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Introduction aux
systèmes embarqués
Informatique embarquée
1ère année master RSD
Dr: k.Barka
1
1. Introduction
◼ Les systèmes embarqués nous entourent!
◼ On en croise des dizaines par jour sans le savoir!
◼ Ils sont donc partout, discrets, efficaces et dédiés à ce à quoi ils sont destinés.
◼ Ils sont bourrés d'électronique complexe et d'informatique évoluée.
2
2. Définitions
◼ Un système embarqué est un système complexe qui intègre du logiciel et du
matériel conçus ensemble afin de fournir des fonctionnalités données.
◼ Le terme de système embarqué désigne aussi bien le matériel que le logiciel
utilisé
◼ Un système embarqué est spécialement conçu pour un type d’application
particulier souvent critiques.
◼ Constitue une partie intégrante d’un système plus large ou une machine
3
3. Notions et concepts de base
◼ Les SE contient généralement un ou plusieurs microprocesseurs .
◼ Le système matériel et logiciel sont intimement liés et immergés.
◼ Certains SE ont un système d’exploitation et d’autres non .
◼ Les SE programmables sont dotés d’interfaces de programmation et leur
programmation est une activité spécialisée.
◼ Un système embarqué est autonome et ne possède pas des entrées/sorties standards
tels qu'un clavier ou un écran d'ordinateur
◼ Contrairement à un PC, l'interface IHM d'un système embarqué peut être aussi
simple qu'un LED qui clignote ou aussi complexe qu'un afficheurs à cristaux liquides
LCD
◼ Le logiciel a une fonctionnalité fixe à exécuter qui est spécifique à une application.
L'utilisateur n'a pas la possibilité de modifier les programmes.
4
4. Exemple typique de système embarqué
◼ Les distributeurs automatiques de boissons,
◼ Navigateur GPS, contrôleur d’injection moteur, anti dérapage,
◼ Les équipements médicaux,
◼ Les avions,
◼ Les jouets,
◼ Les téléphones portables,
◼ Lecteur de DVD,
◼ Routeur ethernet,
◼ Télécommande.
5
5. Domaines d’application des systèmes embarqués
◼ Domaines « traditionnels »
 Avionique
 Robotique
 Automobile
 Militaire
◼ Domaines « nouveaux »
 Jeux et loisirs
 Téléphonie, Internet mobile
 Implants (santé sécurité)
 Immeubles intelligents
 Villes intelligentes
 Vêtements…
6
6. Contraintes
◼ Temps Réel : Fonctionnent généralement en Temps Réel.
 La validité et la pertinence d'un résultat dépendent du moment où il est délivré
 Une échéance manquée induit une erreur de fonctionnement
◼ Autonomie : les SE doivent êtres auto gérables et indépendants.
◼ Résistance aux pannes: La panne d’un composant ne remet pas en cause la vie
du système.
◼ Sûreté de fonctionnement: Capacité à accorder une confiance justifiée au service.
◼ Robustesse : Aux chocs, à la température, à l’humidité.
◼ Encombrement mémoire réduit: Mémoire limitée, pas de disque en général.
◼ Coût très bas : Fabriqués en grande série.
7
7. Principales caractéristiques
◼ Processeurs basse consommation avec fonctionnalités minimum (faible puissance
de calcul) .
◼ Mémoire vive et mémoire de masse de taille limitée.
◼ Poids et volume réduit .
◼ Mobilité.
◼ Communication limitée ( attention : la communication affecte la batterie).
◼ Réactifs : Il doit réagir à l'arrivée d'informations extérieures non prévues.
◼ C'est un système principalement numérique.
8
8. Architecture des SE (1)
◼ On décompose un système embarqués en :
 Le Système Contrôlé
 Le Système de Contrôle.
◼ Le système contrôlé = Environnement (procédé) équipé d'une instrumentation
qui réalise l'interface avec le système de contrôle.
◼ Le système de contrôle = Éléments matériels ( microprocesseurs…) et logiciels
dont la mission est d'agir sur le procédé via les actionneurs en fonction de l'état
de ce procédé indiqué par les capteurs.
