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Ministère de l’Enseignement Supérieur Paix – Travail – Patrie République du Cam

Ministère de l’Enseignement Supérieur Paix – Travail – Patrie République du Cameroun Ministry of Higher Education Peace – Work – fatherland Republic of Cameroon UNIVERSITE DE DOUALA ECOLE NORMALE SUPERIEURE DE L’ENSEIGNEMENT TECHNIQUE B. P. 1872 Douala Cameroun Tél. (Fax) : (237) 340 42 91 - E-mail : enset@camnet.com COURS DE PROMOTION SOCIALE (CPS) Exposé : Systèmes embarqués Filière : Option : Niveau : Génie Electrique Réseaux et Télécommunications 3 Exposants : • Léonel TCHAMOU • Constantin NGUELOHEU • Yves MAKEMTA • Nélie NGUEMTUE • Linda DIBONGUE Enseignant : M. DIPOKO Jonathan Année académique 2012-2013 MATERIELS DANS LES SYSTEMES EMBARQUES Matériels dans les systèmes embarqués 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. On en croise des dizaines par jour 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. Omniprésents, ils le sont déjà et le seront de plus en plus. On 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. Un système embarqué (SE) est un système informatisé spécialisé qui constitue une partie intégrante d’un système plus large ou une machine. Typiquement, c’est un système sur un seul processeur et dont les programmes sont stockés en ROM. En outre c’est une combinaison de logiciel et matériel, avec des capacités fixes ou programmables, qui est spécialement conçu pour un type d’application particulier. Les distributeurs automatiques de boissons, les automobiles, les équipements médicaux, les caméras, les avions, les jouets, les téléphones portables et les PDA sont des exemples de systèmes qui abritent des SE. Les SE programmables sont dotés d’interfaces de programmation et leur programmation est une activité spécialisée. Par 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 Le besoin de miniaturisation et de réduction des coûts 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 reconnaître que chaque jour de nouveaux pas sont franchis dans la miniaturisation (un transistor est placé dans un carré de 0,1µm de coté à l'heure actuelle). Un circuit intégré désigne un bloc constitué par un monocristal de silicium (Puce) de quelques millimètres carrés à l’intérieur duquel se trouve inscrit en nombre variable des composants électroniques élémentaires (Transistors, diodes, résistances, condensateurs). MATERIELS DANS LES SYSTEMES EMBARQUES Matériels dans les systèmes embarqués Les circuits intégrés sont classés selon leurs caractéristiques et leur domaine d'emploi. Le classement peut être le suivant: ASIC : Application Specific Integrated Circuit ce qui signifie : circuit intégré spécifique à une application. Ce sont des circuits intégrés "fabriqués à la demande" . Ils peuvent intégrer des structures analogiques et logiques mais sont d'un coût élevé à petite échelle. Circuits analogiques : ce sont des circuits intégrés qui mettent en forme des informations analogiques. Circuits programmés : ils nécessitent des informations virtuelles (un programme) régissant leur fonctionnement. Ce sont généralement des circuits logiques (µProcesseur, EPLD...) mais ils peuvent être aussi analogiques grâce aux DSP (Digital Signal Processing). Circuits logiques : regroupent les structures logiques intégrées non programmées a) Définition de classes d’intégration Dans l’ordre chronologique, on distingue 4 classes d’intégration : * Les microcircuits SSI (Single Size Intégration) : 100 transistors par cm2. Matériels dans les systèmes embarqués * Les circuits intégrés MSI (Médium Size Intégration) : 1000 transistors par cm2. * Les circuits LSI (Large Size Intégration) : 10000 à 100000 transistors par cm2. * Les circuits VLSI (Very Large Size Intégration) : 0.1 à 1 million transistors par cm2. b) Les familles de circuits intégrés Les circuits faisant partie d'une même famille logique sont conçus pour être associés ensemble avec des règles d'interconnexions simples et communes. Cela implique •un schéma interne reposant sur les mêmes structures •une même alimentation •des mêmes niveaux logiques •des boîtiers identiques Les familles actuelles dans les systèmes embarqués sont: A partir de transistors bipolaires : • saturé : TTL : (Transistor-Transistor-Logic) : logique à transistor d’entrée et transistor de sortie, série N (Normale), H (High speed), et L (Low power). • non-saturé: I2L, CML, ECL (utilisation peu courante) : Couplage électrique des émetteurs. C’est la famille la plus répandue actuellement (électronique numérique très rapide) A partir de transistors MOS (Métal Oxyd Semiconducteurs) • simple : NMOS, PMOS (utilisation peu courante) : circuits composés initialement de transistors canal P (PMOS) puis à canal (NMOS). • complémentaires : CMOS (Complementary MOS) : circuits composés par l’association des 2 types de transistors MOS. Il est à noter que les deux familles les plus utilisées sont : TTL et CMOS. Les critères technologiques fondamentaux dans les circuits intégrés sont : Matériels dans les systèmes embarqués • La tension d'alimentation • Les niveaux logiques : tensions limites associées à chaque niveau • L'immunité au bruit: capacité à ne pas tenir compte des parasites industriels • La sortance : capacité à commander plusieurs autres circuits de même technologie • L'encombrement • Le temps de commutation • La consommation c) Différence entre la technologie CMOS et TTL Technologie TTL Technologie CMOS II) Processeurs embarqué Dans un système électronique, le processeur est un circuit intégré chargé de la commande et de l’exécution des instructions. Les systèmes embarqués utilisent généralement des microprocesseurs à basse consommation d'énergie ou des microcontrôleurs, dont la partie logicielle est en partie ou entièrement programmée dans le matériel, généralement en mémoire dans une mémoire morte (ROM), EPROM, EEPROM, FLASH, etc. (on parle alors de firmware). Les microprocesseurs généralement utilisés dans les SE sont de deux familles : • Les processeurs RISC (Reduced Instruction Set Computer) : Jeu d'instructions réduit (une instruction = 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 grâce aux caches), décodage et exécution rapides des instructions (un cycle sur architecture pipelinée). • Les processeurs CISC (Complex Instruction Set Computer) : Jeu étendu d'instructions complexes (une instruction = 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. Remarque : Les microprocesseurs d’architecture CISC sont les plus anciens et manipulent des instructions complexes ; mais ces dernières sont effectuées à une vitesse relativement lente. Dans les microprocesseurs RISC, les instructions peuvent être exécutées très rapidement (notamment grâce à des mécanismes complexes de décodage comme le pipeline). Il est à noter que cette architecture, maintenant imposée est au cœur de tous les microprocesseurs modernes. III) Dispositifs matériels dans les systèmes embarqués Les systèmes embarqués sont bâtis autour d’un processeur, sa mémoire, ses interfaces d'entrée-sortie interconnectés par des bus. Cette partie correspond à l'architecture matérielle classique d'un ordinateur et est plus ou moins sophistiquée en fonction des besoins de performance du système. Dans les versions les plus simples, on retrouve des architectures matérielles proches de celles des systèmes à microprocesseur des années 1980, avec néanmoins souvent la présence d'accélérateurs matériels spécialisés... Les systèmes à microprocesseur et microcontrôleur font entièrement partis du matériel qui constitue un système embarqué; les processeurs et microcontrôleur embarqués sont généralement du type, 4, 8, 16, 32 bits (taille du mot), RISC ou CISC, DSP (Digital Signal Processing), ASIC (Application Speciﬁc Integrated Processor) et sont de plusieurs familles : notamment la famille 680000 de Motorola, x86, 8086 de Intel etc. Ensuite la famille des PIC, ATM, AVR pour les microcontrôleurs. IV) CAS PRATIQUE : La technologie MERITE MERITE (Mobile Embarqué Reconfigurable Intelligent et Telécommuniquant) est une plate-forme de prototypage de capteurs intelligents sans fils élaborée au sein du groupe Système Electronique (SYEL) du laboratoire Instruments Système Ile de France (LISIF) pour des applications topologiques de réseaux d’objets communicants. La composition de cette plateforme repose sur l’utilisation conjointe de différentes sortes de capteurs (CCD, magnéto résistifs, …), 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 cœur de microprocesseur (IP logicielle). 1°) Application de MERITE L'une des principales applications est la construction d'un réseau d'unités autonomes mobiles capables de se déplacer dans des zones inconnues, inaccessibles, hostiles à l'être humain ou dans des zones à risques (incendie, radiation, tremblement de terre, …) en vue par exemple d'optimiser l'assistance humaine. Dans ce contexte, l'emploi des réseaux de capteurs peut aller des surveillances de routine des périmètres, jusqu'à assister des attaques aériennes ou terrestres et conduire des opérations d'espionnage. Contrainte : Nécessite une telle architecture, dite ad hoc, permet de maintenir le réseau en action suite à la perte d'un ou de plusieurs éléments uploads/Philosophie/ expose-systeme-embarque.pdf