Jacques Gangloff, Loïc Cuvillon. 15 février 2008

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1 Systèmes temps réel et systèmes embarqués Systèmes embarqués Jacques Gangloff, Loïc Cuvillon 15 février 2008 Plan Plan Table des matières 1 Introduction Plan du cours Définition Concepts de base Statistiques / tendances Exemples d utilisation Avantages/Inconvénients de linux Le matériel Le processeur Le stockage non volatile Programmation d un système embarqué La compilation croisée Emulation Introduction 1.1 Plan du cours Introduction Définition Concepts de base Statistiques / tendances Exemples d applications Avantages / inconvénients de Linux Références Le matériel 1

2 Le processeur La mémoire non volatile Programmation d un système embarqué La compilation croisée Emulation Exemples Le Zaurus L émulateur QEMU Compilation sous ARM 1.2 Définition Définition Un système embarqué (Embedded system en anglais) désigne un matériel électronique comprenant au moins un microprocesseur (ou microcontrôleur) et un logiciel dédié à sa gestion. Exemples de systèmes embarqués : téléphone mobile, navigateur GPS, routeur ethernet, lecteur de DVD, contrôleur d injection moteur, télécommande, électroménager, Concepts de base Contraintes Les systèmes embarqués ont des contraintes spécifiques : Coût très bas Encombrement réduit Robustesse aux chocs, à la température, à l humidité. Autonomie donc faible consommation Bonnes performances Temps de démarrage court Caractéristiques Ces contraintes entraînent des caractéristiques particulières : Stockage de masse sans entraînement mécanique (robustesse aux chocs, consommation, temps de démarrage) Processeurs basse consommation (consommation, dissipation) Mémoire vive et mémoire de masse de taille limitée (coût, encombrement, temps de démarrage) Processeurs avec fonctionnalités minimum (coût, consommation, encombrement) Processeurs intégrant plusieurs fonctions (system on chip ou SoS) 1.4 Statistiques / tendances Types de processeurs 2

3 Historique de l utilisation des processeurs Types de processeurs Tendances futures d utilisation des processeurs Utilisation commerciale de linux 3

4 Historique d utilisation de versions commerciales de linux embarqué Utilisation de linux pour l embarqué Linux pour l embarqué comparé à d autres OS 1.5 Exemples d utilisation Par domaine d application PDA / tablettes : Zaurus, Nokia N800, XO, Sony MYLO... Téléphones : Motorola, NEC, Panasonic,... Robotique : nomadic, barrett robotics, HRP Audio/Vidéo : Lecteur de DVD Dlink, convertisseurs Hauppage, pinnacle audio athenaeum, caméra wifi TRENDNET Modems / routeurs Wifi : pratiquement tous Autres : PlayStation 1,2,3, GPS TomTom, FreeBox, caméra intelligente Sony XCI-SX1 1.6 Avantages/Inconvénients de linux Avantages de linux 4

5 Gratuit Multi-plateformes Sources disponible (nombreux exemples) Outils de développement performants Adapté aux processeurs sans MMU Robuste Version temps-réel Inconvénients de linux Pas de support technique contractuel Obligation de publier les sources (pas de module binaire dans le noyau) Pas adapté aux systèmes à taille mémoire très réduite Références kadionik/embedded/embeddedlinux.html kadionik/formation....../embeddedlinux/introduction.html Linux magazine hors série No 25, Avril/Mai Le matériel 2.1 Le processeur Processeur embarqué Les principales architectures : ARM, MIPS, PowerPC, x86 Plusieurs déclinaisons : fréquences, fonctionnalités, performances ne sont pas les mêmes en fonction des fondeurs. Une caractéristique que partage beaucoup de CPU embarqués est l absence de MMU (Memory Management Unit) Fonctionnalités de la MMU Traduction adressage virtuel-adressage physique : rend possible l utilisation d un swap. Protection matérielle des accès mémoire : des limites peuvent être définies par processus et en cas de violation le processeur génère une interruption. Avantages/Inconvénients d un CPU sans MMU Avantages Simplicité du processeur : la surface du processeur est 30% plus réduite. Plus rapide : le changement de contexte n inclut pas la protection mémoire. Accès complet au matériel sans restriction Supporté dans linux 2.6 de manière native. Inconvénients 5

6 Pas de protection de la mémoire : un processus user peut corrompre tout le système. Débugage délicat. Pas de swap. Consommation importante de la mémoire qui devient fragmentée. uclinux Version de linux fonctionnant sur CPU sans MMU Léger : le noyau 2.6 uclinux fait moins de 300 Ko XIP : execution In Place permet d exécuter du code dans la mémoire flash. Gain de mémoire vive. Fonctionnalités similaires à un linux classique : API linux complète, noyau préemptif, multithreading, grand nombre de processeurs supportés. uclibc : version modifiée de libc pour uclinux. 2.2 Le stockage non volatile 2 technologies Mémoire flash NOR ou NAND. Principe : piéger des électrons dans la grille d un transistor MOS. Durée théorique du piégeage : 10 ans. NOR : rapide en lecture, lent en écriture, permet XIP. NAND : lecture par bloc, plus endurant que la NOR (environ 10x plus de cycles). Gestion des erreurs : micro-contrôleur embarqué (SD-card, MemoryStick, CFcards) ou géré directement par l OS (jffs2 sous linux). Débits d une SD-card en 2007 : environ 30 Mo/s en lecture et 20 Mo/s en écriture. 3 Programmation d un système embarqué 3.1 La compilation croisée La compilation croisée Compilation effectuée sur une machine puissante avec code assembleur généré pour le CPU du sustème embarqué. Le code est transmis au système embarqué par une procédure du flashage. La compilation est rarement réalisée sur le système embarqué lui-même car il n inclut pas les outils de développement très consommateurs de place. L environnement de compilation croisée s appelle toolchain. 3.2 Emulation Emulation Pour accélérer le développement on peut développer le système dans un émulateur (Qemu, Bochs, VMWare,...) On peut brancher un débogueur sur l émulateur On peut figer la machine virtuelle dans un état On peut démarrer plusieurs machines virtuelles sur la même machine physique 6

7 Limitation : le matériel émulé ne se comporte pas tout à fait comme le matériel réel 7

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