Systèmes embarqués introduction

Un système embarqué est défini comme un système électronique et informatique autonome, souvent temps réel, spécialisé dans une tâche bien précise. Ses ressources sont généralement limitées. (Wikipedia)

Le système comprend une partie matériel et une partie logicielle

Caractéristiques générales des Systèmes embarqués :

▪ Dédié à une application spécifique

▪ Coût réduit, maximisation rapport performance/prix

▪ Volume restreint (compact, pas modulaire)

▪ Capacité mémoire adaptée

▪ Capacité de calcul appropriée à l’application

▪ Exécution temps réel (souvent)

▪ Fiabilité et sécurité de fonctionnement

▪ Consommation d’énergie maitrisée

Différences avec un ordinateur de bureau :

▪ L’interface IHM (Interface Homme machine) est adaptée selon l’application. Cela peut-être de simples leds et boutons jusqu’à un écran tactile. Il doit être robuste (étanche, choc, ..).

▪ Généralement : pas de clavier, écran réduit.

▪ Le système embarqué dispose de périphériques et capteurs spécifiques pour son application:

• Carte SD, mémoire flash, …
• Wifi, Bluetooth, module GSM-GPS, …
• Température, pression, actuateurs (moteurs, …), …

Architecture des Systèmes embarqués :

▪ Réalisé autour d’un microcontrôleur (uC)

• uC est un système à processeur dans un seul chip (SoC)
• comprend : processeur, mémoire, GPIO (entrées/sorties simples configurables), contrôleur de bus, contrôleur d’interruption, contrôleur d’écran, USB, Ethernet, …
• très bon rapport performance/prix et performance/consom.

▪ Ensemble compact (volume optimisé)

▪ Démarrage autonome du système (boot) : pas de disque dur, utilisation de mémoire flash, …

▪ Généralement pas d’extension possible : construction non modulaire

Domaines d’application des systèmes embarqués

• Domaine grand public : smart phone, console de jeux, appareil photos, lecteur audio, …
• Moyens de transport : gestion moteur/entrainement, ordinateur de bord, ABS, GPS, système navigation, système d’aide (EPS, ..), …

=> Automobiles, avions, trains, bateau, véhicule électrique, …

• Equipement médicaux (diagnostic, thérapeutique, vital) : imagerie (rayon X, ultra-sons, IRM), endoscopie, caméra, monitoring, perfusion, lasers, chirurgie, stimulateur cardiaque, …
• Equipements de télécommunication : station mobile, routeur, gateway, satellite, …
• Equipement industriels : commande, contrôle répartit, capteurs intelligents, …

Systèmes Temps Réel

Un système temps réel est un système numérique qui doit répondre à un ensemble de stimuli provenant de l’environnement dans un intervalle de temps dicté par ce même environnement (i.e. des contraintes temporelles).

Système sur Puce

Un SoC constitue un circuit complexe qui intègre tous les éléments fonctionnels d’un produit sur une même puce. Par exemple, des modules logiciels (DSP), des mémoires, des périphériques, des coprocesseurs matériels (FPGA ou ASIC) et même des modules analogiques ou optoélectroniques peuvent tous être mis sur un même dé.

• L’objectif est diminuer au minimum le nombre de composants sur une carte pour mettre tout sur une seule puce.

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Système embarqué – Cours – informatique

Un système embarqué est un système électronique et informatique autonome, qui est dédié à une tâche bien précise.

Il ne possède généralement pas des entrées/sorties standards et classiques comme un clavier ou un écran d’ordinateur. Le système matériel et l’application sont intimement liés, le logiciel embarqué étant enfoui, noyé dans le matériel. Le matériel et le logiciel ne sont pas aussi facilement discernables comme dans un environnement de travail classique de type ordinateur PC.

L’embarqué est un terme plus général qui regroupe plusieurs notions selon le contexte :

• Le marché des systèmes embarqués.

• Les systèmes embarqués par abus de langage.

Caractéristiques principales d’un système embarqué

Les principales caractéristiques d’un système embarqué sont les suivantes :

• C’est un système principalement numérique.

• Il met en œuvre généralement un processeur.

• Il exécute une application logicielle dédiée pour réaliser une fonctionnalité précise et n’exécute donc pas une application scientifique ou grand public traditionnelle.

• 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 en général mais des architectures similaires (x86) basse consommation sont de plus en plus utilisées pour certaines applications embarquées.

De ce constat, on peut voir :

• Qu’un PC standard peut exécuter tout type d’applications car il est généraliste alors qu’un système embarqué n’exécute qu’une application dédiée.

• Que l’interface IHM peut être aussi simple qu’une led qui clignote ou aussi complexe qu’un cockpit d’avion de ligne.

• Que des circuits numériques ou des circuits analogiques sont utilisés en plus pour augmenter les performances du système embarqué ou sa fiabilité.