De manière à maintenir ou conduire le procédé dans un état donné
9
8. Architecture des SE (2)
10
9. Comparaison aux systèmes informatiques standards
Informatique Embarqué
• Processeur standard .
• Architecture standard (VanNewmann)
• Vitesse élevée (>GHz) .
• Forte consommation électrique
• Processeur dédié (Contrôleur)
• Architecture standard adaptée .
• Vitesse réduite (< 200 MHz)
• Basse consommation électrique
• Grande capacité mémoire • Faible capacité mémoire
• OS standard • OS adapté (RTOS)
• Grande nombre de périphériques • Nombre réduit de périphériques
11
10. Classification des systèmes embarqués
◼ Système Transformationnel : activité de calcul, qui lit ses données et ses
entrées lors de son démarrage, qui fournit ses sorties, puis meurt.
◼ Système Interactif : Système en interaction quasi permanente avec son
environnement;
 La réaction du système est déterminée par les événements reçus et par l'état courant.
 Le rythme de l'interaction est déterminé par le système et non par l'environnement.
◼ Système Réactif ou Temps Réel : Système en interaction permanente
avec son environnement;
 La réaction du système est déterminée par les événements reçus et par l'état courant.
 Le rythme de l'interaction est déterminé par l'environnement et non par le système;
12
11. Les contraintes de temps et les systèmes
embarqués
◼ On entend souvent parler de Temps Réel dès que l'on parle de système
embarqué.
◼ En effet, un système embarqué doit généralement respecter des
contraintes temporelles fortes
◼ On y trouve enfoui un système d'exploitation à noyau Temps Réel (Real
Time Operating System, RTOS).
◼ Le Temps Réel est un concept un peu vague et chacun a sa propre idée
sur la question :
 Un système est dit Temps Réel lorsque l'information après acquisition et
traitement reste encore pertinente
 Un temps maximum d'exécution est garanti (pire cas) et non un temps moyen.
13
12. Service à offrir par SE
Les SE devront offrir les services suivants :
◼ Gestion des entrées-sorties
◼ Gestion de l’énergie : Assurer une faible consommation ( Les algorithmes traditionnel ne
pourront pas toujours être implantés par les SE).
◼ Gestion de la mémoire : Au niveau espace d’adressage ( prise en compte des contraintes de
faible encombrement).
◼ Gestion des pannes : Interventions de maintenance difficiles ou impossibles, ce qui
implique :
 Un haut niveau de disponibilité,
 Des mécanismes de reprise en cas d'erreur,
 Des possibilités de fonctionnement en mode dégradé.
◼ Méthodes de développement : Développement en environnement croisé.
◼ Adaptabilité : Variation de configuration logicielle et matérielle
 Notion de HAL (Hardware Layer) ou de BSP (Board Support Package) 14
13. Exemple des systèmes d'exploitation embarqué
Propriétaires: Open Sources:
• VxWorks
• Windows CE, XP embedded,
• Symbian
• Nucleus
• ENEA OSE Delta
• Qualcomm OS
• ThreadX
• VRTX
• EROS
• GreenHills IntegrityOS
• mITRON
• NORTi
• eCos
• FreeRTOS
• Embedded Debian
• AMSEL
• Embedded Gentoo
• ETLinux
• FREESCO
• Linux Router Project
• Linux-VR Project
• Linux On A Floppy
• Qplus
• Midori Linux
• uClinux
• μLinux
• PeeWeeLinux
15
14. Enjeux Économiques (1)
◼ Les Systèmes Embarqués sont d’une importance stratégique pour l’économie.
◼ Forte croissance du secteur: taux annuel de la période 2001-2006
 7,3% des développeurs de matériels pour systèmes embarqués;
 18,7% du nombre des développeurs de logiciels;
 18,9% du marché mondial des OS pour systèmes embarqués.
◼ En 1999, il a été vendu pour le marché de l'embarqué
 1,3 milliard de processeurs 4 bits.
