Introduction l'informatique embarqu Une vue partielle

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Introduction à l'informatique embarqué- Une vue
partielle -

• F. Bodin
• JPI 2006

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Introduction

• Les systèmes embarqués/enfouis sont dune très
  grande diversité
• Attributs distinctifs
• Réactif à des événements externes
• Temps réel
• La technologie évolue rapidement
• Augmentation de performances
• Multiplication des solutions
• Complexité des systèmes en forte croissance
• Stresse la conception et la vérification
• Mais les coûts doivent être limités

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Définition

• Difficile à définir précisément nimporte quel
  système qui nest pas un PC/station de
  travail/serveur
• Calculateurs dédiés à quelques applications/foncti
  ons enfouis dans un appareil
• Généralement pas de clavier ni daffichage
• Remplace fréquemment des dispositifs analogiques,
  électromécaniques

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Temps Réel

• Temps réel strict
• Les échéances doivent être strictement
• Applications critiques
• Temps réel  mou 
• Les échéances peuvent parfois être abandonnées ou
  on peut fournir une réponse dégradée
• Applications multimédia

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Systèmes enfouis versus systèmes généralistes

• Compatibilité binaire non essentiel
• Compromis matériel/logiciel
• Recherche dun compromis dans un large univers de
  solutions

Source M. Auguin
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Un domaine contraint par les coûts

• De nombreuses contraintes
• Faibles marges
• Temps de mise sur le marché court
• Conception, performance
• Développement
• Vérification, validation,
• Surface de silicium
• Taille des mémoires (codes, données)
• Consommation électrique, poids,
• Spécialisation pour un meilleur rapport qualité
  prix
• Mais réutilisation réduite
• Hétérogène

source Vahid/Givargis
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Un exemple de structureAppareil photo numérique
Logiciel
Matériel
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Quelques tendances

• Matériel
• de matériel programmable
• Logiciel
• Volume des logiciels croît rapidement
• Co-design / modèles
• de méthodes formelles

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Matériel
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Productivité
1981
1985
1989
1993
1997
2001
2005
2009
1983
1987
1991
1995
1999
2003
2007
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Evolution du volume des logiciels
Tendance Générale
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Développement des applications

• A base de modèles
• Co-design, preuve formelle,
• Plutôt réservé aux systèmes critiques
• Mise en uvre directement en assembleur
• Maîtrise des coûts (en apparence)
• SSI / pays à faible coût de main doeuvre
• Pas de nouvelles compétences nécessaires
• Langage de haut niveau (surtout C)
• Développement dun compilateur
• Pérennité
• Impact potentiellement important sur les coûts

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Assembleur versus code compilé
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Co-design / modèles

• Partitionnement
• Génération du matériel et du logiciel
• Génération des communications

source M. Auguin
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Une grande variété de composants de calculs -1

• ASIC -Application Specific Integrate Circuit
• Fonction complète ou coprocesseur
• ASIP -Application Specific Instruction-set
  Processor
• Processeur spécialisé pour quelques applications
• Jeu dinstructions et architecture adaptée à
  lapplication
• Meilleurs rapports MIPS/mW et MIPS/mm2 que RISC
  et DSP
• Mais coût de développement du compilateur
• ASSP -Application Specific Standard Product
• Composant qui réalise une fonction spécifique
• DSP, VLIW
• Processeurs dédiés au traitement de signal,
  application multimédia

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Une grande variété de composants de calculs -2

• Microcontroleurs
• RISC/ Superscalaires
• ARM, PowerPC, Sparc,
• FPGA -Field Programmable Gate Array
• Reconfigurable
• Accélérateur de calculs (coprocesseur)
• System on a Chips, Systèmes multiprocesseurs
• Ensemble dunités interconnectées sur une même
  puce

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RISC / Superscalaires

• Processeur généraliste 8-16-32 bits

Processeur RISC XScale - ARM/Intel
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Digital Signal Processing

• Organisation Harvard adaptée au traitement de
  signal

Générationdadresseefficace etspécialisée
Source O. Sentieys
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VLIW (Very-Long-Instruction-Word)

• Parallélisme géré par le compilateur
• Contrôle simple mais compilateur complexe
• Microarchitecture simple et performante
• Mais taille de code importante
• Généralement clusterisé (1 cluster banc de
  registres unités fonctionnelles)
• Réduction de la complexité des chemins de données

