Distribution of an integrated modular architecture in a helicopter context

Les architectures modulaires intégrées (IMA) sont une évolution majeure de l'architecture des systèmes avioniques. Elles permettent à plusieurs systèmes de se partager des ressources matérielles sans interférer dans leur fonctionnement grâce à un partitionnement spatial (zones mémoires prédéfinies) et temporel (ordonnancement statique) dans les processeurs ainsi qu'une réservation des ressources sur les réseaux empruntés. Ces allocations statiques permettent de vérifier le déterminisme général des différents systèmes: chaque système doit respecter des exigences de bout-en-bout dans une architecture asynchrone. Une étude pire cas permet d'évaluer les situations amenant aux limites du système et de vérifier que les exigences de bouten- bout sont satisfaites dans tous les cas. Les architectures IMA utilisés dans les avions centralisent physiquement des modules de calcul puissants dans des baies avioniques. Dans le cadre d'une étude de cas hélicoptère, ces baies ne sont pas envisageables pour des raisons d'encombrement: des processeurs moins puissants, utilisés à plus de 80%, composent ces architectures. Pour ajouter de nouvelles fonctionnalités ainsi que de nouveaux équipements, le souhait est de distribuer la puissance de traitement sur un plus grand nombre de processeurs dans le cadre d'une architecture globale asynchrone. Deux problématiques fortes ont été mises en avant tout au long de cette thèse. La première est la répartition des fonctions avioniques associée à une contrainte d'ordonnancement hors-ligne sur les différents processeurs. La deuxième est la satisfaction des exigences de communication de bout-en-bout, dépendantes de l'allocation et l'ordonnancement des fonctions ainsi que des latences de communication sur les réseaux. La contribution majeure de cette thèse est la recherche d'un compromis entre la distribution des architectures IMA sur un plus grand nombre de processeurs et la satisfaction des exigences de communication de bout-en-bout. Nous répondons à cet enjeu de la manière suivante: - Nous formalisons dans un premier temps un modèle de partitions communicantes tenant en compte des contraintes d'allocation et d'ordonnancement des partitions d'une part et des contraintes de communication de bout-en-bout entre partitions d'autre part. - Nous présentons dans un deuxième temps une recherche exhaustive des architectures valides. Nous proposons l'allocation successive des fonctions avioniques en considérant au même niveau la problématique d'ordonnancement et la satisfaction des exigences de bout-en-bout avec des latences de communication figées. Cette méthode itérative permet de construire des allocations de partitions partiellement valides. La construction des ordonnancements dans chacun des processeurs est cependant une démarche coûteuse dans le cadre d'une recherche exhaustive. - Nous avons conçu dans un troisième temps une heuristique gloutonne pour réduire l'espace de recherche associé aux ordonnancements. Elle permet de répondre aux enjeux de distribution d'une architecture IMA dans un contexte hélicoptère. - Nous nous intéressons dans un quatrième temps à l'impact des latences de communication de bout-en-bout sur des architectures distribuées données. Nous proposons pour celles-ci les choix de réseaux basés sur les latences de communication admissibles entre les différentes fonctions avioniques. Les méthodes que nous proposons répondent au besoin industriel de l'étude de cas hélicoptère, ainsi qu'à celui de systèmes de plus grande taille.Integrated Modular Architectures (IMA) is a major evolution of avionics systems. A spatial (predefined memory zones) and temporal (off-line scheduling) partitioning as well as communication resources reservation permit several systems not to interfere in this architecture. The determinism of systems is proved thanks to these static allocations: each system must respect end-to-end requirements in an asynchronous architecture. A worst-case study permits to assess the bounds of systems in order to verify that end-to-end requirements are satisfied in all the cases. IMA architectures physically centralize powerful computing resources in avionics bays in aircraft. These aren't feasible in helicopters due to size reasons: powerless processors, at least 80% used, set these architectures. In order to add new functionalities and equipment, the aim is to distribute processing power over a larger number of processors in the context of a globally asynchronous architecture. Two strong issues have been advanced throughout this thesis. The first one is the distribution of avionics functions with an off-line scheduling constraint on the different processors. The second one is the satisfaction of end-to-end requirements, depending on allocation and scheduling of functions as well as communication latencies over the networks. This thesis proposes a trade-off between the distribution of IMA architectures on a larger number of processors and the satisfaction of end-to-end communication requirements. We answer at this topic as follows: - First, we formalize a communicating partitions model based on the partitions allocation and scheduling constraints on the one hand and end-to-end communication constraints on the other hand. - Second, we present an exhaustive search of valid architectures. We introduce a successive allocation of avionics functions considering altogether the scheduling and the satisfaction of end-to-end constraints with fixed communication latencies. This iterative method allows the building of partially valid allocations schemes, but the scheduling search is expensive here. - Third, we create a greedy heuristic to reduce the scheduling search space. It permits to meet the challenges of the distribution of IMA architecture in a helicopter context. - Finally, we focus on the impact of end-to-end communication latencies on given distributed architectures. We define for them the networks based on eligible communication latencies between the different avionics functions. Our methods answer the industrial case study needs as well as bigger size systems needs