 1,4 milliard de processeurs 8 bits.
 375 millions de processeurs 16 bits.
 127 millions de processeurs 32 bits.
 3,2 millions de processeurs 64 bits.
◼ A côté de cela, à cette époque, il a été vendu seulement 108 millions de
processeurs (famille x86) pour le marché du PC grand public !
16
14. Enjeux Économiques (2)
◼ Pour 2004, il a été vendu environ 260 millions de processeurs pour le marché du
PC grand public à comparer aux 14 milliards de processeurs tout type confondu
(microprocesseur, microcontrôleur, DSP) pour le marché de l'embarqué..
◼ Les chiffres parlent d'eux-mêmes. Le marché du processeur pour les PC grand
public n'est que la partie émergée de l'iceberg et n'est rien par rapport au
marché de l'embarqué qui est la partie immergée de l'iceberg...
◼ Moins de 2 % des processeurs vendus sont pour le marché du PC contre 98 %
pour l'embarqué.
◼ Ces quelques chiffres permettent bien de prendre conscience de l'importance du
marché de l'embarqué
17
15. La communication dans les systèmes embarqués
◼ Les systèmes embarqués sont aujourd'hui fortement communicants, grâce à
l'explosion de l'usage la connectivité Internet ou connectivité IP
◼ La connectivité IP permet fondamentalement de contrôler à distance un système
embarqué par Internet ( Liaisons RS.232, RS.485, bus de terrain ).
◼ Il suffit d'embarquer un serveur web dans son équipement électronique pour
pouvoir le contrôler ensuite à distance, de n'importe où, à l'aide d'un simple
navigateur.
◼ Il faut aussi noter la montée en puissance des communications sans fil dans
l'embarqué au détriment des communications filaires pour limiter le câblage et
faciliter la mise en place du système embarqué.
◼ Le Wifi et toutes les normes de réseaux sans fil IEEE 802.15 comme Zigbee ont le
vent en poupe dans l'embarqué (réseaux de capteurs sans fil par exemple).
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  • 1. Introduction aux systèmes embarqués Informatique embarquée 1ère année master RSD Dr: k.Barka 1
  • 2. 1. Introduction ◼ Les systèmes embarqués nous entourent! ◼ On en croise des dizaines par jour sans le savoir! ◼ Ils sont donc partout, discrets, efficaces et dédiés à ce à quoi ils sont destinés. ◼ Ils sont bourrés d'électronique complexe et d'informatique évoluée. 2
  • 3. 2. Définitions ◼ Un système embarqué est un système complexe qui intègre du logiciel et du matériel conçus ensemble afin de fournir des fonctionnalités données. ◼ Le terme de système embarqué désigne aussi bien le matériel que le logiciel utilisé ◼ Un système embarqué est spécialement conçu pour un type d’application particulier souvent critiques. ◼ Constitue une partie intégrante d’un système plus large ou une machine 3
  • 4. 3. Notions et concepts de base ◼ Les SE contient généralement un ou plusieurs microprocesseurs . ◼ Le système matériel et logiciel sont intimement liés et immergés. ◼ Certains SE ont un système d’exploitation et d’autres non . ◼ Les SE programmables sont dotés d’interfaces de programmation et leur programmation est une activité spécialisée. ◼ Un système embarqué est autonome et ne possède pas des entrées/sorties standards tels qu'un clavier ou un écran d'ordinateur ◼ Contrairement à un PC, l'interface IHM d'un système embarqué peut être aussi simple qu'un LED qui clignote ou aussi complexe qu'un afficheurs à cristaux liquides LCD ◼ Le logiciel a une fonctionnalité fixe à exécuter qui est spécifique à une application. L'utilisateur n'a pas la possibilité de modifier les programmes. 4
  • 5. 4. Exemple typique de système embarqué ◼ Les distributeurs automatiques de boissons, ◼ Navigateur GPS, contrôleur d’injection moteur, anti dérapage, ◼ Les équipements médicaux, ◼ Les avions, ◼ Les jouets, ◼ Les téléphones portables, ◼ Lecteur de DVD, ◼ Routeur ethernet, ◼ Télécommande. 5
