Université d Ibn Khaldoun Tiaret Département Informatique

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1 Université d Ibn Khaldoun Tiaret Département Informatique Présenté par : AIT ABDERRAHIM IMENE

2 I) Introduction : L objectif de cet article est de présenter les systèmes embarqués afin de se familiariser avec ce type de systèmes, et en fin nous citons quelques domaines de recherche pour ce type de systèmes. II) Qu est-ce que les systèmes embarqué? Les systèmes embarqués nous entourent et nous sommes envahis par eux, il suffit e regarder au tour de soit pour avoir la réponse sous vos yeux. Vous êtes réveillé le matin par votre radioréveil ; c est un système embarqué programmez votre machine à café pour avoir un bon capuccino ; c est un système embarqué, et on peut continuer à donner d autres exemple des systèmes embarqué croisés dans la vie quotidienne. Un système embarqué est un système informatique déployé dans le monde physique, il ne possède généralement pas des entrées/sorties comme un clavier ou écran d ordinateur, le système matériel et l application étant intimement liés, mais il capte des informations de son environnement, s adapte et agit sur lui sans aucune ou presque aucune intervention humaine. La réalisation des systèmes embarqués réunit de nombreuses compétences (informatique, électronique, architecture de systèmes et mathématique). Elle invoque de prendre en compte l hétérogénéité des composants et des logiciels. Donc, si nous essayons de définir les systèmes embarqués : C est un système électronique et informatique autonome qui est dédié à une tâche bien précise. [1] III) L informatique embarquée? Il est bien de noter que l informatique change, elle évolue suivant le développement des multitudes d objets informatique conçues pour et par l utilisateur. Les informations cohabitent avec une informatique mobile dotée de forte capacité de communication comme dans les téléphones portables, les montres etc. L acceptation de ces objets nomades et communicants par les utilisateurs a été favorisée par leur grande ergonomie. Toutefois, l intégration de ces objets portables et communicants conduit vers de nouvelles problématiques tels que le développement des logiciels et des systèmes d exploitation embarqués pour mieux exploiter les spécificités et ls contraintes de ce domaine. Le logiciel embarqué doit être très proche du matériel sur lequel il fonctionne, comme il doit être facile à utiliser. En fin dans le cas d utilisation de la batterie, le logiciel enfoui doit supporter une gestion d énergie efficace lui permettant de fonctionner le plus longtemps possible. IV) Caractéristiques principales d un système embarqué : Les principales caractéristiques d un système embarqué sont les suivantes : C est un système principalement numérique. utilise généralement un processeur.

3 Exécute un logiciel dédié pour réaliser une fonctionnalité précise et n exécute donc pas une application scientifique ou grand public traditionnelle. Remplace souvent des composants électroniques. Il n a pas réellement de clavier standard (bouton poussoir, clavier matriciel, ). L affichage est limité (écran LCD, ) ou n existe pas du tout. Ce n est pas un PC, mais des architectures similaires(x86). De ce constat, nous pouvons voir les différences d un système embarqué avec un ordinateur de bureau : Un PC standard peut exécuter tout type d applications car il est généraliste, alors qu un système embarqué n exécute qu une application dédiée. L interface IHM peut être aussi simple qu une led qui clignote ou aussi complexe qu un système de vision de nuit temps réel. Des circuits numériques FPGA, ASIC ou des circuits analogiques sont utilisés de plus pour augmenter les performances du système ou sa faisabilité. V) Les 4 types des systèmes embarqués [2] : General computing : Application similaire à une application bureau mais empaquetée dans un système embarqué. Jeu vidéo, set-top box. Control systems: Contrôle de systèmes en temps réel. Moteur d automobile, process chimique, process nucléaire, système de navigation aérien. Signal processing : Calcul sur de grosses quantités de données. Radar, sonar, compression vidéo. Communication & Networking : Transmission d information et commutation. Téléphone, internet. VI) Domaines d application des systèmes embarqués : L électronique embarquée touche plusieurs domaines tels que : Le Transport : Automobile, Avionique, ITS (Intelligent Transport System)... La Communication : Mobile (UMTS, GPRS, GSM...), Guidage satellite (GPS), Télévision numérique....

4 Autres : Domestique (objets communicants), Applications Multimédia (Audio, Vidéo), Appliance (électronique à faible coût), Bio-informatique.... VII) Un système embarqué typique : La figure 1 nous présentons un modèle standard et typique d un système embarqué [3]: Nous trouvons en entrée des capteurs généralement analogiques couplés à des convertisseurs A/N. Nous trouvons en sortie des actionneurs généralement analogiques couplés à des convertisseurs N/A. Au milieu : le calculateur mettant en œuvre un processeur embarqué et ses périphériques d E/S. Il est à noter qu il est complété généralement par un circuit FPGA jouant le rôle de coprocesseur afin de proposer des accélérations matérielles à celui-ci. Nous trouvons, en fait, un beau système d asservissement entre les entrées et les sorties. Notons que l expression la plus simple de cette figure est de considérer comme capteurs, des interrupteurs et des actionneurs. Software FPGA Mémoire ASIC Capteurs Convertisseur A/N CPU Convertisseur A/N Actionneurs Interface Homme/Machine Port de diagnostique Systèmes auxiliaires (power, cooling) Sécurité & sauvegarde électromécanique Environnement externe Figure 1 : Schéma typique d un système embarqué [1]

