Pour réduire les coûts des systèmes embarqués, ces derniers sont livrés avec des micro-processeurs peu puissants. Ces processeurs sont dédiés à l'exécution de tâches calculatoires dont certaines, comme la transformée de Fourier rapide, peuvent s'avérer exigeantes en termes de ressources de calcul. Afin que les implémentations de ces algorithmes soient efficaces, les programmeurs utilisent l'arithmétique à virgule fixe qui est plus adaptée aux processeurs dépourvus d'unité flottante. Cependant, ils se retrouvent confrontés à deux difficultés: D'abord, coder en virgule fixe est fastidieux et exige que le programmeur gère tous les détails arithmétiques. Ensuite, et en raison de la faible dynamique des nombres à virgule fixe par rapport aux nombres flottants, les calculs en fixe sont souvent perçus comme intrinsèquement peu précis. La première partie de cette thèse propose une méthodologie pour dépasser ces deux limitations. Elle montre comment concevoir et mettre en œuvre des outils pour générer automatiquement des programmes en virgule fixe. Ensuite, afin de rassurer l'utilisateur quant à la qualité numérique des codes synthétisés, des certificats sont générés qui fournissent des bornes sur les erreurs d'arrondi. La deuxième partie de cette thèse est dédiée à l'étude des compromis lors de la génération de programmes en virgule fixe pour les briques d'algèbre linéaire. Des données expérimentales y sont fournies sur la synthèse de code pour la multiplication et l'inversion matricielles. / To be cost effective, embedded systems are shipped with low-end micro-processors. These processors are dedicated to one or few tasks that are highly demanding on computational resources. Examples of widely deployed tasks include the fast Fourier transform, convolutions, and digital filters. For these tasks to run efficiently, embedded systems programmers favor fixed-point arithmetic over the standardized and costly floating-point arithmetic. However, they are faced with two difficulties: First, writing fixed-point codes is tedious and requires that the programmer must be in charge of every arithmetical detail. Second, because of the low dynamic range of fixed-point numbers compared to floating-point numbers, there is a persistent belief that fixed-point computations are inherently inaccurate. The first part of this thesis addresses these two limitations as follows: It shows how to design and implement tools to automatically synthesize fixed-point programs. Next, to strengthen the user's confidence in the synthesized codes, analytic methods are suggested to generate certificates. These certificates can be checked using a formal verification tool, and assert that the rounding errors of the generated codes are indeed below a given threshold. The second part of the thesis is a study of the trade-offs involved when generating fixed-point code for linear algebra basic blocks. It gives experimental data on fixed-point synthesis for matrix multiplication and matrix inversion through Cholesky decomposition.

Depuis l'apparition des premiers ordinateurs, l'arithmétique flottante a énormément évolué. La norme IEEE 754 a permis de fixer les caractéristiques de l'arithmétique des ordinateurs modernes, mais les scientifiques perdent de plus en plus vite le contrôle de la validité de leurs calculs. Malgré l'énorme travail associé à la définition des opérations, la validation des calculs ne peut toujours pas être assurée de façon certaine par l'arithmétique implantée sur les ordinateurs. Je présente dans la première partie de cette étude deux prolongements qui visent à augmenter la marge de validité des opérations : un nouveau mode d'arrondi pour les fonctions trigonométriques et un codage efficace des intervalles accessible facilement à l'utilisateur. Je présente aussi dans cette partie une étude détaillée de la fonction unit in the last place et la probabilité d'absorption ou de propagation des erreurs dans une chaîne de multiplication. Ces travaux, qui viennent s'ajouter aux travaux antérieurs d'autres équipes de recherche et aux solutions que j'ai proposées dans ma thèse de master montrent les bénéfices que l'on pourra tirer des deux extensions présentées. L'arithmétique en-ligne permet de gérer efficacement les problèmes de précision, mais les opérateurs élémentaires utilisés sont peu adaptés aux architectures modernes de 32 ou 64 bits. L'implantation efficace d'un opérateur en-ligne ne peut que passer par la description d'un circuit de bas niveau. Les prédiffusés actifs, terme français utilisé pour Field Programmable Gate Array, sont des composants spéciaux programmables au niveau des portes logiques. Ils permettent d'abaisser les coûts de production en évitant de fabriquer un prototype. Nous avons implanté grâce à ces technologies les opérateurs simples de calcul en-ligne : addition, normalisation, etc...Le Noyau Arithmétique de Calcul En-Ligne (Nacel) décrit dans ce mémoire permet d'implanter les opérations arithmétiques usuelles telles que la multiplication, la division, l'extraction de racine carrée et les fonctions élémentaires trigonométriques et hyperboliques par une approximation polynômiale. Les architectures à flots de données sont insensibles aux difficultés sur lesquelles butent les concepteurs des ordinateurs modernes : temps d'accès à la mémoire, latence de communication, occupation partielle du pipeline d'instructions. Je décris dans ce document le mode de fonctionnement d'une machine virtuelle appelée Petite Unité de Calcul En-ligne (Puce). Par une gestion adaptée des étiquettes inspirée pour le contrôle des données de celle utilisée par la Manchester Data Flow Machine, Puce reproduit le comportement complet d'une machine à flot de données. Elle comprend de plus les opérations en-ligne de calcul scientifique. Nous présentons afin de valider le modèle d'évaluation de Puce les résultats de simulations logicielles pour une ou plusieurs unités fonctionnelles.

