Communication dans un système embarqué

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1 Communication dans un système embarqué L USB, Universal Serial Bus Les cartes SD Protocoles TCP/IP : cas de l Ethernet Le 6lowPan Benjamin Bonny Guillaume Normand Loïc Raucy Theodoros Theodoropoulos 04/03/2011 Communication dans un système embarqué 1

2 L USB dans les systèmes embarqués 04/03/2011 Communication dans un système embarqué 2

3 Principales caractéristiques: Architecture Architecture arborescente : Un hôte unique (le PC) Des périphériques (souris, disque dur, notre carte avec STM32!) Des hubs qui redistribuent le signal et filtrent selon les vitesses Jusqu à 127 périphériques connectés en même temps Branchement à chaud autorisés Fournit une alimentation de 5V, 500mA maximum 4 broches : Alimentation, masse, et données (D+ et D- : transmission différentielle) 04/03/2011 Communication dans un système embarqué 3

4 Principales caractéristiques : Vitesse USB 1.1 : 2 modes de fonctionnement Full Speed : 12 Mbit/s Low Speed : 1,5 Mbit/s USB 2.0 : 3 modes Les deux précités High Speed : 480 Mbit/s 04/03/2011 Communication dans un système embarqué 4

5 Branchement d un périphérique Le périphérique doit indiquer sa vitesse D+ à 3.3V (pull up) : Full Speed D- à 3.3V : Low Speed Un périphérique High Speed se connecte en Full Speed, puis indique à l hôte qu il est High Speed lors du reset L hôte identifie le périphérique grâce aux VID & PID, et charge le pilote correspondant 04/03/2011 Communication dans un système embarqué 5

6 Protocole de communication L hôte dirige tous les échanges Envoi d un paquet jeton pour décrire ce qui suit, et à qui il s adresse Envoi/réception de la charge utile Paquet d acquittement (positif ou négatif) Paquet SOF (Start Of Frame) toutes les ms, pour garder la connexion active 04/03/2011 Communication dans un système embarqué 6

7 Les Endpoints Ils sont spécifiques au périphérique, et sont l interface entre celui-ci et l hôte : L hôte s adresse à des endpoints, dans lesquels il écrit ou lit Le périphérique communique avec l hôte à travers ces endpoints Ils sont créés par le périphérique, et communiqués à l hôte Tout périphérique doit avoir un endpoint 0, pour la première communication 04/03/2011 Communication dans un système embarqué 7

8 4 types de endpoints Endpoint de contrôle Pour commander les périphériques, configurer, etc. Endpoint d interruption Permet au périphérique de générer des interruptions malgré le fait que les transmissions sont commandées par l hôte : latence garanti Endpoint de transfert isochrone Pour des transferts périodiques et dépendants du temps (Flux vidéo, audio ) : bande passante et latence garantis Endpoint de transfert bulk Pour des données de taille conséquente, qui arrivent en rafale (ex : image provenant d un scanner). Importance du CRC, détection d erreur et renvoi. 04/03/2011 Communication dans un système embarqué 8

9 L USB dans un STM32 1 à 16 endpoints (8 si bidirectionnels, 16 monodirectionnels) Réalisation en hardware : Du CRC & du bit stuffing Mise en forme des transactions Gestion des transferts isochrones et bulk, avec double buffer Gestion de la suspension/reprise de l usb 04/03/2011 Communication dans un système embarqué 9

10 L USB dans un STM32 Transfert via des buffers Double buffer : Pour les endpoint bidirectionnels : un pour la réception, un pour l envoi Pour le bulk & isochrone: double buffering 04/03/2011 Communication dans un système embarqué 10

11 Comment utiliser l USB dans un STM32? ST met à disposition une bibliothèque destinée à l utilisation de l USB sur son STM32 : T/FIRMWARE/um0424.zip Ainsi qu un manuel pour son utilisation : RATURE/USER_MANUAL/CD pdf 04/03/2011 Communication dans un système embarqué 11

