes, and a controller to enforce global properties. All these automata are programmed using a synchronous language, and compiled into a single piece of sequential code. As a suitable representative of embedded systems hardware, we choose the node of a wireless sensor network. To show that our approach is practical, we propose a proof-of-concept implementation of the control layer to manage this platform, and evaluate it both qualitatively and quantitatively. We also demonstrate its use and benefits with an event-driven or multithreading operating system, and estimate the impact of the adaptation on guest software. Finally, we audit several extensions and draw guidelines for its use in other contexts.

Les réseaux de capteurs communicants sont fortement contraints en ressources : calcul, mémoire et énergie. Dans ce contexte, une attention particulière doit être portée lors de la conception des application, des protocoles de communication et du système d'exploitation qui vont être exécutés sur les plateformes. Le but de cette thèse a été d'adapter les modèles de logiciels utilisés classiquement pour la programmation d'applications au domaine des réseaux de capteurs et de proposer des méthodes et outils permettant de construire une version adaptée du logiciel devant s'exécuter sur les cibles à partir d'un modèle de l'application. Une des composantes qui consomment le plus d'énergie d'un micro-capteur c'est son interface radio. Le comportement d'une couche MAC peut être exprimé comme un automate temporisé avec des états fixes (qui correspondent a des états spécifiques du dispositif physique) ou des états libres (dont le choix de mappage est laissé au choix du programmeur). Le comportement d'un périphérique radio peut lui-même être exprimé comme un automate temporisé composé d' états transitoires (avec durée fixe de l'état) et non transitoires (avec une durée illimitée mais avec une contrainte de temps minimal à passer dans l'état). Le problème de mapper un état software libre de durée fixe sur un chemin dans l'automate du dispositif physique en minimisant l'énergie est prouvé NP-complète. Une heuristique permettant de mapper les états libres d'un automate correspondant à un protocole software sur des états ou chemins entre les états d'un dispositif physique est proposée. L'approche amène à des gains théoriques de 60% pour B-MAC- une couche MAC classique. Pour les 2 catégories de système d'exploitation dédiés à ce type d'applications (modèle à événements et modèle à threads), des squelettes de code sont générés. Adapté a Mantis OS, le squelette de code pour B-MAC confirme en simulation sur la plateforme Worldsens les gains théoriques. Des simulations sur la plateforme réelle Senslab ont prouvé que l'optimisation en terme d'energie ne modifie pas les performances fonctionnelles du protocole. / Wireless Sensor Networks are are highly constrained in resources: computation, memory and energy. In this context, particular attention must be paid when designing applications, communication protocols and operating systems that will run on the sensor nodes. The purpose of this thesis was to adapt the software models conventionally used for programming applications to the field of sensor networks and to propose methods and tools to build a customized version of the software to run on the sensor nodes from a model of the application.One of the components of a micro-sensor that consumes the most energy is its radio interface. The behavior of a MAC layer protocol can be expressed as a timed automaton with fixed states (which correspond to specific states of the physical device) or free states ( the choice for their mapping is left to the programmer). The behavior of a radio device itself can be expressed as an automaton consisting of transitional (with fixed duration) and non-transitional states (with unlimited duration but with a minimum time duration constraint). The problem of mapping a free state of the software of fixed duration on a path of the physical device by minimizing the energy consumed is proven to be NP-complete. A heuristic to map the free states of an automaton corresponding to a software protocol to states or paths between the states of a physical device is proposed. The approach leads to theoretical gains of 60% for the mapping of B-MAC, a MAC layer protocol. For two categories of operating systems dedicated to Wireless Sensor Networks (event model and multi-threaded), code skeletons are generated. The simulations under the Worldsens platform of the multi-threaded code skeleton generated for B-MAC and adapted to Mantis OS confirmed the theoretical gains. Experiments on the real platform SensLab have shown that the optimization in terms of energy does not change the functional performance of the protocol.

