Introduction aux Systèmes Embarqués

Introduction aux Systèmes Embarqués

• Les systèmes embarqués (SE) sont omniprésents dans divers secteurs, notamment les télécoms, l'aéronautique, l'automobile, la construction électrique, le transport ferroviaire et les cartes à puce.
• Le nombre d'objets intelligents et la complexité des systèmes embarqués doublent tous les 2/3 ans, ce qui témoigne de la croissance exponentielle des besoins dans ce domaine.
• Chaque industrie est confrontée à des contraintes spécifiques.

Définitions des SE

• Un SE peut être défini comme un système électronique et informatique autonome qui n'a pas d'entrées/sorties standards comme un clavier ou un écran d'ordinateur (PC).
• Un SE est également un système de traitement de l'information qui répond aux stimuli externes dans un délai défini. L'exactitude de la réponse dépend non seulement du résultat logique, mais aussi du temps de réponse.
• Un SE est un système mixte qui combine le matériel (Hw) et le logiciel (Sw) pour accomplir une fonction particulière.
• De manière générique, un SE est un (sous)système intelligent capable d'exécuter des tâches prédéfinies. Il peut comprendre des capteurs, des actionneurs, des interfaces et des liens de communication avec d'autres SE.
• Un système embarqué temps-réel est un système mixte contenant du logiciel exécuté par une architecture matérielle sous-jacente.

Contraintes et Types de SE

• La consommation énergétique, le coût et la fiabilité sont des aspects importants lors de la conception d'un SE.
• Un SE est un système numérique et autonome à hautes performances avec de fortes contraintes temporelles.
• Il utilise généralement un processeur et exécute un logiciel dédié pour réaliser une fonctionnalité précise.
• Il n'a pas de clavier standard, un affichage limité ou aucun affichage, et n'est pas un PC.
• Les types de SE incluent les calculs généraux, les systèmes de contrôle (automatisme), le traitement du signal et la communication & réseaux.

Méthode de Conception des SE

• La méthode de conception classique des systèmes embarqués, également appelée cycle en V ou cycle en cascade, est un processus séquentiel et structuré.
• Ce modèle suit une série d'étapes organisées de manière linéaire, chaque étape devant être complétée avant de passer à la suivante.
• Le "cycle en V" est composé de deux branches : la branche descendante (conception) et la branche ascendante (intégration et validation).
• La méthode de conception classique permet de retarder le choix de la technologie de réalisation et met l'accent sur la spécification et la conception.

Étapes du cycle en V

• Spécification des exigences:

  • Collecte des exigences auprès des parties prenantes.
  • Définition des spécifications fonctionnelles et non fonctionnelles.
  • Documentation des exigences sous forme de cahier des charges.

• Conception de l'architecture système:

  • Décomposition du système en sous-systèmes ou modules.
  • Définition de l'architecture matérielle et logicielle.
  • Définition des interfaces entre les modules.

• Conception détaillée:

  • Conception des schémas électroniques.
  • Définition des algorithmes et des structures de données.
  • Spécification des interfaces matérielles et logicielles.
  • Création de diagrammes détaillés.

• Implémentation:

  • Développement du code logiciel.
  • Conception et fabrication des circuits imprimés (PCB).
  • Intégration des composants matériels et logiciels.
  • Développement des drivers.

• Tests unitaires:

  • Création et exécution de tests unitaires pour chaque module.
  • Tests fonctionnels des circuits imprimés et des composants matériels.
  • Vérification de la conformité aux spécifications.

• Intégration système:

  • Intégration des modules matériels et logiciels.
  • Test des interfaces entre les modules.
  • Identification et résolution des problèmes d'intégration.

• Tests système:

  • Exécution de tests fonctionnels complets.
  • Tests de performance.
  • Tests en conditions réelles.

• Validation:

  • Revue finale avec les parties prenantes.
  • Vérification de la conformité aux normes et aux réglementations.
  • Acceptation formelle du système.

• Déploiement:

  • Installation du système sur site ou livraison aux clients.
  • Formation des utilisateurs et du personnel de maintenance.
  • Documentation du système.

• Maintenance:

  • Surveillance du système en opération.
  • Réalisation des mises à jour.
  • Gestion des retours clients et support technique.

Étapes de Spécification et Modélisation

• Description fonctionnelle:

  • Modélisation de l'environnement.
  • Extraction des services demandées par l'extérieur.
  • Définition du comportement global dicté par ces services.

• Décomposition fonctionnelle:

  • Répartition de la description sous forme de blocs fonctionnels.
  • Modularité, hiérarchie, abstraction.

• Partitionnement architectural (Raffinement):

  • Transformation hiérarchique des descriptions comportementales.

Environnements de spécifications: "HDL"

• Les langages de description de matériel (HDL) permettent de décrire tous les types de circuits, y compris les instructions séquentielles et concurrentes.

• Deux types de descriptions HDL:

  • VHDL (Very high speed integrated circuit HDL):
    • Deux types de descriptions : multi-niveaux et RTL.
    • Outils de synthèse VHDL : V-Synth, HIS, Amical, Gaut, Monet.
  • Verilog:
    • Idem que VHDL.
    • Outil de synthèse Verilog : Architect's Workbench.

• Le choix d'un langage dépend de sa compatibilité avec les outils de simulation et de synthèse ainsi que de sa capacité d'abstraction du comportement souhaité.

Environnements de synthèse et de simulation: Niveaux et domaines de description

• Le Diagramme de Gajski décrit trois domaines (vues) et cinq niveaux (complexités) de description :

Domaine comportemental

• Le niveau électrique exprime dans le temps les relations d'entrée-sortie : timing, délai, fréquence d'utilisation, etc.
• Le niveau logique est décrit par les équations booléennes.
• Le niveau architectural (RTL) utilise le langage de transfert de registres (RTL) pour exprimer les opérations effectuées avec les registres et les opérateurs à l'aide d'un diagramme à états finis.
• La description algorithmique convient pour le niveau fonctionnel.
• Le niveau spécification considère le circuit de l'extérieur avec l'énoncé des contraintes.

Domaine Structurel

• Le niveau structurel le plus bas est le transistor.
• Au niveau logique, l'élément de base est généralement la porte complexe.
• Au niveau architectural (RTL), ce sont des modules comme l'ALU, la RAM, les contrôleurs qui peuvent être constitués par un ou plusieurs séquenceurs.
• Le niveau fonctionnel décrit l'interconnexion de fonctions définies par un comportement ou une structure.