Allocation temporelle de systèmes avioniques modulaires embarqués

L'évolution des architectures des systèmes embarqués temps réel vers des architectures modulaires a permis d'introduire plus de fonctionnalités grâce à l'utilisation de calculateurs répartis et d'interfaces de communication et de service standardisés. Nous nous intéressons dans cette thèse à l'architecture avionique modulaire (IMA) des standards ARINC 653 et ARINC 664 partie 7. Cette évolution a introduit de nouveaux défis de conception relatifs, entre autres, au respect des contraintes temporelles applicatives nécessaires au bon fonctionnement du système. La conception d'un système modulaire est un problème d'intégration sous contraintes, qui regroupe plusieurs problèmes difficiles (dimensionnement, allocation de ressource spatiales et temporelles). Ces difficultés requièrent la mise en place d'outils d'aide à l'intégration qui passent à l'échelle. C'est dans ce cadre-là que ces travaux de thèse ont été menés. Nous nous intéressons principalement à l'allocation des ressources temporelles du système. Plus particulièrement, nous déterminons les périodes d'exécution des fonctions embarquées distribuées qui garantissent les contraintes temporelles applicatives et qui offrent un degré d'évolutivité du système élevé, étant donné une répartition des fonctions sur les calculateurs. Notre démarche prend en compte la variabilité temporelle (bornée) du réseau de communication La première contribution de cette thèse est la formulation du problème d'intégration d'un système modulaire IMA en un problème d'optimisation multi-critère à contraintes temporelles. Pour une distribution des fonctions avioniques aux calculateurs, la périodicité des partitions IMA est recherchée de façon à garantir la fraîcheur et la non-perte des données transmises. Parmi toutes les allocations temporelles vérifiant les contraintes temporelles, nous réalisons une recherche multi-critères qui optimise à la fois un critère de charge des calculateurs et de marge temporelle dans le réseau. Ces deux critères facilitent les évolutions futures de l’architecture. La seconde contribution de cette thèse est la proposition de deux heuristiques de recherche multi-critère adaptées à notre problème. Il faut noter que le nombre d'allocations temporelles valides grandit exponentiellement avec le nombre de modules et de partitions hébergées par module. Nous proposons deux algorithmes d'optimisation multi-critères : (i) EXHAUST, un algorithme optimal de recherche exhaustive, (ii) TABOU un algorithme semi-optimal basé sur une métaheuristique Tabou. Pour les deux algorithmes, la cardinalité du problème est réduite par une phase d'optimisation locale à chaque module, rendue possible par la linéarité des deux métriques choisies. Cette première étape d'optimisation locale permet de résoudre à l'optimal le problème d'allocation avec EXHAUST pour un système IMA de taille moyenne. Nous montrons que pour des systèmes de grande taille, l'algorithme TABOU est un très bon candidat car il extrait des solutions satisfaisantes en un temps raisonnable, tout en testant un nombre limité d'allocations valides. Ces deux heuristiques sont appliquées à un système IMA. L'analyse des solutions obtenues nous permet de mettre en exergue la qualité des solutions Pareto-optimales obtenues par les deux algorithmes. Elles présentent les caractéristiques recherchées d'évolutivité de la charge des calculateurs et de la marge réseau. Notre dernière contribution réside dans une analyse fine de ces solutions. L'analyse met en avant différentes classes de solutions Pareto-optimales avec différent compromis entre la charge et la marge réseau. La connaissance de ces classes de solutions permet à l'intégrateur de choisir une solution lui fournissant le compromis qu'il recherche entre les critères de charge et de marge réseau.