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1 IT331 : Les systèmes embarqués. Linux pour l’embarqué pk/enseirb/2013 v8 - 1

1 IT331 : Les systèmes embarqués. Linux pour l’embarqué pk/enseirb/2013 v8 - 1 - ENSEIRB-MATMECA Patrice KADIONIK ENSEIRB-MATMECA email : kadionik@enseirb-matmeca.fr web : http://kadionik.vvv.enseirb-matmeca.fr/ Les systèmes embarqués. Linux pour l’embarqué IT331 : Les systèmes embarqués. Linux pour l’embarqué pk/enseirb/2013 v8 - 2 - OBJECTIFS DU COURS 2 IT331 : Les systèmes embarqués. Linux pour l’embarqué pk/enseirb/2013 v8 - 3 - HISTORIQUE • V1.0 09/02 : Création du document. • V2.0 09/03 : MAJ des offres Linux embarqué pour plus de clarté. Ajout mesures performances TR. • V 2.1 09/03 : Ajout chapitre sur la mise au point des systèmes embarqués. • V 2.2 09/05 : MAJ sécurité hardware. • V 2.3 11/06 : MAJ. • V 3.0 09/07 : MAJ et remise en forme. • V 4.0 10/08 : MAJ. Connectivité IP supprimée. • V 5.0 10/10 : MAJ. Partie RTLinux revue. A terme supprimée. • V 7.0 09/11 : MAJ et remise en forme. • V 8.0 02/13 : MAJ et remise en forme. Partie sécurité hardware supprimée. Partie RTLinux supprimée. Ajout parties PREEMPT-RT et Xenomai. IT331 : Les systèmes embarqués. Linux pour l’embarqué pk/enseirb/2013 v8 - 4 - CHAPITRE 0 : INTRODUCTION 3 IT331 : Les systèmes embarqués. Linux pour l’embarqué pk/enseirb/2013 v8 - 5 - INTRODUCTION • Cette formation a pour but de présenter les éléments techniques pour appréhender au mieux le monde des systèmes embarqués : – Les systèmes embarqués aujourd’hui. – Le codesign : développement conjoint matériel et logiciel. – Linux embarqué : Les concepts. Le panorama. Mise en œuvre de Linux embarqué par l’exemple. – Le Temps Réel sous Linux. Les concepts. Le panorama. Mise en œuvre de PREEMPT-RT et Xenomai par l’exemple. – La mise au point des systèmes embarqués : conception, les outils de debug, trucs et astuces. IT331 : Les systèmes embarqués. Linux pour l’embarqué pk/enseirb/2013 v8 - 6 - CHAPITRE 1 : LES SYSTEMES EMBARQUES AUJOURD’HUI. LE BESOIN D’EMBARQUER INTERNET 4 IT331 : Les systèmes embarqués. Linux pour l’embarqué pk/enseirb/2013 v8 - 7 - PARTIE 1 : CARACTERISTIQUES D’UN SYSTEME EMBARQUE IT331 : Les systèmes embarqués. Linux pour l’embarqué pk/enseirb/2013 v8 - 8 - • Les systèmes (numériques) embarqués ont vu leur importance progresser au rythme de l’importance prise par les microprocesseurs. – 1971 : premier microprocesseur 4 bits 4004 d’Intel à 92,5 kHz vendu 200 $. Le succès a été là tout de suite. – Juin 1978 : premier processeur x86 8086 à 4,77 MHz (technologie 3 µm, 29000 transistors), bus d’adresse 20 bits à 9,1 Mo/s, bus de données 16 bits. – Juin 1979 : 8088 intégré dans le premier IBM-PC en 1981. – Motorola, Zilog, TI ont emboîté le pas… • Le marché des microprocesseurs est un marché qui croît de façon exponentielle. IMPORTANCE DU MARCHE DE L’EMBARQUE 5 IT331 : Les systèmes embarqués. Linux pour l’embarqué pk/enseirb/2013 v8 - 9 - • Deux lois empiriques sont vérifiées depuis 30 ans (en plus de la loi de Moore) : – Loi de JOY : la puissance CPU en MIPS double tous les 2 ans. – Loi de RUGE : on a besoin d’une Bande Passante de 0,3 à 1 Mb/s par MIPS. • Le marché du microprocesseur a aussi tiré le marché des systèmes embarqués et des télécommunications. IMPORTANCE DU MARCHE DE L’EMBARQUE IT331 : Les systèmes embarqués. Linux pour l’embarqué pk/enseirb/2013 v8 - 10 - • Grâce aux progrès de l’intégration sur silicium, on est passé rapidement du processeur 4 bits au : – Processeur 8 bits. – au… – Processeur 64 bits. • Il ne faut pas croire que le marché du microprocesseur se résume à celui du PC via les processeurs x86. IMPORTANCE DU MARCHE DE L’EMBARQUE 6 IT331 : Les systèmes embarqués. Linux pour l’embarqué pk/enseirb/2013 v8 - 11 - • La figure suivante démontre le contraire (année de référence 1999) : IMPORTANCE DU MARCHE DE L’EMBARQUE IT331 : Les systèmes embarqués. Linux pour l’embarqué pk/enseirb/2013 v8 - 12 - • Il a été vendu 108 millions de processeurs x86 pour le marché du PC contre 1,4 milliard de processeurs 8 bits pour le marché des systèmes embarqués (appelé aussi marché de l’embarqué). • On voit ainsi que 2 % des processeurs vendus sont pour le marché du PC. Dans 85 % des cas, Microsoft Windows est utilisé. Pour 98 % des autres processeurs vendus, on utilisera généralement un autre système d’exploitation (OS). • On trouvera ici dans 50 % des cas un OS propriétaire. Beaucoup optent pour des OS libres comme Linux embarqué… IMPORTANCE DU MARCHE DE L’EMBARQUE 7 IT331 : Les systèmes embarqués. Linux pour l’embarqué pk/enseirb/2013 v8 - 13 - • En 2004, il a été vendu environ 260 millions de processeurs pour le marché du PC grand public à comparer aux 14 