Systèmes embarqués Sylvain Tisserantsylvain.tisserant.perso.luminy.univ-amu.fr/embarque/cours 1.pdf · Systèmes embarqués - S. Tisserant - ESIL - 2009 Module Systèmes Embarqués

Introduction

Systèmes embarquésSylvain Tisserant

Systèmes embarqués - S. Tisserant - ESIL - 2009

Mes coordonnées

� Enseignant-Chercheur� Professeur à l’ESIL depuis sa création� Recherche en physique des particules

� Acquisition et traitement de données� Contrôle et commande d’appareillages� LHC et Atlas

� Centre de Physique des Particules de Marseille (CPPM)� Bureau : 343� Tél : 04 91 82 72 70� Mel : [email protected]� Web : http://marwww.in2p3.fr/~tisseran/

� http://marpix1.in2p3.fr/calo/my-web/ (en cas de pb)� Supports de cours :

� Traitement du signal : manuscrit rédigé� Systèmes embarqués : copie des transparents


Module Systèmes Embarqués

� Systèmes Temps Réel� Contraintes temporelles� Au cœur de la plupart des systèmes embarqués, même si

tous les systèmes embarqués ne sont pas temps réel� Traitement du signal

� Outil fréquemment rencontré dans systèmes embarqués en particulier pour contrôle-commande

� Systèmes embarqués� Contraintes matérielles� Support et interaction avec l’environnement� Spécificités de développement� Pour vous permettre de vous insérer dans une équipe

pluridisciplinaire� Carte à puce

� Un exemple très spécifique de systèmes embarqués (format physique, entrées-sorties, applications, sécurités, etc.)


Systèmes embarqués

� Cœur� Processeurs & mémoires� Logique programmable� Consommation

� Gestion des périphériques� Bus, interruptions, communication, pilotes

� Capteurs et actionneurs� Chaîne d’acquisition et contrôle-commande

� Développement� Moniteur, simulation, programmation et re-

programmation


Format des cours

� Cours : 20 h� Embarqué : 16 h + 4 h présentations� Signal : cours avec TD d’illustration ⇒ séances de 3 h

� TP : 8 h� A caser dans l’emploi du temps� Systèmes embarqués : approche élémentaire du Codesign

avec un produit Altera (FPGA et µP NIOS)� Traitement du signal : Octave (Matlab)

� Notation :� Pas d’examen� Contrôle continu (une question en 10-15’ au début de

certains cours) →→ 25 %25 %� Signal : compte-rendu TP →→ 75 %75 %� Embarqué : présentations →→ 75 %75 %


Format des cours (2)

� Notation (suite)� Présence aux cours et TP obligatoire� Note = note x (n-absences)/n� Si nécessaire nous nous adapterons pour la

grippe …� TD Traitement du signal

� Sur ordinateur portable (1 pour 2 étudiants)� Octave à installer (1ère séance)

� Téléphones portables éteints� PC fermés sauf pour TD signal


Présentations1. Un microcontrôleur ou DSP : PIC, 68K, ColdFire, PowerPC, etc.2. Architecture ARM3. Un système de développement4. Linux et l’embarqué5. Nouvelles mémoires vives6. Assistants personnels (PDA, PPC, etc.)7. WiFi dans les systèmes embarqués8. Ethernet dans les systèmes embarqués9. Embarqué dans l’automobile (bus de terrain, X-by-Wire, contrôle moteur, etc.)10. Identification radio-fréquence (RFID)11. GPS12. Java et les systèmes embarqués 13. Les bus de terrain et l’embarqué (par exemple automobile)14. Transmission de message ou d’alarme vers SMS, site web, etc.15. Un exemple de système embarqué (automobile, fusée Ariane, routeur, etc.)16. Fibre optique et utilisation embarquée (par exemple en aéronautique)17. Windows CE / Android18. Une console : Wii, etc.19. iPhone


Présentations (2)

� Liste non exhaustive :� Tout ce qui peut concerner l’embarqué sauf

Temps Réel et Carte à puce.� Répartition des sujets : 28 septembre� Soutenances : 26 octobre après-midi� Modifs EdT :

� 26 octobre :� Matin : 9h00-12h00 – Traitement du Signal� Après-midi : 14h00-18h00 – Embarqué

� ⇒ Un cours Embarqué en moins


Système embarqué : définition

� Système électronique et informatique autonome dédié à une tâche précise

� Interagit généralement avec son environnement� Peu ou pas d’interface utilisateur� Fortes contraintes :

� Consommation, encombrement, poids, dissipation thermique, etc.� Robustesse (sureté et sécurité), fiabilité, etc.� Temps de réponse� Coût, maintenance (contraintes sociales)

� S’oppose à l’informatique généraliste� Multi-usages et multi-utilisateurs

� Informatique embarquée :� Dès les années 80� Possibilité d’embarquer de l’intelligence ⇒ souplesse et évolution� Aujourd’hui : 5 % des CPU pour PC et 95 % pour emba rqué


Premier exemple : Automobile

� 5 % du marché mondial des semi-conducteurs� 65 aujourd’hui dans une Mercédès-Benz classe S

� moteur (richesse du mélange, injection, allumage, pollution, etc.)