1 cluster ST200
source ST
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System on a Chip

• Système complet mis en uvre sur la même puce
• SoC pour les télécoms un microprocesseur, un
  DSP, RAM, ROM,
• Utilisation du parallélisme
• Accroissement des performances, maîtrise de la
  complexité et de la consommation

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SoC Multiprocesseurs

• Philips Wasabi

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Quelques exemplesde systèmes enfouis

• Lecture par télémétrie de compteur
• Set-top-box, TV
• Routage réseaux
• Console de jeux

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Mesure de compteur deau par télémétrie

• Fonctionnel pendant 12 à 20 ans sur une batterie
• Processeur très basse consommation
• TI MPS MSP430x (ultra basse consommation mode
  actif 280 microA à 1 MHz, 2.2V, en attente 1.6
  microA).
• Mémoire très limitée (256 ou 512 octets de RAM)

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Automobile

• Une Mercedes classe S 65 processeurs
• 27-30 du coût dun véhicule, soriente vers 40
  du coûts (2020) source PSA
• Logiciels dans un véhicule
• 1980 1k, 2000 2Mo,
• même tendance que laéronautique
• Multiples systèmes communiquant par des réseaux

Source numatec automotive
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TV / Set top box

• Exemple du Philips Nexperia
• Intégration dASIC et CPU VLIW/RISC

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Routage (Intel - iapx 2400)

• Adapté à la mise eu uvre de routeur de type
  TCP/IP
• Processeur Risc
• 16 Micro-engines
• I/O Half Duplex OC-192 / 10Gbps, 2 x 16 bit
  LVDS Transmit x Receive (SPI-4, CSIX-L2), 500Mhz
• Mémoire RDRAM (400Mhz), QDRSRAM (200Mhz),
  Scratchpad
• 25 watts (1.4 Ghz)

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Console de jeux

• Sony PlayStation 3 à base de processeur Cell,
  3.2 GHz, 234 Mtransistor, graphique RSX (Nvidia
  GeForce based design)
• Un processeur maître
• 8 processeurs spécialisés (SIMD - 128 bit)

source IBM
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Quelques exemples de problématiques

• Instructions spécialisées
• Compilateur - optimisation de code
• Analyse de temps dexécution
• Consommation électrique
• Simulation

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Instructions spécialisées
Opérations multimédia Arithmétique saturée
int sadd(int a, int b) int result result
ab if (((ab) 0x80000000) 0) if
((resulta) 0x80000000) result (alt0)?
0x800000000x7fffffff return result
result _sadd(a,b)
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Consommation électrique

• Techniques VLSI mais aussi architecturales et
  logicielles pour diminuer la consommation
• Contrôle de la fréquence et du voltage
• Performances prédictibles?
• Puissant facteur de lévolution de la technologies

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Analyse de temps dexécution

• Déterminer le temps maximum dexécution des
  programmes
• Dimensionnement et vérification du système
• Prendre en compte les éléments dynamiques
• Chemin dans les programmes
• Comportement de larchitecture
• Modèle darchitecture?

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Compilateur -optimisation de code

• Nécessaire avec laugmentation de la taille des
  logiciels enfouis
• Utilisé en avance de phase pour la validation et
  le dimensionnement
• Déterminer les temps dexécution
• Mais doit
• Produite un code très compact et très optimisé
• Être mis en uvre rapidement (reciblable)

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Simulation

• Nécessaire à la validation et au dimensionnement
  des systèmes
• Simulation à partir RTL, VHDL,
• Lente mais précise
• Simulation compilée un code compilé imite le
  comportement du code sur le processeur
• simulation rapide
• éventuellement imprécise temporellement
• Ad-hoc
• Rapide (parfois) mais coûteuse à produire
• Exemple Simics/Virtutech système complet

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Et aussi

• Profiling, analyse dexécution
• Systèmes dexploitation temps réel
• Programmation FPGA
• Technologies objet, Java
• Sécurité, tests,
• Réseau
• Parallélisation de code, threads
• Technologie sans fil
• Bus, périphériques, mémoire,

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Conclusion

• Les systèmes enfouis intègrent de multiples
  dimensions
• La conception requiert lintégration de très
  nombreuses technologies
• Recherche de compromis complexe
• Une convergence entre le calcul haute performance
  et les systèmes multimedia