Dans cette thèse nous nous intéressons à la problématique de l'ordonnancement temps réel à priorité fixe des systèmes embarqués récupérant leur énergie de l'environnement. Ces derniers collectent l'énergie ambiante de l'environnement et la stockent dans un réservoir d'énergie afin d'alimenter un appareil électronique. Cette technologie est utilisée dans les petits systèmes embarqués qui nécessitent une longue autonomie. Les réseaux de capteurs et les implants médicaux sont des applications typiques de cette technologie. La majorité des systèmes qui opèrent avec cette technologie doivent exécuter des tâches récurrentes dans un temps imparti. Ainsi, ces systèmes sont soumis à des contraintes dites temps réel où le respect des contraintes temporelles est aussi important que l'exactitude des résultats. Cette thèse traite l'ordonnancement préemptif à priorité fixe de ce genre de systèmes sur des plateformes monoprocesseur. La problématique ici est de trouver des algorithmes d'ordonnancement performants ainsi que des conditions d'ordonnançabilité qui vérifient l'ordonnançabilité d'un système donné dans une configuration d'énergie donnée. La première contribution de cette thèse est la proposition de l'algorithme PFPasap. Il s'agit d'une adaptation de l'ordonnancement préemptif classique à priorité fixe aux contraintes énergétiques. Cela consiste à exécuter les tâches dès que l'énergie est suffisante pour exécuter au moins une unité de temps et à seulement recharger dans le cas échéant. Les périodes de rechargement sont aussi longues que nécessaire pour pouvoir exécuter une seule unité de temps. On prouve que PFPasap est optimal mais uniquement dans le cas des systèmes dits non-concrets où la date de la première activation des tâches et le niveau initial du réservoir d'énergie ne sont connus qu'au moment de l'exécution, et quand toutes les tâches consomment plus d'énergie pendant leur exécution que le système n'en collecte. Une condition d'ordonnançabilité nécessaire et suffisante pour ce type de systèmes est également proposée. Malheureusement, si l'on relâche l'hypothèse sur le profil de consommation d'énergie des tâches, en considérant des tâches qui consomment plus que le rechargement et d'autres qui consomment moins, l'algorithme PFPasap n'est plus optimal et l'activation synchrone n'est plus le pire scénario ce qui rend la condition d'ordonnançabilité précédemment citée seulement nécessaire. Pour cela, nous proposons de borner le pire temps de réponse des tâches afin de construire des conditions suffisantes. Concernant l'optimalité, nous explorons différentes idées dans le but de construire un algorithme optimal en considérant tous les types de systèmes de tâches et tous les profils de consommation d'énergie. Nous montrons aussi que la plupart des idées intuitives n'aboutissant pas à des algorithmes optimaux. Dans le but de mieux comprendre notre problématique, nous proposons d'explorer les solutions proposées pour des problématiques similaires, en particulier celles où le retardement des exécutions est parfois nécessaire pour respecter certaines contraintes. L'ordonnancement avec contraintes thermiques est l'une de ces problématiques. Cette dernière consiste à exécuter les tâches de tel sorte qu'une certaine température maximale n'est jamais atteinte. Cela passe par la suspension des exécutions de temps en temps pour rajouter des temps de refroidissement afin d'éviter que la température maximale ne soit atteinte. Comme première étape, nous proposons d'adapter les solutions proposées pour les systèmes à énergie renouvelable aux systèmes à contraintes thermiques. Ainsi, nous adaptons l'algorithme PFPasap afin que la contrainte thermique soit respectée. Nous proposons également une analyse d'ordonnançabilité basée sur des bornes du pire temps de réponse des tâches. Pour terminer, nous présentons YARTISS : l'outil de simulation développé pendant cette thèse pour évaluer les résultats théoriques / In this thesis, we are interested in the real-time fixed-priority scheduling problem of energy-harvesting systems. An energy-harvesting system is a system that can collect the energy from the environment in order to store it in a storage device and then to use it to supply an electronic device. This technology is used in small embedded systems that are required to run autonomously for a very long lifespan. Wireless sensor networks and medical implants are typical applications of this technology. Moreover, most of these devices have to execute many recurrent tasks within a limited time. Thus, these devices are subject to real-time constraints where the correctness of the system depends not only on the correctness of the results but also on the time in which they are delivered. This thesis focuses on the preemptive fixed-task-priority real-time scheduling for such systems in monoprocessor platforms. The problematic here is to find efficient scheduling algorithms and schedulability conditions that check the schedulability of a given task set in a