� freins, tableau de bord, airbags, autoradio, vidéo, péage automatique, système de navigation, climatisation, régulateur de vitesse, direction, stabilisation, contrôle de trajectoire, détection d’obstacles, boîte de vitesse

� détection de sommeil, stop & go, etc.


Automobile (2)

� Dans un proche avenir� Coordination véhicule avec infrastructure routière� Coordination entre véhicules� Par exemple pour faciliter le trafic ou éviter les

collisions� Disparition des liaisons mécaniques traditionnelles

(colonne de direction, commande hydraulique, câble, etc.) est déjà programmée.

� Elles seront remplacées par des réseaux de modules électroniques contrôlant des actionneurs et des émulateurs (pour remplacer volant, pédales, etc.). On parle de technologie X-by-Wire.


Automobile (3)


Automobile (4)

� Arguments :� Sécurité : ABS meilleur que conducteur humain� Réduction consommation, amélioration rendement moteurs et

diminution pollution uniquement grâce au contrôle du moteur� Systèmes X-by-Wire offrent une très grande souplesse et

simplifient la conception des nouveaux modèles. Ils pourraient permettre un jour d’éviter automatiquement certaines collisions

� Fiabilité :� Toujours être capable d’arrêter un véhicule, mais ne pas

tomber en panne brutalement sur la file de gauche d’une autoroute.

� Communications :� Entre systèmes� Avec utilisateurs : conducteurs & garagistes



4 classes de systèmes embarqués

� Calcul généraliste� Similaire application bureau mais embarqué (assistant

personnel, téléphone portable, etc.)� Consoles de jeux vidéo, set-top box

� Contrôle de systèmes� Moteur, voiture, avion, processus chimique, nucléaire,

navigation, etc.� Traitement de signaux

� Compression vidéo, radar, flux de données, etc.� Réseaux et communications

� Transmission données, commutation, routage, téléphone, Internet, etc.


Classification non exclusive

� Système de navigation GPS� Acquisition et mise en forme (traitement ) des

informations satellites� Calcul d’itinéraire selon le moyen de transport

(voiture, bateau, avion, pédestre, …)� Affichage d’une carte


Quelques exemples

� Grand public :� Appareils photographiques et caméras, lecteurs DVD,

chauffage et climatisation, éclairage, électroménager, domotique, sécurité (incendie, intrusion, surveillance, piscine), ascenseurs, HiFi, audio et vidéo, consoles de jeux, décodeurs, etc.

� Transports :� Automobile, aéronautique, spatial, marine, assistance à la

conduite ou au pilotage, maintenance, signalisation, contrôle du trafic aérien, maritime (aujourd’hui aide, demain automatique, objectif trafic autoroutier), distributeur de billets, radar, etc.

� Défense :� Contrôle de trajectoire, lanceur, etc.


Quelques exemples (2)

� Secteur manufacturier et industrie :� Chaînes de production, automates, production et distribution

électricité, réacteurs chimiques, réacteurs nucléaires, raffineries, dispositifs de sécurité, aide à la maintenance, etc.

� Information et communication :� Imprimante, périphérique, téléphone, répondeur, fax,

Internet, routeurs, téléphonie mobile, satellites, GPS, etc.� Santé :

� Imagerie médicale, diagnostique, soins, implants, handicapés, etc.

� Autres :� Carte à puce, distributeurs, etc.


