Conception de Systèmes Embarqués

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1 Conception de Systèmes Embarqués B. HAJJI ENSA, Université Mohammed Premier, Oujda, Maroc 1

2 Plan de l exposé Problématiques Qu est ce qu un système embarqué Domaines d application Contraintes des systèmes embarqués Méthodologie de conception Besoin en OS pour les systèmes embarqués Fondation d un système embarqué à base de FPGA Conclusion & perspective 2

3 Problématiques Complexité des systèmes embarqués Les systèmes numériques deviennent aujourd hui de plus en plus complexes au niveau intégration et fonctionnalités On est en mesure d intégrer tout dans un même puce Ceci est en fait lié à la loi empirique de Moore: pour une surface de silicium donnée, on double le nombre de transistors intégrés tous les 2 ans 3

4 Problématiques Les processeurs standards deviennent incapables de répondre aux exigences de ces systèmes Le choix d une architecture pour les systèmes embarqués doit être un compromis entre: Flexibilité Consommation réduite Performance Cout faible Rapidité de la consommation 4

5 Problématiques Les fonctionnalités peuvent être implantées dans des circuits spécifiques de types ASIC ou bien dans les circuits logiques programmables de type FPGA 5

6 Problématiques FPGA : Filed Programmable Gate Array Matrice de blocs logiques (ressources logiques) programmables reliés par un réseau d interconnexions aussi programmable 6

7 Problématiques Les circuits logiques programmables FPGA Alternatives aux ASIC Niveaux d intégration et performances correctes Cout et temps de développement intéressant 7

8 Qu est ce qu un SE Un système embarqué (Embedded system) peut être défini comme un système électronique et informatique autonome, qui est dédié à une tâche bien précise. Pas des entrées/sorties comme un clavier standard ou un écran d ordinateur Le système matériel et l application sont intimement liés et noyés dans le matériel et ne sont pas facilement discernables comme dans le cas d un PC Un système embarqué n est pas un PC Un système embarqué est un système qui contient : Au mois un microprocesseur (ou un microcontrôleur) Un logiciel dédié à sa gestion 8

9 L embarqué en quelques chiffres L utilisation des systèmes embarqués progresse au même rythme que les microprocesseurs: Processeurs de plus en plus rapides Puissants Bon marché Marché de l embarqué en

10 L embarqué en quelques chiffres En 2004: 14 Milliards de processeurs pour l embarqué(microprocesseur, microcontrôleur, DSP, etc) 260 millions de processeurs PC Moins de 2 % des processeurs vendus sont pour le marché du PC contre 98% pour l embarqué Pour les 98% autres processeurs vendu, on utilisera généralement un autre système d exploitation. 10

11 Domaines d application Contrôle de processus industriels (chaine de production, automates, ) Transport Avionique (Atterrissage, décollage,.. ) Trains, automobiles (ABS, Vitres, consommation, voiture hybride) Contrôle de navigation Télécommunication Satellites GPS Téléphone mobile 11

12 Domaines d application Un distributeur de billets: reçoit des informations des touches et de l écran tactile, ainsi que de la banque par liaison informatique décide de donner ou non des billets en fonction de l état du compte maintient un compteur du nombre de billets restant et donne éventuellement des billets au porteur de la carte Une carte à puce: reçoit des informations du lecteur de cartes à puce décide de valider ou non le code secret envoyé par le lecteur maintient un compteur du nombre de tentatives infructueuses et peut se bloquer 12

13 Systèmes embarqués typique 13

14 Caractéristiques des systèmes embarqués Un système embarqué: Réagit à des stimuli extérieurs Prend des décisions en fonction de ces stimuli et de son état interne Altère son état interne et agit de manière perceptible par l extérieur en fonction des décisions prises Généralement soumis à : Des contraintes temps réel Des contraintes liées à la consommation d énergie, dissipation de chaleur Peuvent être amenés à fonctionner dans des conditions extrêmes (température, humidité, ) Les aspects sécurité, fiabilité, tolérance aux fautes sont souvent cruciaux 14

15 Problématique de conception Comment concevoir un système embarqué complexe efficacement? Réponse proposée: Ne pas réinventer la roue Implication Faire du développement modulaire 07/04/

16 Contraintes des systèmes embarqués Le concepteur d un système embarqué doit être pluridisciplinaire: électronique, informatique, réseaux, Concevoir un système embarqué revient finalement à un exercice d optimisation: Minimiser les coûts de production pour des fonctionnalités optimales Un système embarqué doit être: Fiable et sécurisé Le système doit toujours fonctionner correctement sûreté à faible coût avec une redondance minimale Sûreté de fonctionnement du logiciel Système opérationnel même quand un composant électronique lâche 16

