Chapitre 2 : Co-Design Logiciel/Matériel

Chapitre 2 : La Méthode de Conception Conjointe Logicielle/Matériel (Co-Design)

• Le chapitre 2 porte sur la méthode de conception conjointe logiciel/matériel (co-design).
• L'année universitaire concernée est 2024-2025.
• Le sujet est lié aux systèmes embarqués et à l'Internet des Objets (IoT).

Plan

• Le plan inclut un rappel sur la méthode de conception co-design.
• Description de la spécification.
• Détail du partitionnement matériel/logiciel.
• Présentation de la synthèse/compilation et de l'interfaçage.
• Description des tests et de la validation.

Rappel

• Quoi de neuf dans un système sur puce (SoC) ?
• Assemblage de blocs IP (Intellectual Properties) virtuels.
• Classification IP "IP core".
• Partitionnement logiciel-matériel.
• Interfaces entre les blocs IP.
• Vérification.
• Présentations de solutions architecturales.
• Nouveau flot de conception.

Flot de Conception Continu

• Le cycle de conception est continu depuis les spécifications systèmes jusqu'à l'implémentation.

Co-Design

• Le support logiciel dans un système SoC est crucial.
• Il est important de prévoir la possibilité de configurer, corriger, utiliser ou faire utiliser le produit après la fabrication du circuit.
• L'étape de partitionnement du logiciel/matériel est essentielle pour des SoC spécifiques.
• L'identification des fonctionnalités implémentables en logiciel et l'évaluation des performances de la cible processeur sont importantes.
• Si la cible est existante, il peut ne pas être nécessaire de développer un matériel dédié.
• Sinon, il peut être nécessaire de décider des fonctionnalités qui nécessitent une implémentation matérielle et comment partager les tâches.

Co-Design (Approche Structurée)

• L'approche co-design logiciel/matériel est structurée pour la conception de systèmes numériques dédiés.
• Quatre grandes étapes sont distinguées :
  • Spécification
  • Partitionnement
  • Synthèse logicielle et matérielle
  • Co-simulation

Co-Design (Diagramme)

• Le diagramme présente un flot avec des étapes de spécification, partitionnement HW/SW, synthèse logicielle/matérielle/interfaçage, et co-simulation aboutissant à une réalisation matérielle/logicielle.
• Des optimisations et estimations sont des étapes parallèles à considérer.

La Spécification

• La spécification est une étape fondamentale dans la conception de systèmes embarqués.
• Elle définit les exigences système avant le développement.
• Une bonne spécification sert de guide pour toutes les étapes suivantes.
• Elle garanti que le système répond aux besoins des utilisateurs.
• Les aspects importants de la spécification incluent :
  • Fonctionnalités : Décrire les fonctions principales, les interactions entre les composants, et identifier les cas d'utilisation et scénarios.
  • Performances : Définir les exigences en termes de temps de réponse, traitement, fréquence, etc.
  • Contraintes temporelles : Délais précis pour les tâches critiques (temps réel), les deadlines strictes.
  • Contraintes énergétiques : Consommation d'énergie (batterie), performances énergétiques.
  • Contraintes de coûts : Budget pour le développement, la production, et la maintenance.
  • Interfaces utilisateur : Définir les interfaces d'interaction utilisateur.
  • Importance de la spécification pour le développement (guide clair, réduction des erreurs).
  • Réduction des risques via identification des risques techniques.
  • Validation basée sur la spécification.

Exemple Pratique

• Systèmes embarqués automobiles autonomes.
• Fonctions de détection d'obstacles, temps de réaction.
• Contraintes énergétiques de la batterie.
• Performances des algorithmes de conduite autonome.
• Interfaces utilisateur (tableau de bord et interaction avec le conducteur)

Le Partitionnement Matériel/Logiciel

• L'étape de partitionnement est clé pour les systèmes embarqués.
• Déterminer les parties en matériel (hardware) et logiciel (software).
• Cette décision impacte:
  • Performances
  • Coûts
  • Consommation d'énergie
  • Flexibilité du système
• Principes de partitionnement :
  • Identifier les composants, les fonctions, les tâches du système
• Diagramme montrant les différents blocs IP et leur partitionnement.