Enjeu économique

� Croissance 2001-2006� 7 % / an matériels et logiciels embarqués� 19 % / an OS pour l’embarqué

� Evolution du marché mondial� 4 milliards de systèmes embarqués en 2007� 16 milliards en 2010 et 40 milliards en 2020� 60 G€ / an (4 G€ en France), avec une croissance

annuelle de 14%� Evolution dans les années à venir :

� Systèmes complexes hétérogènes et répartis� Informatique ambiante (intelligence, autonomie,

mobilité et communication)


Stratégique pour le futur

� France et Europe en pointe dans ce domaine� Priorité de l’ANR (France) :

� AXE THEMATIQUE 1 : « ARCHITECTURES INTEGREES, MATERIELS ET LOGICIELS ASSOCIES »

� Effort de recherche considérable en Europe lancé en 2007 :� ARTEMIS : 2,5 G€ sur 10 ans (22/02/08)

� Idem en Asie (Japon, Corée et Chine)� Fiche métier Lesjeudis.com

� … Le développeur en systèmes embarqués, qui a pour mission de concevoir et d’intégrer des systèmes embarqués, est particulièrement courtisé…


Systèmes embarqués et Temps réel ?� Un système embarqué doit souvent respecter des contraintes

temporelles plus ou moins fortes� Il doit réagir dans un temps donné à certaines sollicitations� Temps réel : prédictibilité du temps de réponse� Par contre tous les systèmes embarqués ne sont pas temps réel

et vice-versa � Autre confusion : temps réel et puissance de calcul

� Coût est un paramètre pour la conception de toute architecture

� Référence : échelle de temps à respecter, parfois difficile à estimer a priori d’où la tendance à sur-dimensionner la puissance de calcul


Electronique ou informatique ?

� Implémentation matérielle :� Plus rapide mais plus chère� Obsolescence rapide des composants et des

techniques� Implémentation logicielle :

� Plus lent mais plus flexible et évolutif� Evolution vers toujours plus d’intégration (System

On Chip : système sur une puce)� Frontière de plus en plus floue avec par exemple

les circuits de logique programmable qui offrent rapidité et flexibilité


Electronique ou informatique ? (2)

� Paramètres du choix :� Coût global, fonctionnalité & performances, fiabilité,

robustesse, contraintes matérielles (poids, encombrement, consommation,…), environnement, durée de vie de l’application, délai de mise sur le marché, etc.

� Exemple du spatial : composants éprouvés mais de production de une ou quelques unités (obsolescence pas un problème)

� Approche traditionnelle de développement d’un système embarqué� Choix et développement de l’architecture matérielle :

composants, capteurs, processeur, etc.� Réalisation du logiciel pour réaliser l’application avec le

matériel


Electronique ou informatique ? (3)

� Complexité croissante� Systèmes de plus en plus complexes� Optimisation globale en plusieurs itérations� Correction des erreurs, maintenance et évolution des

systèmes� Temps de développement

� De plus en plus réduit� Participe au coût� Concurrence (appel d’offre, délai de mise sur le marché, …)� Exemple de l’industrie automobile : 1 à 2 ans aujourd’hui

pour 3 à 5 ans avant� Il ne faut pas sacrifier la fiabilité


Systèmes critiques

� La sûreté signifie que le système doit toujours être opérationnel.� Evaluer les risques et prendre les mesures nécessaires pour les

réduire et pour pouvoir intervenir correctement si l’un d’eux survient. � Redondance de certains composants� Mode de fonctionnement dégradé mais sûr qui permettra d’attendre

une intervention� Systèmes embarqués de plus en plus communicants ⇒ sécurité des

données ou protection contre attaques� On distingue plusieurs niveaux de criticité selon qu’un

dysfonctionnement met en jeu :� la sécurité des personnes (par ex : accident d’avion) ;� la réussite d’une mission (par ex : mauvaise trajectoire d’un satellite) ;� la réussite économique du produit (par ex : mise sur le marché tardive

d’une console de jeux) ;


Conception

� Nécessité d’une méthodologie rigoureuse� Quelques exemples malheureux même dans le spatial réputé pour

sa politique de contrôle qualité le prouvent� Conserver le niveau d’abstraction le plus longtemps possible� Modularité et décomposition en sous-systèmes suivant une

hiérarchie logique (approche objet)� Possibilité de réutilisation de certains modules� Evite de repartir de zéro

� CAO, outils de synthèse, simulation et vérification automatique, maîtrise des contraintes (temps, consommation, etc.)� Bibliothèques de composants matériels (IP) et logiciels


Hardware and Software Codesign� Méthodologie de conception de plus en plus utilisée pour

les systèmes embarqués� Conception simultanée du matériel et du logiciel pour une

fonctionnalité à réaliser� Permet de repousser le plus loin possible le choix du

matériel et d’optimiser l’architecture globale� Contrairement à la méthode traditionnelle, elle nécessite

de faire travailler les ingénieurs en collaboration dans des équipes à compétences multiples.


Etapes du codesign

Tests matériel, logicielTests d’intégration

Spécifications du système

Conception fonctionnelle

Partitionnement logiciel/matériel

Synthèse matérielleSynthèse logicielle

Co-simulation

Intégration

Documents

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