  • 6. 5. Domaines d’application des systèmes embarqués ◼ Domaines « traditionnels »  Avionique  Robotique  Automobile  Militaire ◼ Domaines « nouveaux »  Jeux et loisirs  Téléphonie, Internet mobile  Implants (santé sécurité)  Immeubles intelligents  Villes intelligentes  Vêtements… 6
  • 7. 6. Contraintes ◼ Temps Réel : Fonctionnent généralement en Temps Réel.  La validité et la pertinence d'un résultat dépendent du moment où il est délivré  Une échéance manquée induit une erreur de fonctionnement ◼ Autonomie : les SE doivent êtres auto gérables et indépendants. ◼ Résistance aux pannes: La panne d’un composant ne remet pas en cause la vie du système. ◼ Sûreté de fonctionnement: Capacité à accorder une confiance justifiée au service. ◼ Robustesse : Aux chocs, à la température, à l’humidité. ◼ Encombrement mémoire réduit: Mémoire limitée, pas de disque en général. ◼ Coût très bas : Fabriqués en grande série. 7
  • 8. 7. Principales caractéristiques ◼ Processeurs basse consommation avec fonctionnalités minimum (faible puissance de calcul) . ◼ Mémoire vive et mémoire de masse de taille limitée. ◼ Poids et volume réduit . ◼ Mobilité. ◼ Communication limitée ( attention : la communication affecte la batterie). ◼ Réactifs : Il doit réagir à l'arrivée d'informations extérieures non prévues. ◼ C'est un système principalement numérique. 8
  • 9. 8. Architecture des SE (1) ◼ On décompose un système embarqués en :  Le Système Contrôlé  Le Système de Contrôle. ◼ Le système contrôlé = Environnement (procédé) équipé d'une instrumentation qui réalise l'interface avec le système de contrôle. ◼ Le système de contrôle = Éléments matériels ( microprocesseurs…) et logiciels dont la mission est d'agir sur le procédé via les actionneurs en fonction de l'état de ce procédé indiqué par les capteurs. De manière à maintenir ou conduire le procédé dans un état donné 9
  • 10. 8. Architecture des SE (2) 10
  • 11. 9. Comparaison aux systèmes informatiques standards Informatique Embarqué • Processeur standard . • Architecture standard (VanNewmann) • Vitesse élevée (>GHz) . • Forte consommation électrique • Processeur dédié (Contrôleur) • Architecture standard adaptée . • Vitesse réduite (< 200 MHz) • Basse consommation électrique • Grande capacité mémoire • Faible capacité mémoire • OS standard • OS adapté (RTOS) • Grande nombre de périphériques • Nombre réduit de périphériques 11
  • 12. 10. Classification des systèmes embarqués ◼ Système Transformationnel : activité de calcul, qui lit ses données et ses entrées lors de son démarrage, qui fournit ses sorties, puis meurt. ◼ Système Interactif : Système en interaction quasi permanente avec son environnement;  La réaction du système est déterminée par les événements reçus et par l'état courant.  Le rythme de l'interaction est déterminé par le système et non par l'environnement. ◼ Système Réactif ou Temps Réel : Système en interaction permanente avec son environnement;  La réaction du système est déterminée par les événements reçus et par l'état courant.  Le rythme de l'interaction est déterminé par l'environnement et non par le système; 12
  • 13. 11. Les contraintes de temps et les systèmes embarqués ◼ On entend souvent parler de Temps Réel dès que l'on parle de système embarqué. ◼ En effet, un système embarqué doit généralement respecter des contraintes temporelles fortes ◼ On y trouve enfoui un système d'exploitation à noyau Temps Réel (Real Time Operating System, RTOS). ◼ Le Temps Réel est un concept un peu vague et chacun a sa propre idée sur la question :  Un système est dit Temps Réel lorsque l'information après acquisition et traitement reste encore pertinente  Un temps maximum d'exécution est garanti (pire cas) et non un temps moyen. 13
