Introduction aux Systèmes Embarqués

Introduction aux Systèmes Embarqués

• Les systèmes embarqués (SE) sont omniprésents dans différents secteurs comme les télécoms, l'aéronautique, l'automobile, la construction électrique et les cartes à puce.
• La complexité des SE double tous les deux à trois ans, reflétant l'explosion des besoins en objets intelligents.
• Chaque industrie est confrontée à des contraintes spécifiques pour la conception des SE.

SE - Définitions

• Un SE est un système électronique et informatique autonome avec des entrées/sorties non standards comme un clavier ou un écran d'ordinateur. Il intègre étroitement le matériel et le logiciel, rendant leur distinction difficile.
• Un SE réagit aux stimuli externes dans un délai défini, la précision de la réponse dépendant du temps et de la justesse du résultat.
• Un SE est un système mixte combinant du matériel (Hw) et du logiciel (Sw) pour exécuter une fonction particulière. Il est intégré à un système plus large et travaille dans un environnement réactif et sous contrainte temporelle.
• Un SE est un (sous) système intelligent exécutant des tâches prédéfinies. Il utilise des capteurs pour acquérir des informations sur son environnement et peut inclure des actionneurs ou des interfaces pour les capteurs. De plus, il peut communiquer avec d'autres SE.
• Un SE temps-réel est un système mixte avec du logiciel exécuté sur une architecture matérielle sous-jacente. Il se caractérise par une architecture en couches.
• Des attributs importants lors de la conception des SE incluent la consommation d'énergie, le coût et la fiabilité.
• Un SE est un système numérique et autonome à hautes performances et contraintes temporelles. Il utilise généralement un processeur et exécute un logiciel dédié pour une fonctionnalité spécifique.
• Les SE ne possèdent pas de clavier standard et l'affichage est limité ou absent. Ils ne sont pas des ordinateurs et n'exécutent pas d'applications scientifiques ou commerciales traditionnelles.

4 Types de SE

• Calculs généraux: Applications similaires à celles de bureau, mais intégrées dans un SE (jeux vidéo, set-top box).
• Systèmes de contrôle (automatisme): Contrôle de systèmes en temps réel (moteurs d'automobile, processus chimiques, processus nucléaires, systèmes de navigation aérienne).
• Traitement du signal: Calcul sur de grandes quantités de données (radars, sonars, compression vidéo).
• Communication & Réseaux: Transmission d'informations et commutation (téléphones, internet).

Méthode de conception des systèmes embarqués

• La méthode de conception classique, aussi appelée cycle en V ou cycle en cascade, est un processus séquentiel et structuré largement utilisé pour développer des SE avec des exigences définies dès le départ. Ce modèle suit une série d'étapes linéaires à compléter successivement.
• Le cycle en V est composé de deux branches : une branche descendante et une branche ascendante.
• La branche descendante représente la démarche de raffinement successif, allant des besoins généraux au particulier. La branche ascendante détaille les phases d'intégration et de validation correspondant à chaque phase de conception. Le cycle en V permet de retarder le choix de la technologie de réalisation en concentrant les efforts sur la spécification et la conception.

Cycle de Développement en V d'un Système Embarqué

• Spécification des exigences:
  • Objectif: Définir les besoins fonctionnels et non fonctionnels du système.
  • Activités:
    • Collecte des exigences auprès des parties prenantes.
    • Définition des spécifications fonctionnelles (ce que le système doit faire).
    • Définition des spécifications non fonctionnelles (contraintes de performance, sécurité, consommation d'énergie, etc.).
    • Documentation des exigences dans un cahier des charges.
• Conception de l'architecture système:
  • Objectif: Créer une architecture globale répondant aux exigences.
  • Activités:
    • Décomposition du système en sous-systèmes ou modules.
    • Définition de l'architecture matérielle (choix des composants matériels).
    • Définition de l'architecture logicielle (répartition des tâches entre le matériel et le logiciel).
    • Définition des interfaces entre les modules.
• Conception détaillée:
  • Objectif: Détailler la conception de chaque module.
  • Activités:
    • Conception des schémas électroniques pour le matériel.
    • Définition des algorithmes et structures de données pour le logiciel.
    • Spécification des interfaces matérielles et logicielles.
    • Création de diagrammes détaillés.
• Implémentation:
  • Objectif: Réaliser physiquement et logiquement le système conçu.
  • Activités:
    • Développement du code logiciel.
    • Conception et fabrication des circuits imprimés (PCB).
    • Intégration des composants matériels et logiciels.
    • Développement des drivers nécessaires.
• Tests unitaires:
  • Objectif: Vérifier chaque module ou composant individuellement.
  • Activités:
    • Création et exécution de tests unitaires pour chaque module logiciel.
    • Tests fonctionnels des circuits imprimés et des composants matériels.
    • Vérification de la conformité de chaque module aux spécifications.
• Intégration système:
  • Objectif: Assembler les modules pour former le système complet.
  • Activités:
    • Intégration des modules matériels et logiciels.
    • Test des interfaces entre les modules.
    • Identification et résolution des problèmes d'intégration.