12 Les cartes SD C est la carte la plus utilisé dans les systèmes embarqués: appareils photo, lecteurs mp3, GPS, téléphones portables Faible coût (moins de 5 pour 2Gb) Grande mémoire NAND (jusqu à 64Gb) Simplicité d utilisation Marketing 04/03/2011 Communication dans un système embarqué 12

13 Les cartes SD Plusieurs types: SD, SDHC, SDXC Plusieurs tailles: microsd, minisd, SD Plusieurs vitesses: - jusqu à 15MB/s (répartie en classes) 3,3V (possibilité de passer en 1,8V) DRM: Anecdotique 04/03/2011 Communication dans un système embarqué 13

14 Les cartes SD Interface: Entre 8 et 11 ports Maitre/esclave échange de données dans les deux sens Envoi de commande hôte. Réponse de la carte. Utilisation comme une mémoire flash ou en utilisant un système de fichier fat (16 ou 32) 04/03/2011 Communication dans un système embarqué 14

15 Les cartes SD Protocoles: 2 façons d accéder/écrire les données: Via le protocole SPI. Via le protocole SD (1bit et 4bits) 04/03/2011 Communication dans un système embarqué 15

16 Les cartes SD Via le protocole SPI Une bibliothèque libre pour stm32: ChaN's FAT-Module 04/03/2011 Communication dans un système embarqué 16

17 Les cartes SD Via le protocole SD: 3 types de signaux: CLK: 1 bit pour l horloge CMD: 1 bit pour les commandes/réponse DAT: 1 ou 4 bits pour l échange de données 04/03/2011 Communication dans un système embarqué 17

18 Les cartes SD Les commandes: Bit # Value Name Start bit for commands, 0 for responses Transmitter bit Command ID Argument CRC Stop bit Les données: Bit # Value Name Start bit *8 Data bits CRC Stop bit 04/03/2011 Communication dans un système embarqué 18

19 Les cartes SD Mise en œuvre sur un stm32 via l interface hôte. 04/03/2011 Communication dans un système embarqué 19

20 Les cartes SD Échange de données: 04/03/2011 Communication dans un système embarqué 20

21 Pile TCP/IP embarquée Application Transport Réseau Liaison STMP, POP TCP/UDP IP/ICMP Ethernet Ethernet = Une couche MAC et une couche PHY. Couche PHY = Transmission effective des signaux électriques. (A besoin d un RJ45 pour recevoir les données) Couche MAC = Délimiter Trame + Ajout adresse MAC. 04/03/2011 Communication dans un système embarqué 21

22 Pourquoi implémenter TCP/IP sur un micro contrôleur? Micro serveurs (si peu d informations) Entrées/Sorties sur un module embarqué Volonté de récupérer des infos 04/03/2011 Communication dans un système embarqué 22

23 STM32 STM32F103 Pas de couche MAC ni PHY : besoin d un microchip Ethernet (ex : ENC 28J60) 8ko de RAM (buffer) Très compact STM32 Master SPI ENC28J60 Slave Si CS est en 1 : travail en cours Si en 0 : repos. 04/03/2011 Communication dans un système embarqué 23

24 STM32 STM32F105/F107 Besoin d un PHYceiver (ex: ICS1890) et de se connecter à un RJ45. 04/03/2011 Communication dans un système embarqué 24

25 Piles TCP/IP gratuites NicheLite Petit et rapide Le driver Ethernet envoie des données 04/03/2011 Communication ST Application dans un système Note embarqué 3000 p19 25

26 ST Application Note 3000 p45 On a des fichiers de configuration pour les communications avec Ethernet. 04/03/2011 Communication dans un système embarqué 26

27 Piles TCP/IP gratuites uip / lwip Peu de ressources utilisées (40ko en ROM) Moins complet (TCP, IP, ICMP, UDP, ARP) 2 API pour programmer. Protosocket API: proche du BSD Socket. Besoin d un OS (tel RTOS) Raw API : plus bas niveau que Protosocket meilleures performances, plus complexe. 04/03/2011 Communication dans un système embarqué 27

28 lwip utilise un fichier ethernetif.c qui permet de faire le lien entre la pile et le controleur Ethernet. (C est un squelette à compléter.) 04/03/2011 Communication dans un système embarqué 28

