Ministère de l’Enseignement Supérieur
Ministry of Higher Education
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République du Cameroun
Republic of Cameroon Cameroon
UNIVERSITE DE DOUALA ECOLE NORMALE SUPERIEURE DE L’ENSEIGNEMENT TECHNIQUE B. P. 1872 Douala Cameroun Tél. (Fax) : (237) 340 42 91 - E-mal : en!e"#$amne".$om
COURS DE PROMOTION SOCIALE (CPS)
Exposé : Systèmes embarqués
Filière : Génie Electrique Option : Réseaux et Télécommunications Niveau : 3
%&TE'E* D&+* E* *,*TE%E* E%B&'E*
Exposants : •
Léonel TCHAMOU
•
Constantin NGUELOHEU
•
Yves MAKEMTA
•
Nélie NGUEMTUE
•
Linda DIBONGUE
Enseignant : M.
DIPOKO Jonathan
Année académique 2012-2013
Matériels dans les systèmes embarqués
MATERIELS DANS LES SYSTEMES EMBARQUES
Introduction Suite à l’évolution des technologies, les systèmes embarqués nous entourent et nous sommes littéralement envahis par eux, fidèles au poste et prêts à nous rendre service !n en croise des di"aines par #our sans le savoir avant de retrouver son seul et unique PC Ils sont donc partout, discrets, efficaces et dédiés à ce à quoi ils sont destinés !mniprésents, ils le sont dé#à et le seront de plus en plus !n parle en fait d$informatique %et d$électronique& diffuse Ils sont bourrés d$électronique plus ou moins complexe et d$informatique plus ou moins évoluée 'n système embarqué %S(& est un système informatisé spécialisé qui constitue une partie intégrante d’un système plus large ou une machine )ypiquement, c’est un système sur un seul processeur et dont les programmes sont stoc*és en +! (n outre c’est une combinaison de logiciel et matériel, avec des capacités fixes ou programmables, qui est spécialement con-u pour un type d’application particulier .es distributeurs automatiques de boissons, les automobiles, les équipements médicaux, les caméras, les avions, les #ouets, les téléphones portables et les /01 sont des exemples de systèmes qui abritent des S( .es S( programmables sont dotés d’interfaces de programmation et leur programmation est une activité spécialisée /ar la suite nous parlerons de la partie électronique %dispositifs matériels, processeurs, circuits intégrés etc&, composante primordiale dans un système embarqué
I)
Technologie des circuits intégrés utilisés dans les SE
.e besoin de miniaturisation et de réduction des co2ts ont depuis longtemps poussé les fabricants de composants électroniques à intégrer au maximum les structures électroniques donnant naissance aux circuits intégrés Si à l$heure actuelle tout ne peut pas encore être intégré %éléments nécessitant une forte dissipation de chaleur, condensateurs de grosse capacité, tubes électroniques&, il faut reconna3tre que chaque #our de nouveaux pas sont franchis dans la miniaturisation %un transistor est placé dans un carré de 4,56m de coté à l$heure actuelle& 'n circuit intégré désigne un bloc constitué par un monocristal de silicium %/uce& de quelques millimètres carrés à l’intérieur duquel se trouve inscrit en nombre variable des composants électroniques élémentaires %Transistors, diodes, résistances, condensateurs&.