given energy configuration. The first result of this thesis is the proposition of the PFPasap scheduling algorithm. It is an adaptation of the classical fixed-task-priority scheduling to the energy-harvesting context. It consists of executing tasks as soon as possible whenever the energy is sufficient to execute at least one time unit and replenishes otherwise. The replenishment periods are as long as needed to execute one time unit. We prove that PFPasap is optimal but only in the case of non-concrete systems where the first release time of tasks and the initial energy storage unit level are known only at run-time and where all the tasks consume more energy than the replenishment during execution times. A sufficient and necessary schedulability condition for such systems is also proposed. Unfortunately, when we relax the assumption of tasks energy consumption profile, by considering both tasks that consume more energy than the replenishment and the ones that consume less than the replenishment, PFPasap is no longer optimal and the worst-case scenario is no longer the synchronous release of all the tasks, which makes the precedent schedulability test only necessary. To cope with this limitation, we propose to upper bound tasks worst-case response time in order to build sufficient schedulability conditions instead of exact ones. Regarding algorithms optimality, we explore different ideas in order to build an optimal algorithm for the general model of fixed-task-priority tasks by considering all types of task sets and energy consumption profiles. We show through some counter examples the difficulty of finding such an algorithm and we show that most of intuitive scheduling algorithms are not optimal. After that, we discuss the possibility of finding such an algorithm. In order to better understand the scheduling problematic of fixed-priority scheduling for energy-harvesting systems, we also try to explore the solutions of similar scheduling problematics, especially the ones that delay executions in order to guarantee some requirements. The thermal-aware scheduling is one of these problematics. It consists of executing tasks such that a maximum temperature is never exceeded. This may lead to introduce additional idle times to cool down the system in order to prevent reaching the maximum temperature. As a first step, we propose in this thesis to adapt the solutions proposed for energy-harvesting systems to the thermal-aware model. Thus, we adapt the PFPasap algorithm to respect the thermal constraints and we propose a sufficient schedulability analysis based on worst-case response time upper bounds. Finally, we present YARTISS: the simulation tool used to evaluate the theoretical results presented in this dissertation

La conception des systèmes embarqués est une tâche complexe. Les ingénieurs sont confrontés à divers contraintes liées à la technologie, au coût,à la complexité et aux contraintes de sécurité. Toutes ces contraintes ont un grand impact sur l’architecture du système et par conséquence sur le coût final. Nous proposons dans cette thèse une approche pour la conception des système et l’optimisation de l’architecture guidée par les contraintes de sécurité et de coût. Elle s’agit d’une approche de synthèse de l’architecture qui prend en compte les contraintes de sécurité dans le contexte du standard ISO 26262. Elle permet, d’une part, d’atteindre une architecture préliminaire du système en choisissant les éléments de l’architecture permettant de réduire le coût global. D’autre part, elle conduit à une allocation des fonctions aux éléments de l’architecture qui respecte les contraintes liées aux niveaux de sécurité et les défaillances de ces éléments. Nous utilisons des algorithmes exhaustive et génétique pour l’exploration de l’espace de conception. En l’appliquant sur un cas d’étude industriel, nous démontrons sa contribution pour parvenir à la conception conforme et sa capacité à réduire les coûts entraîne par les contraintes de sécurité / The embedded system design is a challenging task. The engineers are faced with technological, cost, complexity and safety constraints. These constraints have a big impact on the system architecture and consequently on the final cost. we propose in this thesis an approach for system design and architecture optimization driven by safety and cost constraints. It consists of an architecture synthesis approach that takes into account the safety constraints in the ISO 26262 context. It allows, at one hand, to reach a system preliminary architecture by choosing the architecture elements that reduce the overall cost. On the other hand, it leads to a functions mapping that respects the safety constraints related to the integrity levels and to the dependent failures. We use exhaustive and genetic algorithm for the design space exploration. By applying it on an industrial study-case we demonstrate its contribution in reaching compliant design and its capability in reducing the safety constraints costs.

