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Synthèse de haut-niveau de contrôleurs ultra-faible consommation ...

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tel-00553143, version 1 - 6 Jan 2011 Résumé Les réseaux de capteurs sont une technologie dont l’évolution est très rapide et avec un grand nombre d’applications potentielles dans des domaines variés (e.g. en médecine, en surveillance de l’environnement ou de structures, ou encore en contexte militaire). La conception d’une plateforme matérielle pour un nœud de capteur est un véritable défi car elle est soumise à des contraintes sévères. Par exemple, comme les nœuds doivent être de taille et de coût limités, il doivent comporter une capacité limitée d’énergie et ils s’appuient donc sur des sources d’énergie non rechargeables (e.g. piles) ou récupérées dans l’environnement (e.g. cellules photovoltaïques). Comme le réseau doit de plus pouvoir fonctionner sans intervention pendant une très longue durée (des mois voire des années), la consommation d’énergie est souvent considérée comme la contrainte la plus forte. De nos jours, ces dispositifs s’appuient principalement sur des microcontrôleurs à très faible consommation disponibles commercialement. Ces processeurs offrent des puissances de calcul raisonnable pour des coûts et une consommation limités. Cependant, ils ne sont pas nécessairement complètement adaptés au contexte des réseaux de capteurs car basés sur une structure de calcul monolithique et généraliste. Dans cette thèse, nous proposons un flot de conception depuis le niveau système pour une approche alternative et originale se basant sur le concept de micro-tâches matérielles avec coupure de la tension d’alimentation (power gating). Dans cette approche les parties calcul et contrôle d’un nœud de capteur sont constituées d’un ensemble de micro-tâches matérielles qui sont activées selon un principe événementiel, chacune étant dédiée à une tâche spécifique du système, telle que le relevé de paramètres, la couche MAC, le routage ou le traitement des données. En combinant la spécialisation du matériel avec la coupure d’alimentation, nous réduisons de façon significative les énergies dynamique et statique d’un dispositif. Suivant la philosophie de nombreux environnements logiciels de programmation des réseaux de capteurs, notre flot de conception utilise l’association d’un langage spécifique (DSL pour Domain Specific Language) pour les spécifications système (interactions entre micro-tâches, gestion des événements et des ressources partagées, etc.) et de C-ANSI pour spécifier le comportement de chaque micro-tâche. Partant de ces spécifications et en utilisant des approches MDE (Model Driven Engineering) et des techniques de compilation reciblables, notre flot génère une description VHDL synthétisable de l’ensemble du sous-système de contrôle et de calcul d’un nœud de capteur. Dans un but de validation expérimentale de l’approche, nous accomplissons tout d’abord des simulations au niveau transistor à l’aide de SPICE pour étudier les performances des coupures d’alimentation dans notre système. Ces coupures dynamiques au cours de l’exécution sont possibles avec des temps de commutation très faibles, de l’ordre de la centaine de nano-secondes. Ceci améliore les temps de réveil et de mise en veille d’au moins 50% en comparaison avec les microcontrôleurs à faible consommation. Un cas d’étude sur une application en réseau de capteurs a été spécifié puis synthétisé à l’aide de notre flot de conception matériel en un ensemble de micro-tâches associées à un moniteur système. Les résultats montrent que des gains en énergie dynamique d’un à deux ordres de grandeur sont possibles en comparaison avec des implémentations à base de microcontrôleurs comme le MSP430. De la même façon, des gains d’un ordre de grandeur en énergie statique sont également obtenus grâce à la réduction de l’espace mémoire et à l’utilisation de la coupure des tensions d’alimentation.

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