Syst

1
Systèmes embarquésEnjeux PerspectivesSystèmes
électroniques embarqués dans lautomobile 
Cycle de formation MAGELLAN Etablissements CORA

• 15 mars 2005
• Françoise Simonot-Lion (http//www.loria.fr/simon
  ot)
• Ecole Nationale Supérieure des Mines de Nancy
• LORIA (UMR 7503) Projet INRIA TRIO

2
Exemples de systèmes embarqués
Disappearing computers Systèmes ambiants
3
Plan

• Généralités - Définitions
• Caractéristiques générales
• Systèmes embarqués dans lautomobile
• Contexte général
• Problématique
• Domaines
• Problèmes ouverts
• Standards
• Réglementation  X-by-Wire 
• Conclusions

4
Plan
?

• Généralités - Définitions
• Caractéristiques générales
• Systèmes embarqués dans lautomobile
• Contexte général
• Problématique
• Domaines
• Problèmes ouverts
• Standards
• Réglementation  X-by-Wire 
• Conclusions

5
Définition

• Système embarqué appareillage remplissant une
  mission spécifique en utilisant un ou plusieurs
  microprocesseurs (boîte noire)
• Électronique numérique, microprocesseurs,
  calculateurs,
• Logiciels

6
Système embarqué vs Autonomie

• Système embarqué (définition alternative)
  (ensemble d) unité(s) de traitement possédant
  une certaine autonomie
• Autonomie de fonctionnement
• processeurs, mémoires, réseaux,
  entrées-sorties, logiciels source dénergie
• Exemple téléphone portable
• Autonomie fonctionnelle
• fourniture de services sans sollicitation à
  dautres systèmes
• Exemple calculatrice
• Systèmes embarqués à autonomie fonctionnelle
  partielle
• Exemple système électronique embarqué dans
  lautomobile
•  smart fridge 

7
Quelques données générales
8
Un essai de classification

• Systèmes collectifs large communauté
  dindividus
• (centrale nucléaire, avion, train, )
• 1, 10, 100,
• durée de vie longue durée de développement
  longue
• Contraintes de sûreté fortes
• Coût élevé
• Systèmes personnels individu, groupe
  dindividus
• (téléphone, agenda électronique, pacemaker,
  produits blancs, produits bruns, automobile, )
• 1 000, 1 000 000, grand public
• durée de vie courte  time to market  très
  court
• Contraintes de sûreté plus ou moins fortes
• Coût accessible à un particulier

9
Plan

• Généralités - Définitions
• Caractéristiques générales
• Systèmes embarqués dans lautomobile
• Contexte général
• Problématique
• Domaines
• Problèmes ouverts
• Standards
• Réglementation  X-by-Wire 
• Conclusions

?
10
Caractéristiques générales (1/9)

• Complexité des systèmes et services
• du nombre de services fournis par le
  système
• Exemple téléphone,
• de la mission des systèmes (cf.
  authentification, calculs numériques, navigation
  / Internet, )
• Exemple agendas électroniques, systèmes de
  contrôle de suspension dans une automobile,

11
Caractéristiques générales (2/9)

• Complexité des architectures informatiques
• de la puissance et de la complexité
  darchitecture des processeurs
• architectures RISC, pipe-line, DSP,
• répartition des services sur plusieurs
  calculateurs communicants par des bus locaux,
  réseaux locaux, réseaux sans fil,
• exemple équipements de téléphonie autour de
  Bluetooth,

12
Caractéristiques générales (3/9)

• Systèmes interagissant
• Intégration de services fournis en local
  services distants
• Exemple téléphone, aide à la navigation par
  GPS,  cartes à puces ,
• autonomie fonctionnelle

13
Caractéristiques générales (4/9)

• Cycle de renouvellement des produits

14
Caractéristiques générales (5/9)

• Complexité de conception
• Plusieurs acteurs impliqués dans le développement
  
• Fournisseurs de matériels
• Fournisseurs de logiciels (drivers, OS,
  librairies, )
• Systèmes embarqués (robot) contenant des systèmes
  embarqués (commande daxe)

15
Caractéristiques générales (6/9)

• Complexité de conception
• Production artisanale ?  Automatisation  de la
  production
• Systèmes  dédiés 
• Matériel logiciel spécifiquement développés
• Systèmes  programmables 
• Applications diverses / systèmes divers
  construits sur une technologie commune
• Réutilisation de composants
• Reconfiguration des systèmes au cours de leur vie

16
Caractéristiques générales (7/9)

•  Business model  métiers

client

Expression des besoins ? Propriété
intellectuelle ? Responsabilité ? Validation ?