  • 14. 12. Service à offrir par SE Les SE devront offrir les services suivants : ◼ Gestion des entrées-sorties ◼ Gestion de l’énergie : Assurer une faible consommation ( Les algorithmes traditionnel ne pourront pas toujours être implantés par les SE). ◼ Gestion de la mémoire : Au niveau espace d’adressage ( prise en compte des contraintes de faible encombrement). ◼ Gestion des pannes : Interventions de maintenance difficiles ou impossibles, ce qui implique :  Un haut niveau de disponibilité,  Des mécanismes de reprise en cas d'erreur,  Des possibilités de fonctionnement en mode dégradé. ◼ Méthodes de développement : Développement en environnement croisé. ◼ Adaptabilité : Variation de configuration logicielle et matérielle  Notion de HAL (Hardware Layer) ou de BSP (Board Support Package) 14
  • 15. 13. Exemple des systèmes d'exploitation embarqué Propriétaires: Open Sources: • VxWorks • Windows CE, XP embedded, • Symbian • Nucleus • ENEA OSE Delta • Qualcomm OS • ThreadX • VRTX • EROS • GreenHills IntegrityOS • mITRON • NORTi • eCos • FreeRTOS • Embedded Debian • AMSEL • Embedded Gentoo • ETLinux • FREESCO • Linux Router Project • Linux-VR Project • Linux On A Floppy • Qplus • Midori Linux • uClinux • μLinux • PeeWeeLinux 15
  • 16. 14. Enjeux Économiques (1) ◼ Les Systèmes Embarqués sont d’une importance stratégique pour l’économie. ◼ Forte croissance du secteur: taux annuel de la période 2001-2006  7,3% des développeurs de matériels pour systèmes embarqués;  18,7% du nombre des développeurs de logiciels;  18,9% du marché mondial des OS pour systèmes embarqués. ◼ En 1999, il a été vendu pour le marché de l'embarqué  1,3 milliard de processeurs 4 bits.  1,4 milliard de processeurs 8 bits.  375 millions de processeurs 16 bits.  127 millions de processeurs 32 bits.  3,2 millions de processeurs 64 bits. ◼ A côté de cela, à cette époque, il a été vendu seulement 108 millions de processeurs (famille x86) pour le marché du PC grand public ! 16
  • 17. 14. Enjeux Économiques (2) ◼ Pour 2004, il a été vendu environ 260 millions de processeurs pour le marché du PC grand public à comparer aux 14 milliards de processeurs tout type confondu (microprocesseur, microcontrôleur, DSP) pour le marché de l'embarqué.. ◼ Les chiffres parlent d'eux-mêmes. Le marché du processeur pour les PC grand public n'est que la partie émergée de l'iceberg et n'est rien par rapport au marché de l'embarqué qui est la partie immergée de l'iceberg... ◼ Moins de 2 % des processeurs vendus sont pour le marché du PC contre 98 % pour l'embarqué. ◼ Ces quelques chiffres permettent bien de prendre conscience de l'importance du marché de l'embarqué 17
  • 18. 15. La communication dans les systèmes embarqués ◼ Les systèmes embarqués sont aujourd'hui fortement communicants, grâce à l'explosion de l'usage la connectivité Internet ou connectivité IP ◼ La connectivité IP permet fondamentalement de contrôler à distance un système embarqué par Internet ( Liaisons RS.232, RS.485, bus de terrain ). ◼ Il suffit d'embarquer un serveur web dans son équipement électronique pour pouvoir le contrôler ensuite à distance, de n'importe où, à l'aide d'un simple navigateur. ◼ Il faut aussi noter la montée en puissance des communications sans fil dans l'embarqué au détriment des communications filaires pour limiter le câblage et faciliter la mise en place du système embarqué. ◼ Le Wifi et toutes les normes de réseaux sans fil IEEE 802.15 comme Zigbee ont le vent en poupe dans l'embarqué (réseaux de capteurs sans fil par exemple). 18