Il y a un intérêt croissant pour le développement d'applications sur les plates-formes multiprocesseurs homo- et hétérogènes en raison de l'extension de leur champ d'application et de l'apparition des puces many-core, telles que Kalray MPPA-256 (256 cœurs) ou TEGRA X1 de NVIDIA (256 GPU et 8 cœurs 64 bits CPU). Étant donné l'ampleur de ces nouveaux systèmes massivement parallèles, la mise en œuvre des applications sur ces plates-formes 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). Dans ce contexte, les Modèles de Calcul (MdC) flot de données ont été développés pour faciliter la conception de ces applications. Ces MdC sont par définition composées de filtres qui échangent des flux de données via des liens de communication. Ces modèles fournissent une représentation intuitive des applications flot de données, tout en exposant le parallélisme de tâches de l’application. En outre, ils fournissent des capacités d'analyse statique pour la vivacité et l’exécution en mémoire bornée. Cependant, de nouvelles applications de signalisation et de traitement des médias complexes présentent souvent plusieurs défis majeurs qui ne correspondent pas aux restrictions des modèles flot de données statiques classiques: 1) Comment fournir des services garantis contre des interférences inévitables qui peuvent affecter des performances temps réel ?, et 2) Comment ces langages flot de données qui sont souvent trop statiques pourraient répondre aux besoins des applications embarquées émergentes, qui nécessitent une exécution plus dynamique et plus dépendante du contexte ? Pour faire face au premier défi, nous proposons un ordonnancement hybride, nommé Self-Timed Periodic (STP), qui relie des MdC flot de données classiques et des modèles de tâches temps réel. Cet ordonnancement peut aussi être considéré comme un modèle d'exécution combinant l'ordonnancement classique dirigé seulement par les contraintes de dépendance d'exécution appelé Self-Timed Scheduling (STS), évalué comme le plus approprié pour des applications modélisées sous forme de graphes flot de données, avec l'ordonnancement périodique: STS améliore les indicateurs de performance des programmes, tandis que le modèle périodique capture les aspects de synchronisation. Nous avons évalué la performance de notre ordonnancement sur un ensemble de 10 applications et nous avons constaté que dans la plupart des cas, notre approche donne une amélioration significative de la latence par rapport à un ordonnancement purement périodique ou Strictly Periodic Scheduling (SPS), et rivalise bien avec STS. Les expériences montrent également que, pour presque tous les cas de test, STP donne un débit optimal. Sur la base de ces résultats, nous avons évalué la latence entre le temps d'initiation de tous les deux acteurs dépendants, et nous avons introduit une approche basée sur la latence pour le traitement des flux à tolérance de pannes modélisée comme un graphe Cyclo-Static Dataflow (CSDF), dans le but d'aborder des problèmes de défaillance de nœud ou de réseau… / There is an increasing interest in developing applications on homo- and heterogeneous multiprocessor platforms due to their broad availability and the appearance of many-core chips, such as the MPPA-256 chip from Kalray (256 cores) or TEGRA X1 from NVIDIA (256 GPU and 8 64-bit CPU cores). Given the scale of these new massively parallel systems, programming languages based on the dataflow model of computation have strong assets in the race for productivity and scalability, meeting the requirements in terms of parallelism, functional determinism, temporal and spatial data reuse in these systems. However, new complex signal and media processing applications often display several major challenges that do not fit the classical static restrictions: 1) How to provide guaranteed services against unavoidable interferences which can affect real-time performance?, and 2) How these streaming languages which are often too static could meet the needs of emerging embedded applications, such as context- and data-dependent dynamic adaptation? To tackle the first challenge, we propose and evaluate an analytical scheduling framework that bridges classical dataflow MoCs and real-time task models. In this framework, we introduce a new scheduling policy noted Self-Timed Periodic (STP), which is an execution model combining Self-Timed scheduling (STS), considered as the most appropriate for streaming applications modeled as data-flow graphs, with periodic scheduling: STS improves the performance metrics of the programs, while the periodic model captures the timing aspects. We evaluate the performance of our scheduling policy for a set of 10 real-life streaming applications and find that in most of the cases, our approach gives a significant improvement in latency compared to the Strictly Periodic Schedule (SPS), and competes well with STS. The experiments also show that, for more than 90% of the benchmarks, STP scheduling results in optimal throughput. Based on these results, we evaluate the latency between initiation times of any two dependent actors, and we introduce a latency-based approach for fault-tolerant stream processing modeled as a Cyclo-Static Dataflow (CSDF) graph, addressing the problem of node or network failures. For the second challenge, we introduce a new dynamic Model of Computation (MoC), called Transaction Parameterized Dataflow (TPDF), extending CSDF with parametric rates and a new type of control actor, channel and port to express dynamic changes of the graph topology and time-triggered semantics. TPDF is designed to be statically analyzable regarding the essential deadlock and boundedness properties, while avoiding the aforementioned restrictions of decidable dataflow models. Moreover, we demonstrate that TPDF can be used to accurately model task timing requirements in a great variety of situations and introduce a static scheduling heuristic to map TPDF to massively parallel embedded platforms. We validate the model and associated methods using a set of realistic applications and random graphs, demonstrating significant buffer size and performance improvements (e.g., throughput) compared to state of the art models including Cyclo-Static Dataflow (CSDF) and Scenario-Aware Dataflow (SADF).