29 IPv6 Il n y a plus de place pour les adresses IPv4. D où création de NAT et adresses privées. Désormais : énormément d adresses. Une adresse par périphérique est envisageable. Simplification des en-têtes de paquets Routage plus évident. 04/03/2011 Communication dans un système embarqué 29

30 6loWPan: IPv6 au-dessus des réseaux sans fil à puissance faible 04/03/2011 Communication dans un système embarqué 30

31 Contenu Introduction LoWPan couche réseaux Plates-formes disponibles Limitations 04/03/2011 Communication dans un système embarqué 31

32 Introduction 6Lowpan=IPv6 au dessus de réseaux sans fil à faible puissance. -Intégration Internet des Systèmes Embarqués sans fil -Des Flux End to End -Standards ouverts Applications -Automatisation Bâtiment -Santé -Automatisation Industrielle -Agriculture -Amusement 04/03/2011 Communication dans un système embarqué 32

33 Réseau sans fil à faible taux Structures des réseaux Réseaux Etoile. Réseaux Peer to peer. Full Function Device Reduced Function Device Device 04/03/2011 Communication dans un système embarqué 33

34 Types de nœuds -FFD=Full Function Devices responsables de l arbitration. -RFD=Reduced Function Devices orientés plus application Définition de la Couche physique - Possibilité de sélection entre 20kb/s, 40kb/s, 100kb/s, 250kb/s -Types de modulation simples au niveau du matériel: BPSK, QPSK, ASK. Définition de la couche Mac. -Mécanisme de CSMACA (Carrier Sense Multiple Access/Collition Avoidance) pour l accès au medium de communication. -Mécanisme de Guaranteed Time Slots permet une limite basse de communication assurée. - 04/03/2011 Communication dans un système embarqué 34

35 6LowPan couche réseau Pourquoi maintenant? -Avec IPv6 il n y a pas besoin des mécanismes de NAT ou DCHP pour l adressage IP. -Dérivée de l adresse IP à partir de l adresse Mac.(Stateless Autoconfiguration) -Routage et management simple. Problème principal de l intégration de l IP aux Low rate Personal Area networks : la taille du paquet maximum de la couche du dessous MTU=127bytes IP MTU=1280 octets 04/03/2011 Communication dans un système embarqué 35

36 6LowPan couche réseau Solution : la compression du IP header. -La compression est basse du fait qu il y a une association directe entre l adresse MAC et l adresse IP. -Le préfixe de l adresse globale est connu par tous les nœuds du sous-réseau. -Le préfixe de l adresse du Link est connu par tous les nœuds du réseau 6lowpan. 04/03/2011 Communication dans un système embarqué 36

37 6LowPan couche réseau Si la compression n est pas suffisante la norme décrit la possibilité de fragmenter les paquets IP. 04/03/2011 Communication dans un système embarqué 37

38 Plates-formes Disponibles Nanostack Ecrit sur les services fournis par FreeRtos Nanostack 1.1 est ouvert Drivers pour les modules radio TI CC2420 et CC2430. Applications Socket Api FreeRtos UDP/ICMP 6LoWPAN CC /03/2011 Communication dans un système embarqué 38

39 Plates-formes disponibles Nous pourrions utiliser les contrôleurs MAC-PHY TI CC2420, CC2430, utilisant le SPI pour la configuration et la communication STM32-TI CC2420 STM32 Master SPI TI CC2420, CC2430 Slave 04/03/2011 Communication dans un système embarqué 39

40 Limitations La couche de Transport utilisée est principalement UDP. -Taille minimum de TCP Header=20 octets. -Taille de UDP=8 octets - Logique : plus simple en UDP. - Pas besoin de stocker les messages envoyés jusqu à la réception d un ACK. 04/03/2011 Communication dans un système embarqué 40

41 Bibliographie USB in a NutShell : sb1.shtml Reference Manual des STM32F103xx 04/03/2011 Communication dans un système embarqué 41

42 Bibliographie Sources: ol.html ds/ 04/03/2011 Communication dans un système embarqué 42

43 Q?? 04/03/2011 Communication dans un système embarqué 43