Analyse des Exigences

• Analyser les exigences de la fonction en termes de performances, de réactivité, de consommation d'énergie et de coût.
• Les fonctions rapides sont plus appropriées à l'implémentation matérielle.
• Les fonctions flexibles avec mises à jour fréquentes sont mieux gérées en logiciel.
• Décision d'implémentation (matériel ou logiciel) basée sur l'analyse.

Critères de Partitionnement

• Performance: opérations critiques (temps réel, traitement intensif), implémentations matérielles optimales.
• Coût: Matériels personnalisés (ASIC) peuvent être coûteux à développer, mais efficaces en masse. Le logiciel est plus flexible et plus abordable.
• Consommation d'énergie: matériel optimisé pour une faible consommation, surtout pour les batteries.
• Flexibilité: les logiciels sont plus facilement modifiables et adaptables.
• Complexité de Développement: Développement matériel plus complexe et plus long que logiciel.

Synthèse/Compilation et Interfaçage

• Transformer le code haut niveau en code binaire exécutable par le matériel cible.

• Garantir la communication efficace entre logiciel et matériel sans erreur.

• Traduction du code haut niveau: traduire le code haut niveau en code binaire plus adapté au matériel cible.

• Optimisation des performances: optimiser le code pour améliorer les performances, la taille et la consommation d'énergie.

• Génération du microcode: créer le microcode pour des instructions de bas niveau spécifiques au matériel cible.

• Vérification et Simulation: simuler le code généré pour garantir le bon fonctionnement.

• Interfaçage: définir les protocoles de communication entre le logiciel et le matériel.

  • Configuration des périphériques
  • Test de l'interfaçage

Test et Validation

• Étapes cruciales dans la conception des systèmes embarqués.
• Vérifier le respect des spécifications dans toutes les situations.
• Assurer la fiabilité, les performances et conformité aux normes et exigences. Types de Tests :
• Fonctionnels: tester chaque fonction du système en isolation puis en combinaison pour voir s'ils produisent les résultats attendus.
• Performances: mesurer le temps de réponse, le débit, la consommation d'énergie, la capacité du système à travailler sous différentes charges et conditions.
• Robustesse: identifier si le système continue de fonctionner dans différentes situations perturbatrices (pannes, coupure d'alimentation, interférences).
• Conformité: déterminer si le système répond aux normes et aux régulations applicables, y compris en sécurité et compatibilité.
• Outils et méthodes utilisés :
  • Simulation
  • Émulation
  • Tests sur bancs d'essais réel

Ordonnancement

• Étape cruciale dans la gestion des tâches et des ressources d'un système embarqué.
• Déterminer l'ordre et le moment exact d'exécution des tâches.
• Considérer les priorités, les délais et les ressources disponibles.
• Ordonnancements statiques: planning défini à l'avance.
• Ordonnancements dynamiques: décisions en temps réel en fonction de l'état du système.
• Critères pour l'ordonnancement :
  • Priorité des tâches: les tâches critiques sont prioritaires.
  • Délais: respecter les délais des tâches.
  • Ressources disponibles: prendre en compte les ressources limitées du système.
• Algorithmes courants: Round-robin, Rate-Monotonic Scheduling (RMS), Earliest Deadline First (EDF).

Importance du Test et de la Validation

• Fiabilité : système fiable et fonctionnant correctement.
• Qualité : répond aux normes et aux exigences.
• Sécurité : respect des normes de sécurité.
• Conformité : respect des régulations et normes applicables.

Conclusion Générale

• Les étapes co-design, synthèse, partitionnement, test et validation sont essentiels pour créer des systèmes embarqués fiables, performants et efficaces, répondant aux attentes des utilisateurs.

Ce quiz explore la méthode de conception conjointe logiciel/matériel. Le chapitre analyse les spécifications, le partitionnement et les tests des systèmes embarqués. Les concepts clés tels que SoC et IP core sont également abordés dans ce contexte de l'Internet des Objets.