Matériels dans les systèmes embarqués
.es circuits intégrés sont classés selon leurs caractéristiques et leur domaine d$emploi .e classement peut être le suivant7
ASIC : 1pplication Specific Integrated 8ircuit ce qui signifie 7 circuit intégré spécifique à une application 8e sont des circuits intégrés 9fabriqués à la demande9 Ils peuvent intégrer des structures analogiques et logiques mais sont d$un co2t élevé à petite échelle Circuits analogiques 7 ce sont des circuits intégrés qui mettent en forme des informations analogiques Circuits programmés 7 ils nécessitent des informations virtuelles %un programme& régissant leur fonctionnement 8e sont généralement des circuits logiques %6/rocesseur, (/.0& mais ils peuvent être aussi analogiques gr:ce aux 0S/ %0igital Signal /rocessing& Circuits logiques 7 regroupent les structures logiques intégrées non programmées
a)
é!inition de classes d"intégration
0ans l’ordre chronologique, on distingue ; classes d’intégration 7 # .es microcircuits SSI (Single Size Intégration) 7 544 transistors par cm<
Matériels dans les systèmes embarqués
# .es circuits intégrés $SI (Médium Size Intégration) 7 5444 transistors par cm< # .es circuits %SI (Large Size Intégration) 7 54444 à 544444 transistors par cm< # .es circuits &%SI (Very Large Size Intégration) 7 45 à 5 million transistors par cm<
b)
%es !amilles de circuits intégrés
.es circuits faisant partie d$une même famille logique sont con-us pour être associés ensemble avec des règles d$interconnexions simples et communes 8ela implique =un schéma interne reposant sur les mêmes structures =une même alimentation =des mêmes niveaux logiques =des bo3tiers identiques .es familles actuelles dans les systèmes embarqués sont7 1 partir de transistors bipolaires 7 •
saturé 7 TT% 7 %)ransistor>)ransistor>.ogic& 7 logique à transistor d’entrée et transistor de sortie, série ' %?ormale&, ( %@igh speed&, et % %.oA poAer&
= non>saturé7 I%* C$%* EC% %utilisation peu courante& 7 8ouplage électrique des émetteurs 8’est la famille la plus répandue actuellement %électronique numérique très rapide& 1 partir de transistors $+S %étal !xyd Semiconducteurs& =
=
simple 7 '$+S* P$+S %utilisation peu courante& 7 circuits composés initialement de transistors canal P %P$+S& puis à canal %'$+S& complémentaires 7 C$+S %8omplementary $+S& 7 circuits composés par l’association des < types de transistors $+S Il est à noter que les deux familles les plus utilisées sont 7 TT% et C$+S, .es critères technologiques fondamentaux dans les circuits intégrés sont 7
Matériels dans les systèmes embarqués
• • • • • • •
.a tension d$alimentation .es niveaux logiques 7 tensions limites associées à chaque niveau .$immunité au bruit7 capacité à ne pas tenir compte des parasites industriels .a sortance 7 capacité à commander plusieurs autres circuits de même technologie .$encombrement .e temps de commutation .a consommation c) i!!érence entre la technologie C$+S et TT%
)echnologie TT%
)echnologie C$+S
II) Processeurs embarqué 0ans un système électronique, le processeur est un circuit intégré chargé de la commande et de l’exécution des instructions .es systèmes embarqués utilisent généralement des microprocesseurs à basse consommation d$énergie ou des microcontrBleurs, dont la partie logicielle est en partie ou entièrement programmée dans le matériel, généralement en mémoire dans une mémoire morte %+!&, (/+!, ((/+!, C.1S@, etc %on parle alors de firmAare& .es microprocesseurs généralement utilisés dans les S( sont de deux familles 7
•
.es processeurs -ISC %+educed Instruction Set 8omputer& 7 Deu d$instructions réduit %une instruction E une opération élémentaire&, codage uniforme, modes d$adressage simples, utilisation intensive des registres du processeur compilation
Matériels dans les systèmes embarqués
moins facile, code moins compact, plus d$accès mémoire %pénalisation réduite gr:ce aux caches&, décodage et exécution rapides des instructions %un cycle sur architecture pipelinée& •
.es processeurs CISC %8omplex Instruction Set 8omputer& 7 Deu étendu d$instructions complexes %une instruction E plusieurs opérations élémentaires&, compilation et programmation en assembleur relativement facilitées, code compact, limitation des accès mémoire, temps de décodage et d$exécution des instructions trop long
-emarque 7 .es microprocesseurs d’architecture CISC sont les plus anciens et manipulent des instructions complexes F mais ces dernières sont effectuées à une vitesse relativement lente 0ans les microprocesseurs -ISC, les instructions peuvent être exécutées très rapidement %notamment gr:ce à des mécanismes complexes de décodage comme le pipeline& Il est à noter que cette architecture, maintenant imposée est au cGur de tous les microprocesseurs modernes
III)
ispositi!s matériels dans les systèmes embarqués