Thèse doctorat : Traitement du signal et télécommunications : Rennes 1 : 2008. Thèse doctorat : Traitement du signal et télécommunications : Université de Laval (Québec) : 2008. / Titre provenant de la page du titre du document électronique. Bibliogr. p. 177-182.

Le sujet de cette thèse est le développement de méthodes pour la découverte automatique des propriétés des variables numériques d'un programme. Nous nous plaçons dans le cadre de l'interprétation abstraite et introduisons plusieurs nouveaux domaines numériques, dont celui des octogones, de coût et de précision intermédiaires entre les domaines non relationnels (peu précis) et relationnels (coûteux) existants. Nous présentons leur adaptation à l'analyse des nombres à virgule flottante, jusqu'à présent limitée aux domaines non relationnels. Enfin, nous présentons les méthodes génériques de linéarisation et de propagation symbolique améliorant leur précision pour un surcoût réduit. Les méthodes introduites dans cette thèse ont été intégr! ées à l'analyseur Astrée et appliquées à la preuve d'absence d'erreurs dans le logiciel embarqué critique de commande de vol des avions Airbus A340, justifiant ainsi l'intérêt de nos méthodes pour des cadres d'applications réelles.

Cette thèse fait une étude sur deux moyens d'enrichir l'environnement flottant courant : le premier est d'obtenir plusieurs versions d'implantation pour chaque fonction mathématique, le deuxième est de fournir des opérations de la norme IEEE754, qui permettent de mélanger les entrées et la sortie dans les bases différentes. Comme la quantité de versions différentes pour chaque fonction mathématique est énorme, ce travail se concentre sur la génération du code. Notre générateur de code adresse une large variété de fonctions: il produit les implantations paramétrées pour les fonctions définies par l'utilisateur. Il peut être vu comme un générateur de fonctions boîtes-noires. Ce travail inclut un nouvel algorithme pour le découpage de domaine et une tentative de remplacer les branchements pendant la reconstruction par un polynôme. Le nouveau découpage de domaines produit moins de sous-domaines et les degrés polynomiaux sur les sous-domaines adjacents ne varient pas beaucoup. Pour fournir les implantations vectorisables il faut éviter les branchements if-else pendant la reconstruction. Depuis la révision de la norme IEEE754 en 2008, il est devenu possible de mélanger des nombres de différentes précisions dans une opération. Par contre, il n'y a aucun mécanisme qui permettrait de mélanger les nombres dans des bases différentes dans une opération. La recherche dans l'arithmétique en base mixte a commencé par les pires cas pour le FMA. Un nouvel algorithme pour convertir une suite de caractères décimaux du longueur arbitraire en nombre flottant binaire est présenté. Il est indépendant du mode d'arrondi actuel et produit un résultat correctement arrondi. / This work investigates two ways of enlarging the current floating-point environment. The first is to support several implementation versions of each mathematical function (elementary such as $\exp$ or $\log$ and special such as $\erf$ or $\Gamma$), the second one is to provide IEEE754 operations that mix the inputs and the output of different \radixes. As the number of various implementations for each mathematical function is large, this work is focused on code generation. Our code generator supports the huge variety of functions: it generates parametrized implementations for the user-specified functions. So it may be considered as a black-box function generator. This work contains a novel algorithm for domain splitting and an approach to replace branching on reconstruction by a polynomial. This new domain splitting algorithm produces less subdomains and the polynomial degrees on adjacent subdomains do not change much. To produce vectorizable implementations, if-else statements on the reconstruction step have to be avoided. Since the revision of the IEEE754 Standard in 2008 it is possible to mix numbers of different precisions in one operation. However, there is no mechanism that allows users to mix numbers of different radices in one operation. This research starts an examination ofmixed-radix arithmetic with the worst cases search for FMA. A novel algorithm to convert a decimal character sequence of arbitrary length to a binary floating-point number is presented. It is independent of currently-set rounding mode and produces correctly-rounded results.