17
Caractéristiques générales (8/9)

• Validation sûreté versus qualité
• Risques supportés / satisfaction confiance des
  utilisateurs
• Deux aspects imbriqués

Sûreté de fonctionnement (dependability) Qualité de service
Fiabilité Disponibilité Maintenabilité Sécurité confidentialité Sécurité innocuité Qualité du service telle que perçue par lutilisateur Performances
18
Caractéristiques générales (9/9)

• Paradigmes de conception
•  design for cost 
•  design for performance 
•  design for safety 
• Un challenge la certification
• contexte de réglementation
• standards
• procédure de certification
• organismes de certification

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Plan

• Généralités - Définitions
• Caractéristiques générales
• Systèmes embarqués dans lautomobile
• Contexte général
• Problématique
• Domaines
• Problèmes ouverts
• Standards
• Réglementation  X-by-Wire 
• Conclusions

?
20
Contexte général (1/6)

• Production de véhicules
• 40 millions (1998) ? 60 millions (2010)

• Coût des systèmes électroniques embarqués
• 37 000 M (1995) ? 60 000 M (2000)

• Logiciel
• 1,1 KBytes (1980) ? 2MBytes (2000) ? 10MBytes
  (2004)

21
Contexte Général (2/6)

Extrait de la présentation de Joseph Beretta /
PSA - 16 et 17 Juin 2003 http//www.systemes-cri
tiques.org/SECC/

Intégration et maturité des systèmes électriques
électroniques
Génèse de lélectronique automobile
Prolifération de lélectronique
Électricité de base
du coût de l électronique dans le véhicule
35
Multimédia, Soupapes électromagnétiques
Télématique, alternodémarreurGestion dénergie
30
GMP
25
Multiplexage, ABS
20
Injection électronique Régulateur de vitesse
15
Allumage électronique Alternateur
10
Lampes, radio, démarreur, dynamo
5
0
1920
2000
1980
1960
2010
1940
22
Contexte Général (3/6)

• Lois sur le niveau démission de gaz
  déchappement
• Demande du client final
• Demande du constructeur

90 innovation par lélectronique embarquée chez
Daimler Chrysler
Technologie logicielle
23
Contexte Général (4/6)

• coût des composants matériels
• performance et fiabilité des composants
  matériels
• loi de Moore
• domaine automobile versus composants électroniques

24
Contexte Général (5/6)

• Composants électroniques et le contexte automobile

Puissance des processeurs
Taille des circuits imprimés
GHz
mm
3,4GHz
1
300
125mm
0,1
100
56MHz
80mm
1992
2000
2004
2008
1992
2000
2004
2008
Composants électroniques
Composants électroniques dans lautomobile
25
Contexte Général (6/6)

• Émergence des réseaux et instruments de terrain
• Réduction de câblage
• 40 poids pour une portière Mercedes
• 41 de longueur de câble entre les Peugeot 306 et
  307
• Partage des capteurs
• Amélioration des fonctions
• disponibilités dinformations sur létat des
  autres systèmes embarqués
• évolutivité des systèmes embarqués ( plug and
  play )

26
Plan

• Généralités - Définitions
• Caractéristiques générales
• Systèmes embarqués dans lautomobile
• Contexte général
• Problématique
• Domaines
• Problèmes ouverts
• Standards
• Réglementation  X-by-Wire 
• Conclusions

?
27
Problématique (1/5)

• Complexité fonctionnelle
• Lois de contrôle multi-variables
• Modes de fonctionnement
• Interactions entre les fonctions
• Fonctions critiques sécurité fiabilité
  disponibilité
• performances / contraintes de temps

28
Problématique (2/5)

• Complexité architecturale

PSA communication service
29
Problématique (3/5)

• Complexité architecturale
• Nombre de réseaux
• 3 (voiture de gamme moyenne) ? 10 (VW Phaeton)
• Nombre de calculateurs
• 30 (voiture de gamme moyenne), 61 (VW Phaeton),
  70 (BMW Séries 7)
• ? 80 dans les modèles haut de gamme DC
• Nombre dinformations échangées au sein du
  véhicule
• 2500 (VW Phaeton)

PSA communication service
30
Problématique (4/5)
Extrait de la présentation de Joseph Beretta /
PSA 16 et 17 Juin 2003 http//www.systemes-critiq
ues.org/SECC/

• Complexité architecturale

A340 ??
Taille mémoire
MULTIMEDIA
A330 12 Mo
10Mo
A320 5 Mo
607 Peugeot 2 Mo.
1Mo
Airbus
Automobile.
Augmentation de la taille du code
100Ko
A300 23 Ko
10Ko
1Ko
CX Citroën 1,1 Ko.
1980
1970
1990
2000
2010
31
Problématique (5/5)
Coût dune étude plusieurs millions deuros Coût
dune piece 40/80 Euros