Outils de CAO et environnements de conception

• Environnements de CAO:
  • Faciliter la conception.
  • Augmenter la productivité.
  • Automatiser des phases de conception.

Environnements de spécifications: Modèles de spécification

• Modèles de représentation: Décrivent l'évolution des sorties en fonction des entrées du comportement fonctionnel du système.
  • Équations logiques, table de vérité, chronogrammes, table de transitions, diagramme états/transitions (GEF): Ces modèles conduisent à une déduction directe de la solution.
  • Grafcet, statechart, réseau de Pétri, diagramme des activités: Ces modèles nécessitent une transformation pour être utilisés dans les cas précédents.
  • Modèles mathématiques, description algorithmique, organigramme: Ces modèles permettent de spécifier des applications plus complexes mais nécessitent un travail plus conséquent.

Spécification de haut niveau: Concepts de base

• Modularité: Le développement de spécifications de grande taille nécessite leur découpage en modules plus petits pour simplifier la résolution de problèmes et améliorer l'efficacité.
• Hiérarchie: Approche ascendante impliquant la composition de modules élémentaires pour en construire de plus complexes, permettant la réutilisation des modules de base et réduisant les erreurs et les coûts.
• Concurrence: Décomposition d'un système complexe en un ensemble de sous-systèmes parallèles et communicants. La spécification de la concurrence précise le fonctionnement parallèle des sous-ensembles ainsi que le partage de signaux et de données.

Étapes de Spécification et modélisation

• Description (Spécification) fonctionnelle:
  • Modélisation de l'environnement.
  • Extraction des services demandées par l'extérieur.
  • Comportement global dicté par ces services.
• Décomposition fonctionnelle:
  • Répartition de la description sous forme de blocs fonctionnels.
  • Utilisation de la modularité, de la hiérarchie, de l'abstraction.
• Partitionnement architectural (Raffinement):
  • Transformation hiérarchique des descriptions comportementales.

Environnements de spécifications: « HDL »

• Langages de description de matériel « HDL »:
  • Description de tout type de circuit (instructions séquentielles et concurrentes).
  • VHDL : Very high speed integrated circuit HDL.
  • Verilog : similaire à VHDL, mais avec des différences dans la syntaxe et les fonctionnalités.

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

• Diagramme de Gajski:
  • Trois Domaines (vues): Comportemental, Structurel, Géométrique.
  • Cinq Niveaux (complexités):
    • Niveau électrique: Relations d'entrée-sortie dans le temps (timing, délai, fréquence).
    • Niveau logique: Description par équations booléennes.
    • Niveau Architectural (RTL): Description RTL (Register Transfer Language) avec opérations effectuées avec les registres et les opérateurs.
    • Niveau fonctionnel: Description algorithmique.
    • Niveau Spécification: Circuit vu de l'extérieur avec ses contraintes.

Domaine comportemental

• La description comportementale exprime le lien entre les entrées et les sorties d'un élément ou d'une entité. Elle utilise différents niveaux de description.

Domaine structurel

• Le domaine structurel utilise différents niveaux de description, allant des transistors au niveau électrique, aux portes complexes au niveau logique, aux modules comme l'ALU, la RAM, et les contrôleurs au niveau architectural, jusqu'aux fonctions définies par un comportement ou une structure au niveau fonctionnel.