.es systèmes embarqués sont b:tis autour d’un processeur, sa mémoire, ses interfaces d$entrée>sortie interconnectés par des bus 8ette partie correspond à l$architecture matérielle classique d$un ordinateur et est plus ou moins sophistiquée en fonction des besoins de performance du système 0ans les versions les plus simples, on retrouve des architectures matérielles proches de celles des systèmes à microprocesseur des années 5H4, avec néanmoins souvent la présence d$accélérateurs matériels spécialisés .es systèmes à microprocesseur et microcontrBleur font entièrement partis du matériel qui constitue un système embarquéF les processeurs et microcontrBleur embarqués sont généralement du type, ;, , 5J, K< bits %taille du mot&, -ISC ou CISC, SP %0igital Signal /rocessing&, ASIC %1pplication SpeciLc Integrated /rocessor& et sont de plusieurs familles 7 notamment la famille J4444 de otorola, xJ, 4J de Intel etc (nsuite la famille des PIC, AT$, A&- pour les microcontrBleurs I&)
CAS P-ATI./E : %a technologie $E-ITE
$E-ITE %obile (mbarqué +econfigurable Intelligent et )elécommuniquant& est une plate>forme de prototypage de capteurs intelligents sans fils élaborée au sein du groupe Système (lectronique %SM(.& du laboratoire Instruments Système Ile de Crance %.ISIC& pour des applications topologiques de réseaux d’ob#ets communicants .a composition de cette plateforme repose sur l’utilisation con#ointe de différentes sortes de capteurs %880, magnéto résistifs, N&, d’une unité de traitement et de routage, d’un module de radiocommunication sans fil
Matériels dans les systèmes embarqués
utilisant la norme Bluetooth et d’une unité de traitement et de routage basée sur un cGur de microprocesseur %I/ logicielle&
01) Application de $E-ITE .$une des principales applications est la construction d$un réseau d$unités autonomes mobiles capables de se déplacer dans des "ones inconnues, inaccessibles, hostiles à l$être humain ou dans des "ones à risques %incendie, radiation, tremblement de terre, N& en vue par exemple d$optimiser l$assistance humaine 0ans ce contexte, l$emploi des réseaux de capteurs peut aller des surveillances de routine des périmètres, #usqu$à assister des attaques aériennes ou terrestres et conduire des opérations d$espionnage Contrainte 7 ?écessite une telle architecture, dite ad hoc , permet de maintenir le réseau en action suite à la perte d$un ou de plusieurs éléments et nécessite un module de routage 1) Architecture !onctionnelle et matérielle .’architecture fonctionnelle de (+I)( est composée des unités suivantes 7 • • • • •
'nité 'nité 'nité 'nité 'nité
de capteur d’acquisition F de détection de mouvement F de réseau de neurone F de compression F d’interface radio sans fil
Matériels dans les systèmes embarqués
21) Système d"acquisition et de routage de $E-ITE .a plateforme expérimentale du système d’acquisition et de routage de (+I)( est con-ue autour du *it de développement 1.)(+1 et comprend essentiellement K unités à savoir une unité d’acquisition, une unité de routage et une unité d’interface radio
/nité d"acquisition .e rBle de l’unité d’acquisition est d’obtenir des mesures numériques des paramètres environnementaux /our cela, l’unité d’acquisition est basée dans un premier temps sur l’utilisation de trois capteurs analogiques 7 'n capteur de température S)5J4K4, 'n capteur d’humidité de type résistive, 'n capteur de monoxyde de carbone %8!&, @S5K; /our qu’elles soient traitées, les mesures obtenues par les capteurs sont numérisées par un unique convertisseur analogique numérique de type 10O54 /nité de routage .e rBle de l’unité de routage est d’acquérir les informations en provenance de l’unité d’acquisition et de les envoyer à l’unité de radiocommunication afin que l’unité de contrBle puisse les réceptionner correctement par l’intermédiaire d’autres systèmes
Matériels dans les systèmes embarqués
/nité de radiocommunication /our réaliser notre réseau de capteurs sans fil, deux normes peuvent être utilisées, soit la norme Bluetooth %I(((4<5P& soit la norme WII %I(((4<55b& .e choix entre ces deux normes dépend essentiellement de plusieurs caractéristiques comme la consommation, la possibilité de réaliser des réseaux ad hoc , la simplicité d’interfa-age avec la plateforme 1.)(+1 Conclusion .es systèmes enfouis et embarqués étant des systèmes informatiques invisibles, ils partagent bien évidemment un grand nombre de caractéristiques communes avec les systèmes informatiques classiques /our les produits bas de gamme, on retrouve beaucoup des caractéristiques des premiers systèmes à base de microprocesseurs des années 5H4 .a spécificité des systèmes embarqués est l$ensemble des contraintes particulières que nous avons passées en revue 7 co2t, encombrement, énergie, fiabilité, etc qui particularisent les problèmes de conception et de réalisation /armi les systèmes embarqués, les systèmes critiques ont de plus en plus d$importance dans certains domaines, comme on peut le voir avec l$augmentation continue des systèmes électroniques dans l$automobile .es systèmes enfouis et embarqués deviennent de plus en plus répandus dans la vie courante, des ob#ets de communication à l$aide aux personnes :gées ou malades 0e même que l$informatique traditionnelle
