Flot de conception pour le développement rigoureux des systèmes embarqués en réseau

par Alexios Lekidis

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Dorel Marius Bozga.

Le président du jury était Ahmed Lbath.

Le jury était composé de Smail Niar.

Les rapporteurs étaient Roman Obermaisser, Roberto Passerone.


  • Résumé

    Au cours des dernières années, l'utilisation d’appareils embarqués a augmenté rapidement en raison de la commodité qu'ils offrent dans la vie quotidienne. Les appareils embarqués se caractérisent par leur petite taille, leur portabilité ainsi que leur capacité d'échanger des données avec d'autres appareils grâce à leur service de communication réseau. L'analyse du comportement et les interactions entre ces appareils a abouti dans l'établissement d’un nouveau type de système, appelé systèmes embarqués en réseau.En tant que la popularité actuelle des systèmes embarqués en réseau grandissent, il y a une tendance de relever leurs défis de conception existants afin de développer d'applications fonctionnelles. Ces défis concernent l'utilisation de leurs ressources matérielles limitées (p.ex. la mémoire du processeur, l'unité d'alimentation) et l'hétérogénéité du système en termes de logiciel, de matériel et aussi des mécanismes d'interaction entre les appareils. A cet effet, dans cette thèse nous présentons une approche rigoureuse considérant tous les défis grâce à un flot de conception basée sur techniques de modélisation. Le flot utilise le formalisme BIP pour la construction hiérarchique de systèmes autour de composants et il est facilement utilisé, car chaque étape est entièrement automatisée par des outils et méthodes développés. En plus, ce flot perme la simulation des systèmes à chaque étape de développement, la vérification par l'exploration de l'espace de conception, la génération de code et la calibration des modèles développés, afin de présenter fidèlement le système réel. Les modèles calibrés peuvent analyser la performance de system et aussi valider des exigences sur le system. Finalement, les résultats d'analyse de performance peuvent apporter des améliorations sur la conception de système cible.Notre approche est présenté sur plusieurs bien connus domaines applicatifs des systèmes embarqués en réseau, comme les systèmes automobiles, les systèmes de l'automation industrielle, les systèmes de réseaux de capteurs sans fil (WSN systèmes) et les systèmes pour l'internet des objets (IoT systèmes). Chaque domaine inclut différentes caractéristiques et technologies, mais dispose également différent défis. Ces défis sont considérés par les outils développés pour chaque domaine, qui sont validées contre les outils existantes, comme MATLAB/Simulink, RTaW-Sim, OPNET Modeler et Cooja. La validation se fait grâce à les cas d’études sur les applications industrielles ou les benchmark réalistes des systèmes embarqués en réseau. Nos expérimentations illustrent le soutien d'une meilleure analyse par les outils développés en fournissant d'abord résultats similaires pendant la simulation et en plus les capacités de génération automatique de code et la vérification des exigences.

  • Titre traduit

    Design flow for the rigorous development of networked embedded systems


  • Résumé

    Over the latest years the use of embedded devices has expanded rapidly due to the convenience they offer in daily life. Embedded devices are characterized by their tiny size, their portability as well as their ability to exchange data with other devices through a dedicated network unit. The analysis of the behavior and interactions between such devices lead to the emergence of a new system type, called networked embedded systems.As the current popularity of networked embedded systems grows, there is a trend for addressing their existing design challenges in the development of functional applications. These challenges relate to the use of their limited hardware resources (e.g. processor memory, power unit) and the system heterogeneity in terms of software, hardware as well as communication mechanisms between the embedded devices. To this end, in this thesis we present a rigorous approach considering all the design challenges through a model-based design flow. The flow uses BIP as an underlying framework for the hierarchical construction of component-based systems and it is easily employed, as each step is fully supported by developed tools and methods. Its benefits include early-stage simulation and testing, verification of functional correctness, generation of deployable code and collection of performance data from real executions, in order to calibrate the developed models. Calibrated models represent faithfully the real system and can analyze system performance as well as evaluate accurately system requirements. Additionally, performance analysis results may provide design enhancements in the target system.Our approach is demonstrated in several well-known application domains of networked embedded systems, namely the automotive, industrial automation, Wireless Sensor Network (WSN) and Internet of Things (IoT) systems. Each domain includes different characteristics and technologies, but also features different challenges. These challenges are considered by developed tools for each domain, which are validated against existing domain-specific, such as MATLAB/Simulink, RTaW-Sim, OPNET Modeler and Cooja. The validation is facilitated through case-studies in industrial or benchmark networked embedded systems. Our experiments illustrate the support of a better fine-grained analysis from the developed tools by initially providing similar simulation results and additionally offering capabilities for automated code generation as well as requirement verification.


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