L'arithmétique des ordinateurs est une branche de l'informatique qui traite des systèmes de représentation des nombres, des algorithmes arithmétiques et de leurs implantations matérielles ou logicielles. Cette thèse porte sur l'étude et l'implantation matérielle d'opérateurs pour l'évaluation de fonctions pour des applications spécifiques en traitement du signal et des images et en cryptographie. La première partie présente des opérateurs d'évaluation de fonctions basés sur des approximations polynomiales qui demandent peu de matériel. La seconde partie étudie la génération automatique d'opérateurs à base d'additions et décalages (type SRT) pour l'évaluation de certaines fonctions algébriques. Enfin, la dernière partie présente une implantation efficace et compacte des fonctions de hachage cryptographique de la famille SHA-2. Les différents opérateurs proposés dans cette thèse ont tous été validés sur des circuits FPGA.

Il est important que les logiciels pilotant les systèmes critiques (avions, centrales nucléaires, etc.) fonctionnent correctement — alors que la plupart des systèmes informatisés de la vie courante (micro-ordinateur, distributeur de billets, téléphone portable) ont des dysfonctionnements visibles. Il ne s'agit pas là d'un simple problème d'ingéniérie : on sait depuis les travaux de Turing et de Cook que la preuve de propriétés de bon fonctionnement sur les programmes est un problème intrinsèquement difficile.<br /><br />Pour résoudre ce problème , il faut des méthodes à la fois efficaces (coûts en temps et en mémoire modérés), sûres (qui trouvent tous les problèmes possibles) et précises (qui fournissent peu d'avertissements pour des problèmes inexistants). La recherche de ce compromis nécessite des recherches faisant appel à des domaines aussi divers que la logique formelle, l'analyse numérique ou l'algorithmique « classique ».<br /><br />De 2002 à 2007 j'ai participé au développement de l'outil d'analyse statique Astrée. Ceci m'a suggéré quelques développements annexes, à la fois théoriques et pratiques (utilisation de techniques de preuve formelle, analyse de filtres numériques...). Plus récemment, je me suis intéressé à l'analyse modulaire de propriétés numériques et aux applications en analyse de programme de techniques de résolution sous contrainte (programmation semidéfinie, techniques SAT et SAT modulo théorie).

L'arithmétique des ordinateurs est une branche de l'informatique qui traite des systèmes de représentation des nombres, des algorithmes arithmétiques et de leurs implantations matérielles ou logicielles. Cette thèse porte sur l'étude et l'implantation matérielle d'opérateurs pour l'évaluation de fonctions en traitement du signal et des images. Sont présentés successivement un générateur d'opérateurs optimisés pour la division, des études portant sur un algorithme d'évaluation de fonctions au moyen d'approximations par fractions rationnelles, et des opérateurs d'évaluation de fonctions basés sur des approximations polynomiales qui demandent peu de matériel. Les différents opérateurs proposés dans cette thèse ont tous été validés sur des circuits FPGA.

Les systèmes informatiques permettent d'évaluer des fonctions numériques telles que f = exp, sin, arccos, etc. Cette thèse s'intéresse au processus d'implémentation de ces fonctions. Suivant la cible visée (logiciel ou matériel, faible ou grande précision), les problèmes qui se posent sont différents, mais l'objectif est toujours d'obtenir l'implémentation la plus efficace possible. Nous étudions d'abord, à travers un exemple, les problèmes qui se posent dans le cas où la précision est arbitraire. Lorsque, à l'inverse, la précision est connue d'avance, la fonction f est souvent remplacée par un polynôme d'approximation p. Un tel polynôme peut ensuite être évalué très efficacement en machine. En pratique, les coefficients de p doivent être représentables sur un nombre fini donné de bits. Nous proposons un ensemble d'algorithmes (certains sont heuristiques, d'autres rigoureux) pour trouver de très bons polynômes d'approximation répondant à cette contrainte. Ces résultats s'étendent au cas où la fonction d'approximation est une fraction rationnelle. Une fois p trouvé, il faut prouver que l'erreur |p-f| n'excède pas un certain seuil. La nature particulière de la fonction p-f (soustraction de deux fonctions très proches) rend cette propriété difficile à prouver rigoureusement. Nous proposons un algorithme capable de contourner cette difficulté. Tous ces algorithmes ont été intégrés au logiciel Sollya, développé pendant la thèse. À l'origine conçu pour faciliter l'implémentation de fonctions, ce logiciel s'adresse à présent à toute personne souhaitant faire des calculs numériques dans un cadre complètement fiable.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Systèmes industriels : Toulouse, INPT : 2007. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. 111 réf.