milliards de processeurs tout type confondu (microprocesseur, microcontrôleur, DSP) pour le marché de l'embarqué. • Si l'on regarde le prix moyen d'un processeur tout type confondu, on arrive à 6 USD par unité à comparer au prix moyen de 300 USD par unité pour un processeur pour PC. Le marché du processeur pour PC est très faible en volume mais extrêmement lucratif ! IMPORTANCE DU MARCHE DE L’EMBARQUE IT331 : Les systèmes embarqués. Linux pour l’embarqué pk/enseirb/2013 v8 - 14 - • Moins de 10 % des processeurs vendus sont des processeurs 32 bits pour près de 31 % du chiffre d'affaire sur les processeurs. • Cette part du chiffre d'affaire était de 48 % pour 2008 : cela montre la migration rapide vers ces processeurs 32 bits dans l'embarqué, condition nécessaire pour pouvoir mettre en oeuvre un système d’exploitation comme Linux. • Actuellement, les processeurs 32 bits sont la norme. Dans ce cas, il faut avoir le réflexe aussi d’embarquer un véritable système d’exploitation… IMPORTANCE DU MARCHE DE L’EMBARQUE 8 IT331 : Les systèmes embarqués. Linux pour l’embarqué pk/enseirb/2013 v8 - 15 - Embedded Processor System Requirement Feature Benefit I/O Control I/O Ports with bit-level control Efficient control of external devices Direct interface to actuators, switches and digital status signals Peripheral Communication Serial Ports : SPI, I²C, Microwire, UART, CAN Hardware support for expansion & external device networking and communications Precision control of motors and actuators Sophisticated timers and PWM peripherals Low software overhead Quickly resolve complex software program control flow Conditional jumps Bit test instructions Interrupt priority control Efficiently implement control oriented algorithms Fast response to external events External interrupts with multiple priority levels Program control immediately redirected on event occurrence with minimal overhead Microcontroller Conversion of sensor data Analog-to-Digital (A/D) Converters Hardware support for external sensors LE CHOIX D’UN PROCESSEUR POUR L’EMBARQUE IT331 : Les systèmes embarqués. Linux pour l’embarqué pk/enseirb/2013 v8 - 16 - Embedded Processor System Requirement Feature Benefit Software Filters Multiply/Accumulate Unit Zero-overhead loops Digital filtering in few cycles Interface to codecs High-speed serial ports Hardware support for translation of analog signals High data Throughput from serial ports Peripheral DMA Less wasted cycles fetching data from serial ports DSP Fast data access Harvard architectures and variants Fast execution of signal processing algorithms LE CHOIX D’UN PROCESSEUR POUR L’EMBARQUE 9 IT331 : Les systèmes embarqués. Linux pour l’embarqué pk/enseirb/2013 v8 - 17 - Besoin Miniature Petit Moyen Haut de gamme PC embarqué Embarqué haute disponibilité Taille RAM <0,1 Mo 0,1- 4 Mo 2-8 Mo 8-32 Mo 16-64 Mo > x Mo Taille ROM/FLASH 0,1-0,5 Mo 0,5- 2 Mo 2-4 Mo FLASH 4-16 Mo FLASH xx Mo Go-To Processeurs DragonBall 68K ColdFire ARM MIPS, ARM, Cortex Hitachi SH x86, PowerPC NIOS II, MicroBLaze, Leon x86 PowerPC Caractéristiques matérielles MMU optionnelle Ardoise Internet Carte unité centrale System on Chip (SoC) CompactPCI Exemples d’applications Caméra numérique PDA Téléphone Routeur Décodeur Stockage en réseau Imprimante en réseau Commutateur téléphonique Routeur haute performance Serveur central PROCESSEUR 32 BITS POUR L’EMBARQUE IT331 : Les systèmes embarqués. Linux pour l’embarqué pk/enseirb/2013 v8 - 18 - • Un système embarqué peut être défini comme un système électronique et informatique autonome ne possédant pas des entrées/sorties standards comme un clavier ou un écran d'ordinateur (PC). • Le système matériel et l’application sont intimement liés et noyés dans le matériel et ne sont pas aussi facilement discernables comme dans un environnement de travail classique de type PC. Un système embarqué est donc un système électronique et informatique autonome, qui est dédié à une tâche bien précise. SYSTEME EMBARQUE : DEFINITION 10 IT331 : Les systèmes embarqués. Linux pour l’embarqué pk/enseirb/2013 v8 - 19 - • Un système embarqué : – Est un système numérique. – Utilise généralement un processeur. – Exécute un logiciel dédié pour réaliser une fonctionnalité précise. – N’a pas réellement de clavier standard (BP, clavier matriciel...). L’affichage est limité (écran LCD…) ou n’existe pas du tout. – N’est pas un PC traditionnel. SYSTEME EMBARQUE : DEFINITION IT331 : Les systèmes embarqués. Linux pour l’embarqué pk/enseirb/2013 v8 - 20 - • Différences avec un ordinateur de bureau : – L’interface IHM peut être aussi simple qu’une led qui clignote ou aussi complexe qu’un système de vision de nuit. – Des uploads/s3/ curs-bun-2013embeddedsystem-enseirb-v8-1.pdf