17 Contraintes des systèmes embarqués Faible consommation La consommation est un point critique pour les systèmes avec autonomie (alimenté par des batteries) Une consommation excessives augmente le prix de revient du système embarqué car il faut alors des batteries de forte capacité Coût très bas: Beaucoup de systèmes embarqués sont fabriqués en grande série et doivent avoir des prix de revient extrêmement faibles Optimisation du prix de revient Robustesse aux chocs, à la température, à l humidité, Les systèmes n évolue pas dans un environnement contrôlé (évolutions des caractéristiques des composants en fonction de l environnement) 17

18 Contraintes des systèmes embarqués Temps de développement court: 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. Packaging : Cohabiter dans un faible volume, électronique analogique, électronique numérique et RF sans interface 18

19 Etat de l art Solutions classiques : Microcontrôleur: Pour très bon marché Apprentissage rapide Développement rapide Contre Structure fixe Extensibilité difficile Code peu réutilisable 19

20 Etat de l art FPGA: Les systèmes embarqués mettent naturellement en œuvre des processeurs et des systèmes numériques spécifiques Le développement des FPGAs actuelles accélère encore cette alliance entre le logiciel et le matériel Ces circuits autorisent la conception de tout un système sur une puce programmable (SoPC) 20

21 Etat de l art Avantages des FPGA: Ils permettent l implantation d architectures numériques conséquentes (plusieurs millions de portes logiques) IL peut y configurer une IP de processeur (softcore): Nios II, Microblaze, etc Certains intègrent un cœur hard de processeur (ARM, PowerPC) Ils disposent de la plupart des contrôleurs de périphériques courants (VGA, UART, CNA/CAN, ) Ce sont des circuits versatiles, puissants, dont le contenu peut évoluer 21

22 Processeur Softcore Définition Un processeur softcore est un processeur implémenté en langage de description haut niveau(vhdl, Verilog, etc.) sur un réseau logique reprogrammable comme un FPGA. Pour quoi les softcores? Architecture flexible : Mise à jour Le code source peut être librement distribué et implanté dans n importe quel circuit programmable FPGA Portabilité vers n importe quel circuit FPGA : indépendance vis-à-vis du choix technologie Il est privilégie pour bénéficier des évolutions apportées en refaisant une synthèse 22

23 Quelques exemples de processeur Soft propriétaires open sources NIOS (ALREA) Micro blaze (XILINX) Mico8 (Lattice) Mico32 (Lattice) Pico blaze (XILINX) LEON (Gaisler Research) 23

24 Processeur Hardcore Description ciblée technologiquement Processeur performant Une puce Par contre: Cher Solution propriétaire Non portable: impossible de changer de cible 24

25 Soft & Hard core les deux?. Le matériel n offre pas la souplesse du logiciel Le logiciel n offre pas la puissance du matériel Les systèmes embarqués concilient les deux: Le processeur est très souvent le cœur du système Les fonctions critiques sont confiées à des circuits spécialisés Processeurs spécialisés (DSP, ASIP) Architecture matérielles (décodeurs MP3, MPG2, etc) On assiste à une véritable fusion des deux paradigmes grâce aux FPGAs modernes 25

26 Règles de conception des systèmes embarqués Face à des contraintes, le concepteur adopte les règles suivants: Règles de bon sens: Faire simple Utiliser ce que l on a déjà au fait par d autre: Desing reuse Utiliser de nouvelles méthodes de conception : Codesing Couplage fort entre le matériel et logiciel Utiliser des technologies éprouvées qui ont fait leur preuve 26

27 Co-design Les systèmes embarqués sont de plus en plus complexes une méthodologie rigoureuse de conception doit être maintenant mise ne œuvre : Codesing Le codesign permet de concevoir en même temps à la fois le matériel et le logiciel pour une fonctionnalité à implémenter. L apparition des modules IP, circuits électroniques sous forme logicielle a accentué l importance du co-design et du design reuse 27

28 Co-design & FPGA Cohabitation de deux ressources logicielle et matérielle sur une même puce Le logiciel est utilisé pour sa flexibilité. Le matériel (FPGA et ASIC.) est utilisé pour ses performances Plates formes SOC (Systèmes sur puce) ASIC SOPC (Système sur une puce Programmable) FPGA PSOC (Système sur puce programmable) 28

29 Co-design Le codesign permet de repousser le plus loin possible dans la conception du système les choix matériels à faire contrairement à l approche classique où les choix matériels sont faits en premier lieu Conception Traditionnelle: Codesign début début HW SW SW HW Réalisé par des ingénieurs indépendants Réalisé par des mêmes ingénieurs 29