Les grands secteurs de l’embarqué concernent les domaines suivants :

• Jeux et calcul général : application similaire à une application de bureau mais empaquetée dans un système embarqué : jeux vidéo, set top box…

• Contrôle de systèmes : automobile, process chimique, process nucléaire, système de navigation…

• Traitement du signal : radar, sonar, compression vidéo…

• Communication et réseaux : transmission d’information et commutation, téléphonie, Internet

Définition d’un PSoC

PSoC est l’acronyme Programmable System On Chip, système électronique propriétaire de Cypress.

Les circuits PSoC ont été introduits par Cypress au début des années 2000 et sont conçus pour remplacer à la fois le microcontrôleur et les circuits périphériques d’un système embarqué. Comparé à un microcontrôleur 8 bits classique, le PSoC offre une architecture propriétaire Cypress de type Harvard, une horloge jusqu’à 24 Mhz, 4 Mips, une mémoire Flash jusqu’à 32 Ko, une mémoire SRAM (jusqu’à 2 K) pour les données, un bloc de multiplication 8×8 avec accumulation sur 32 bits.

Les PSoCs contiennent des blocs analogiques et numériques configurables par l’utilisateur permettant d’intégrer, entre autres :

– Des convertisseurs analogique/numérique et numérique/analogique ;

– Des amplificateurs opérationnels et des amplificateurs d’instrumentation ;

– Des filtres et des comparateurs programmables ;

– Des compteurs et des timers ;

– Des UARTs supportant les communications RS232 full duplex ;

– Des contrôleurs de bus I2C et SPI ;

Ce sont donc des Socs mixtes analogiques / numériques.

Une deuxième particularité est le caractère entièrement configurable de ces circuits, non seulement au niveau des fonctions du matériel qu’on y implante que du type de signal affecté à chacune des broches du circuit intégré (entrée, sortie, analogique, numérique, …)

La troisième originalité des PSoCs est leur reconfigurabilité dynamique. En effet, les informations de configuration, contenues dans la mémoire Flash, sont chargées dans des registres SRAM à la mise sous tension. Ces registres sont modifiables par le programme applicatif qui peut y écrire directement .Cette reconfiguration va du simple changement de la valeur du gain d’un amplificateur à la modification du type des fonctions implantées dans les blocs hardware et du type de signal affecté aux broches du circuit intégré. Cette possibilité trouve de nombreuses applications dans le domaine de la mise en forme des signaux issus de capteurs.

Mémoire Flash

La mémoire flash est une mémoire de masse à semi-conducteurs réinscriptible, c’est-à-dire une mémoire possédant les caractéristiques d’une mémoire vive mais dont les données ne disparaissent pas lors d’une mise hors tension. Ainsi, la mémoire flash stocke les bits de données dans des cellules de mémoire, mais les données sont conservées en mémoire lorsque l’alimentation électrique est coupée.

Sa vitesse élevée, sa durée de vie et sa faible consommation (qui est même nulle au repos) la rendent très utile pour de nombreuses applications : appareils photo numériques, téléphones cellulaires, imprimantes, assistants personnels (PDA), ordinateurs portables ou dispositifs de lecture et d’enregistrement sonore comme les baladeurs numériques, clés USB. De plus, ce type de  mémoire ne possède pas d’éléments mécaniques, ce qui lui confère une grande résistance aux chocs.

La mémoire flash est un type d’EEPROM qui permet la modification de plusieurs espaces mémoires en une seule opération. La mémoire flash est donc plus rapide lorsque le système doit écrire à plusieurs endroits en même temps.

Elle contienne :

• 4K à 16Koct. selon le composant.
• Process Cypress SONOS (Flash).
• organisation par blocs 64 octets.
• 50.000 cycles éffac/prog par bloc.
• Programmation à tension nominale.

Mémoire SRAM

La mémoire vive (SRAM) est généralement définie en opposition à la mémoire morte (ROM) : les données contenues dans la mémoire vive sont perdues lorsque l’alimentation électrique est coupée alors que la mémoire morte conserve ses données en absence d’alimentation électrique. La mémoire morte n’est donc pas volatile, ce qui la rend nécessaire lors du démarrage d’un ordinateur. En effet, la mémoire vive est dans un état indéterminé lors du démarrage.

Le sens littéral des termes SRAM et mémoire vive peut prêter à confusion. En effet, le terme SRAM implique la possibilité d’un accès arbitraire aux données, c’est-à-dire un accès à n’importe quelle donnée n’importe quand, par opposition à un accès séquentiel, comme l’accès à une bande magnétique, où les données sont nécessairement lues dans un ordre défini à l’avance.

La SRAM présente la particularité de pouvoir être accédée à la fois en lecture et en écriture. Une activation électronique appropriée permet si besoin de verrouiller temporairement en écriture des blocs physiques donnés.

Dans SRAM d’un PSOC il y a :

• Mémoire paginée (numéro de page dans le registre Flag)
• Jusqu’à 8 pages de 256 octets
• 256 octets pour les premiers composants

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