La vision par ordinateur est primordiale pour la compréhension et l’analyse d’une scène routière afin de construire des systèmes d’aide à la conduite (ADAS) plus intelligents. Cependant, l’implémentation de ces systèmes dans un réel environnement automobile et loin d’être simple. En effet, ces applications nécessitent une haute performance de calcul en plus d’une précision algorithmique. Pour répondre à ces exigences, de nouvelles architectures hétérogènes sont apparues. Elles sont composées de plusieurs unités de traitement avec différentes technologies de calcul parallèle: GPU, accélérateurs dédiés, etc. Pour mieux exploiter les performances de ces architectures, différents langages sont nécessaires en fonction du modèle d’exécution parallèle. Dans cette thèse, nous étudions diverses méthodologies de programmation parallèle. Nous utilisons une étude de cas complexe basée sur la stéréo-vision. Nous présentons les caractéristiques et les limites de chaque approche. Nous évaluons ensuite les outils employés principalement en terme de performances de calcul et de difficulté de programmation. Le retour de ce travail de recherche est crucial pour le développement de futurs algorithmes de traitement d’images en adéquation avec les architectures parallèles avec un meilleur compromis entre les performances de calcul, la précision algorithmique et la difficulté de programmation. / Computer Vision (CV) is crucial for understanding and analyzing the driving scene to build more intelligent Advanced Driver Assistance Systems (ADAS). However, implementing CV-based ADAS in a real automotive environment is not straightforward. Indeed, CV algorithms combine the challenges of high computing performance and algorithm accuracy. To respond to these requirements, new heterogeneous circuits are developed. They consist of several processing units with different parallel computing technologies as GPU, dedicated accelerators, etc. To better exploit the performances of such architectures, different languages are required depending on the underlying parallel execution model. In this work, we investigate various parallel programming methodologies based on a complex case study of stereo vision. We introduce the relevant features and limitations of each approach. We evaluate the employed programming tools mainly in terms of computation performances and programming productivity. The feedback of this research is crucial for the development of future CV algorithms in adequacy with parallel architectures with a best compromise between computing performance, algorithm accuracy and programming efforts.

Nous proposons un système dedétection et de suivi des personnes enmouvement dans des grands espaces. Notresolution repose sur un réseau de camérasintelligentes pour l'extraction desinformations spatio-temporelles despersonnes. Les caméras sont composées d'uncapteur 3D, d'un système embarqué et decommunication. Nous avons montrél'efficacité du placement des capteurs 3D enposition zénithale par rapport auxoccultations et variations d’échelle.Nous garantissons l'exécution des traitementsen temps-réel (~20 fps), permettantde détecter des déplacements rapides avecune précision jusqu’à 99 %, et capable d’unfiltrage paramétrique des cibles non désiréescomme les enfants ou les caddies.Nous avons réalisé une étude sur la viabilitétechnologique des résultats pour de grandsespaces, rendant la solution industrialisable / We propose a detection and trackingsystem of people moving in large spacessystem. Our solution is based on a network ofsmart cameras capable of retrievingspatiotemporal information from the observedpeople. These smart cameras are composed bya 3d sensor, an onboard system and acommunication and power supply system. Weexposed the efficacy of the overhead positionto decreasing the occlusion and the scale'svariation.Finally, we carried out a study on the use ofspace, and a global trajectories analysis ofrecovered information by our and otherssystems, able to track people in large andcomplex spaces.

De nos jours, les systèmes embarqués sont les éléments Cœurs des Systèmes avioniques. De plus en plus de fonctions sont intégrées et de ce fait leurs complexités croît. Afin que cette complexité puisse rester maîtrisable, l’architecture des systèmes avionique a également évolué de façon à minimiser les interactions entre les équipements. Cette évolution des Architectures a introduit, au niveau avionique, la notion de réseau largement répandue dans le monde dit « consumer ». Nos travaux de Recherche ont pour but d’accompagner cette évolution architecturale en minimisant l’impact des ruptures technologiques qu’il a été nécessaire d’introduire afin de supporter cette évolution. Pour cela, nous proposons une approche qui va nous permettre de dé-risquer chaque nouvelle brique technologique avant son introduction au sein des Systèmes Embarqués. Cette introduction pourra donc être réalisée en ayant au préalable défini les conditions ainsi que les limites d’utilisation de chaque nouvelle technologie, qu’elle soit matérielle et/ou logicielle. / Nowadays, Embedded Systems are key elements of the Avionic Systems. As more and more functions are integrated, their complexity goes increasing. In order to keep mastering this complexity, Avionic Systems Architecture has also evolved so as to minimize the interactions between equipment. This evolution of the Architectures introduced, at the avionic level, the notion of network widely spread in the consumer domain. Our research works aim at accompanying this architectural evolution by minimizing the impact of the technological breakthroughs which were necessary to introduce to support this evolution. For that purpose, we propose an approach which is going to allow us to derisk every new technological brick before its introduction within the Embedded Systems. This introduction can thus be performed by having beforehand defined the conditions as well as the limits of use of every new technology that it is Hardware and/or Software.