30 Codesign L utilisation des deux technologies nécessite un changement dans le flot de conception: Développement du CoDesing Traditionnellement, le choix de l architecture est fait, puis le logiciel est développé pour coller à l architecture Le CoDesign consiste à dérouler l étape de conception sans préalablement partitionner le problème en deux flots distincts Processus de conception du système: garder un niveau d abstraction important le plus longtemps possible Système décomposé en sous-systèmes suivant une hiérarchie logique approche objet Si le design change, réutiliser une bonne partie design reuse Ne pas jeter à la poubelle un précédent design et repartir «from scratch» On doit pouvoir utiliser des outils de vérifications automatique 30

31 Co-design 31

32 Besoin en OS contraintes La logique programmée incluse dans les systèmes embarqués est de plus en plus complexe Une approche logicielle de type super boucle (boucle infinie +interruptions) devient trop sommaire pour gérer et maîtriser la complexité Solutions offerts par l OS Multitâches Abstraction du matériel Service haut niveau Maîtrise des contraintes temporelles (système Temps Réel). Développement de pilotes de périphérique (driver) simplifié pour pouvoir avoir accès aux accélérateurs matériels Possibilité de communications réseau : pour un contrôle du système à distance par exemple. 32

33 Linux en embarqué Pour quoi Linux embarqué Logiciel Libre, disponible gratuitement au niveau source Fiabilité reconnu du système Portabilité sur différentes plateformes matérielles système d exploitation multitâche système de fichiers disponible connectivité TCP/IP en standard Possibilité du Temps Réel 33

34 Quelques Systèmes embarqués Basées sur Linux MontaVista Linux BlueCat Linux(LynuxWorks) μclinux (open source) RTLinux (open source) ELDK(Embedded Linux Development Toolkit) maintenue par la société Allemande Denx Software Etc... 34

35 Cahier de charges 35

36 Outils d Altera 36

37 Outils Matériels Carte de développement DE2_70 37

38 Outils Logiciels 38

39 Phase de conception d un système embarqué à base de Nios II Partie1: Hardward (matérielle) Partie II: Software (logicielle) Partie I: Dans cette partie, nous allons essayer de décrire étape par étape l implémentation d un SoPC à base du processeur NIOS II: 39

40 Phase de conception d un système embarqué à base de Nios II Partie I: Dans cette partie, nous allons essayer de décrire étape par étape l implémentation d un SoPC à base du processeur NIOS II: Processeur Softcore Nios II Mémoires : 32 Mo SDRAM; 8Mo de mémoire FLASH JTAG UART: Protocole récent très utilisé dans le monde des systèmes embarqués. Il est surtout utilisé pour le débogage et le test d une carte numérique. PIO: Leds, boutons poussoirs, afficheur s 7 segments, afficheurs LCD de la carte cibles Bus Avalon Tiemers: Sont des compteurs qui permettent de mesurer le temps et de compter des événements qui arrivent (sur un pin par exemple, etc.) 40

41 Caractéristique du Nios II C est un microprocesseur 32 bits de type RISC (Remarque : Le NIOS I étant 16 bits) Ces instructions machines sont de 32 bits Pouvant avoir de 1 à 6 étages de pipelining Pouvant travailler jusqu à une fréquence de 200 MHz Possède 32 registres d usage général et 6 registres d usage particulier, tous les registres sont 32 bits Possibilité d intégré un multiplieur&diviseur hardware L ensemble consomme dans le FPGA en fonction des options choisi de à portes (notons que le FPGA sur la carte DE2-70 contient

42 Les 3 versions du processeurs Nios II Lors de la configuration du processeur Nios II avec l outil SoPC Builder, il est possible de choisir entre 3 versions du processeur II: Une première version Economy qui utilise moins de surface de silicium du composant FPGA Une deuxième version Standard qui permet un compromis entre surface et rapidité Enfin une dernière version Fast est la plus rapide des deux autres versions 42

43 PLL La SDRAM travaille avec un front descendant d horloge alors que le NIOS II travaille en front montant. Pour les synchroniser de façon stable on utilise une PLL numérique. 43

44 Etapes de conception d un système embarqué à base de Nios II Etape 1 : créer le projet en utilisant le logiciel Quartus. Dans cette partie on choisi la référence de l FPGA utilisé, le répertoire où on mettra notre projet et bien sûr lui donner un nom Etape 2: Puisque nous allons travailler en mode schématique, nous allons commencer par créer ce fichier en cliquant sur le menu «file» puis «news» et dans la fenêtre qui s ouvre nous choisissons «Block Diagramm/Schematic File» 44