5 VIII) Contraintes des systèmes embarqués : VIII.1 -Temps réel et Activités : Nous entendons souvent parler de temps réel dès qu on parle de systèmes embarqués. Le temps réel est un concept vague chacun a sa propre idée sur la question. Nous pourrions le définir comme : Un système est dit temps réel lorsque l information après acquisition et traitement reste encore pertinente. [1] Plus précisément, cela veut dire que dans le cas d une information arrivant de façon périodique (sous forme d une interruption périodique du système), les temps d acquisition et de traitement doivent rester inférieurs à la période de rafraîchissement de cette information. Un temps maximum d exécution est garanti (pire cas) et non un temps moyen. Pour cela, le noyau ou le système temps réel doit être : Soit déterministe : les mêmes causes produisent les mêmes effets avec les mêmes temps d exécution. Soit préemptif : la tâche de plus forte priorité prête à être exécutée doit toujours avoir accès au processeur. Ces conditions-là sont des conditions nécessaires mais pas suffisantes pour dire qu un système embarqué est temps réel par définition. Ces interactions contraignent les temps de réponse du système embarqué de manière plus ou moins forte selon le domaine d applications visé. On parle alors de système temps réel dans le sens ou le temps de livraison des résultats d un calcul fait partie intégrante de la spécification de ce dernier, au même titre que le résultat luimême. VIII.2 -Consommation énergétique : Une grande majorité des systèmes embarqués (téléphones cellulaires, ordinateurs de poche,...) sont confrontés au problème de l autonomie. Aussi, afin d étendre l autonomie de fonctionnement d un système deux approches complémentaires sont possibles : Augmenter la capacité de stockage des batteries. Réaliser un système embarqué à faible consommation énergétique. Dans le cadre de cette dernière approche, plusieurs méthodes sont alors envisagées qui touchent à la fois le domaine de l électronique et du logiciel, la conception de composants électroniques consommant le minimum d énergie, l optimisation du

6 logiciel afin de diminuer le coût énergétique de son exécution, et enfin la conception de stratégies logicielles exploitant les fonctionnalités du matériel. VIII.3 Mémoire : La mémoire est une ressource limitée dans un grand nombre de systèmes embarqués, et par conséquent une bonne utilisation de la ressource mémoire est cruciale pour ces systèmes. Une difficulté supplémentaire dans les systèmes embarqués est que la gestion de la mémoire soit compatible avec les contraintes temps réel des applications. VIII.4 -Tolérance aux fautes : Certains systèmes embarqués doivent pouvoir remplir leurs fonctions malgré la présence de fautes, qu elles soient d origine physique ou humaine. Les moyens pour la sûreté de fonctionnement, et plus spécifiquement les méthodes de tolérance aux fautes, permettant au système de remplir ses fonctions en dépit des fautes pouvant affecter ses composants, ont fait l objet de travaux fournis dans les trente dernières années pour des systèmes généralistes. Les difficultés issues du contexte embarqué sont relatives aux contraintes de temps des logiciels embarqués, ainsi qu aux ressources limitées de l architecture. Ceci contraint les types de méthodes de tolérance aux fautes utilisables dans un contexte embarqué temps réel. En particulier, dans les systèmes temps- réel, il est nécessaire d intégrer les mécanismes de tolérance aux fautes dans l analyse d ordonnancement du système. VIII.5 Hétérogénéité : Les systèmes embarqués sont généralement composés de partie logicielle et matérielle ; la partie logicielle concerne l application qui s exécute sur un processeur alors que la partie matérielle consiste un composant physique qui implémente une fonctionnalité spécifique. Cette hétérogénéité peut avoir plusieurs aspects comme : type de composants (CPU, mémoire, ASIC, etc...), protocole de communication utilisé (FIFO, etc...), type de donne échangée ou même la nature des composants (électronique, mécanique, optique), des composants d écrits dans différent langage ce qui ajoute un aspect d hétérogénéité en plus. VIII.6 Réutilisation : La réutilisation peut influencer l étape d exploitation architecturale d un système. Si le modèle ne facilite pas la réutilisation des composants de base, un changement du système implique un effort plus important de la part du concepteur pour réimplanter les adaptateurs de communication, pour cela, la réutilisation est devenue l issue principale