45 Etapes de conception d un système embarqué à base de Nios II Etape 3: ouverture de SOPC Builder Après avoir créé le fichier schematic, nous ouvrons SOCP Builder dans le menu «tools» puis «sopc builder». Dans la fenêtre qui s ouvre, nous donnons un nom à notre système SOPC puis nous choisissons un langage entre Verilog ou VHDL, dans notre cas nous allons choisir VHDL. Et enfin on valide par «OK» 45

46 Etapes de conception d un système embarqué à base de Nios II Etape 4: Ajout du microprocesseur NIOS II Il est logique de commencer par ajouter le microprocesseur NIOS II puisqu il est la base de tout le système. Pour cela on clique sur le signe «+» où c est écrit «processors» puis on clique deux fois sur «NIOS II Processor». 46

47 Etapes de conception d un système embarqué à base de Nios II Etape 5: Ajout de SDRAM de 32 Mo Dans «Component Library» la partie gauche de SOPC Builder, on clique sur «Memories and Memory controllers» puis «SDRAM» en enfin deux fois sur «SDRAM Controller». 47

48 Etapes de conception d un système embarqué à base de Nios II Etape 6: Ajout de Timer Sont des compteurs Dans «Peripherals» puis «Microcontroller Peripherals» et on clique deux fois sur «Interval Timer». 48

49 Etapes de conception d un système embarqué à base de Nios II Etape 7: Ajout JTAG UART Protocole utilisé pour le débogage et le test d une carte numérique Dans «Interface Protocols» puis «Serial» on clique deux fois sur «JTAG UART» 49

50 Etapes de conception d un système embarqué à base de Nios II Etape 8: Ajout BUS Avalon Bus de communication entre le Nios II et ses périphériques Dans «Bridge and Adapters» puis «Memory Mapped» ensuite on clique deux fois sur «Avalon MM Tristate Bridge». 50

51 Etapes de conception d un système embarqué à base de Nios II Etape 9: Ajout de mémoire Flash Dans «Memories and Memory Controller», «Flash» puis deux fois sur «Flash Memory Interface (CFI)». 51

52 Etapes de conception d un système embarqué à base de Nios II Etape 10: Ajout de PIO Les PIO sont les interfaces d entrée/sortie parallèle, ex : Led, Switch, etc Dans «Peripherals» puis «Microcontroller Peripherals» et on clique deux fois sur «PIO Parallel IO». 52

53 Etapes de conception d un système embarqué à base de Nios II Etape 11: Finalisation du microprocesseur NIOS II A ce stage le microprocesseur NIOS n est pas encore complètement terminé et n est donc pas encore opérationnel. En effet nous devons encore choisir dans la quelle des mémoires installées seront placé le programme On clique deux fois sur le NIOS Installé dans SOPC Builder, puis dans «Reset Vector» et «exception Vector» on choisi la mémoire. Dans notre cas nous avons pris la SDRAM, généralement on choisi entre ce dernier ou le SRAM. 53

54 Système final obtenu dans SOPC BUILDER 54

55 Système final obtenu dans SOPC BUILDER 55

56 Partie II : Logiciel Outil de développement des logiciels pour le NIOS est le NIOS IDE, Le NIOS IDE permet de programmer avec trois langages qui sont le C, le C++ et l assembleur NIOS II. Etape 1 : création d un projet Menu «File» ensuite «News» et puis «Project». Et la fenêtre suivante apparaît et on choisit «NIOS II C/C++ Application» puis «Next». 56

57 Partie II : Logiciel Fichier : Typr.ptf Après avoir créé le projet nous avons normalement un répertoire nommé «altera.component» et deux autres répertoires dans la partie gauche de NIOS IDE, nous allons nous intéressé plus sur ces deux derniers. 57

58 Partie II : Logiciel Ecriture et compilation du premier programme Pour créer notre premier programme, on clique droite sur le répertoire qui a le même nom que notre projet puis «new» ensuite «C source file» : Extension du fichier: «.c» si on veut programmer en langage C «.cpp» si on veut programmer en C++ 58

59 Partie II : Logiciel Après l écriture on passe à la compilation: Menu «Project» ensuite «Build All» et la compilation commence mais ça prend beaucoup de temps parce qu au début le logiciel doit aussi compiler les libraries. Chargement du programme dans le NIOS II Avant d envoyer le programme soft, il faut tout d abord envoyer le matériel dans le FPGA avec Quartus. Une fois cela fait et si la compilation du chapitre précédent s est déroulée sans erreur on peut envoyer le programme dans le NIOS. On clique droite sur le répertoire qui a le même nom que le projet ( ce qu on a parlé dans le chapitre précédent), puis on clique sur «Run As» et enfin sur «NIOS II Hardware». Maintenant le programme tourne dans le NIOS de l FPGA 59

60 Merci de votre attention 17/04/