7 pour mener à bien la conception de système embarquée, on parle de la réutilisation des composant et d outils. VIII.7 - Contraintes de coût de communication : Nous avons tendance à négliger dans la conception de systèmes embarqués le coût de la communication, c est à dire le coût d envoi et de réception de messages entre les différents composants du système, surtout dans des systèmes embarqués traitants de l information multimédia ou de l information de routage ; et plus nous avançons dans ce domaine plus sera complexe l interconnexion entre les différents composants et par ricochet le coût de la communication augmente. Donc, l aspect Communication prend de plus en plus d importance dans le domaine embarqué et plus spécialement dans celui des systèmes embarqués multiprocesseurs mono puces MPSOC. VIII.8 -Adaptabilité aux environnements mobiles : Comme nous le savons tous maintenant, on peut trouver des systèmes embarqués dans des téléphones cellulaires, dans des systèmes de surveillances mobiles, dans des satellites, etc... ; En d autres termes, les systèmes embarqués s utilisent de plus en plus dans des environnements embarqués ; deux exemples d utilisation qui ont fait beaucoup parler d eux, et qui sont les réseaux ad hoc et les réseaux de capteurs. Nous remarquons rapidement l importance de l adaptabilité des systèmes embarqués aux environnements mobiles, et cet aspect induit à l apparition de nouveaux domaines de recherches ; la Mobilité des systèmes embarqués est une spécialité à part entière. IX) L art de bien concevoir un système embarqué [1]: C est bien l`a le point le plus excitant et qui est l essence même de ce sujet. Du point de vue technique, la conception d un système embarqué demande à son concepteur d être pluridisciplinaire : électronique, informatique, réseaux, sécurité n ont pas de secrets pour lui. Mais le concepteur se doit aussi d être un bon gestionnaire car concevoir un système embarqué revient finalement à un exercice d optimisation : minimiser les coûts de production pour des fonctionnalités optimales. Le système embarqué doit être : Robuste. Simple. La simplicité est gage de robustesse. Fiable. Fonctionnel Le système doit toujours fonctionner correctement. Sur surtout si la sécurité des personnes est en jeu.

8 Tolérant aux fautes. D autres contraintes sont aussi prises en compte : L encombrement. Le poids. Le packaging : difficulté de faire cohabiter dans un faible volume, électronique analogique, électronique numérique et RF sans interférences. L environnement extérieur. La consommation électrique : Le système embarqué nomade doit être faible consommation car il est alimenté par des batteries. Une consommation excessive augmente le prix de revient du système embarqué car il faut alors des batteries de plus forte capacité. Le coût. Beaucoup de systèmes embarqués sont fabriqués en grande série et doivent avoir des prix de revient extrêmement faibles. Le temps de développement. Dans un marché concurrentiel et de niches, il convient d avoir un système opérationnel le plus rapidement possible pour être le premier sur le marché. Devant toutes ces contraintes, le concepteur adopte des règles de bon sens : Faire simple. Utiliser ce que l on a déjà fait ou fait par d autres. On appellera cela pudiquement du design reuse. Ne pas se jeter sur les technologies dernier cri. Quelle est leur pérennité dans le temps? Ne pas se jeter sur le dernier composant sorti surtout s il est grand public. Quelle est sa pérennité dans le temps surtout si l on travaille pour la défense où l on demande une maintenance sur 30 ans! Utiliser des technologies éprouvées. Ces dernières peuvent d ailleurs avoir plusieurs générations de retard par rapport à leur homologue grand public. Pour le grand public, le concepteur de systèmes embarqués peut sembler faire de l inertie face aux nouvelles technologies mais il faut le comprendre : c est pour le bien du système qu il conçoit surtout si la sécurité des personnes est en jeu. Cela explique en partie le décollage difficile des logiciels libres et de Linux pour l embarqué.

9 Mais ceci est oublié, la déférence logiciels libres balaie une à une toutes les réticences. X) Domaines de Recherches Cette discipline offre aussi beaucoup de voix à la recherche, comme : Architecture, Compilation : Pour résoudre des problèmes tels que : Le parallélisme, la conception conjointe logiciel matériel, l ordonnancement, Mémoire, Taille du code, Communication sur la puce. Systèmes et protocoles : Les systèmes embarques utilisent des protocoles de communication spécifiques tels que ex-ray, TDMA ou CAN, projet Trio0). Formalisme et systèmes critiques : Les environnements temps réel nécessitent un formalisme vu la difficulté et la complexité des systèmes embarqués. XI) Conclusion : Nous voilà donc au terme de cette introduction sur les systèmes embarqués. Les points les plus importants vous ont été présentés. Les systèmes embarqués ont connu une évolution très importante depuis leurs créations jusqu à aujourd hui (surtout depuis l air des SOC jusqu à celle des NOC).

10 Bibliographie [1] Patrice Kadionik, les systèmes embarqués : une introduction, décembre [2] Patrice Kadionik, Les systèmes embarqués/linux pour l embarqué, [3] Mohamed Akli Redjdal,Abdelhak Oulhaci, Ordonnancement hiérarchique d application temps réel sur une architecture NOC, juillet 2009.