• Développement
• Partagé entre plusieurs acteurs
• Équipementiers ( suppliers  /
   subcontractors ) / rang 1 / rang 2
• Constructeurs
• Interactions entre partenaires
• Boîtes noires / Boîtes blanches / Boîtes grises
• Propriétés intellectuelles (IP)
• Processus
• Top - Down
• Bottom - Up (réutilisabilité)
• Standards
• Services et maintenance à assurer pendant 15 ans

Sous contraintes Coût Qualité
Variantes Sécurité
32
Plan

• Généralités - Définitions
• Caractéristiques générales
• Systèmes embarqués dans lautomobile
• Contexte général
• Problématique
• Domaines
• Problèmes ouverts
• Standards
• Réglementation  X-by-Wire 
• Conclusions

?
33
Domaine moto-propulseur (Powertrain)
Peu de variantes
Contrôle-commande du moteur Lois de contrôle
complexes
34
Domaine Chassis
Peu de variantes
Contrôle-commande des roues, de la suspension,
(ABS ESP ASC 4WD - ) Lois de contrôle
complexes
X-by-Wire
Sécurité
35
Domaine Carosserie (Body)
Variantes nombreuses
PSA communication service
36
Domaine Télématique
Nombreuses variantes (hors domaine)
Interface Homme-Machine Voiture
communicante Applications multimédia
37
Caractéristiques des domaines
Applications type Contraintes Modèles
Power train Systèmes continus Temps réel dur Matlab/Simulink
Chassis Systèmes continus Temps réel dur (sécurité innocuité)) Matlab/Simulink
Body Systèmes à événements discrets Temps réel State machine (SDL, Statecharts)
Telematic - HMI Traitement de données multimédia Temps réel souple (sécuritéconfidentialité) XML, HTML,
38
Plan

• Généralités - Définitions
• Caractéristiques générales
• Systèmes embarqués dans lautomobile
• Contexte général
• Problématique
• Domaines
• Problèmes ouverts
• Standards
• Réglementation  X-by-Wire 
• Conclusions

?
39
Informatique embarquée problèmes ouverts

• Développement de standards
• Réglementation (X-by-Wire)
• Configuration - intégration

40
Développement de standards

• Pourquoi ?
• Composants dédiés ? Système
• Optimisation de ressources, flexibilité,
  réutilisabilité, portabilité
• Approches
• Standardiser les architectures de calculateurs
• identifier les composants
• standardiser les interfaces dutilisation des
  composants
• Standardiser les données échangées
• diagnostic
• données capteurs
• Langage de description des architectures

41
Exemple darchitecture standardisée
Operating System (software components)
42
Exemple de langages de description des
architectures

• AIL_Transport (projet Architecture Electronique
  Embarquée AEE)
• EAST ADL (projet européen ITEA EAST-EEA)
• Pour mémoire, dans laéronautique
• AADL
• COTRE

43
Rôle dun langage de description des architectures
Description darchitecture
44
Réglementation

• Pourquoi une réglementation ?
• fiabilité des systèmes électroniques non
  maîtrisée actuellement,
• environnement agressif et mal connu,
• avènement des systèmes X-by-Wire pour des
  fonctions liées à la sécurité

45
Sûreté de fonctionnement des architectures
électroniques embarquées dans lautomobile

• Quelques éléments de comparaison entre
  lavionique et lautomobile (source P. Koopmann
  Carnegie Mellon)

Automobiles (USA) Avions commerciaux (USA)
Unités déployées Heures opérationnelles / an Coût par véhicule Mortalité / an Accidents / an Mortalité / million dheures Qualification des opérateurs Niveau de redondance 100 000 000 30 000 millions 20 000 42 000 21 millions 0,71 Faible Uniquement sur les freins 10 000 55 millions 65 millions 350 170 6,4 Élevée Tout système critique
46
Sûreté de fonctionnement des architectures
électroniques embarquées dans lautomobile

• Pourquoi ne pas utiliser les mêmes approches dans
  lautomobile et lavionique ? (source P. Koopmann
  Carnegie Mellon)
• Redondance massive du matériel ?
• espace, poids, coût
• Logiciel sans faute ?
• 10 nouvelles fonctions / mois
• 200 fonctions ? 800 fonctions sur 25
  calculateurs
• Maintenance non systématisée qualité des
  véhicules
• ?Démarrage avec un réservoir presque vide, une
  niveau dhuile critique
• ?Ignorance des indicateurs (huile, )
• ?Les vieux véhicules continuent à rouler
• Opérateurs
• Non qualifiés
• Pas de contrôle annuel

coûteux
47
Sûreté de fonctionnement des architectures
électroniques embarquées dans lautomobile

• Réglementation
• Rien pour linstant aux niveaux nationaux ou
  internationaux des préconisations internes
• TüV
• Certification
• Standardisation
• DO 178B (aéronautique)
• EN 50128 (transports ferroviaires)
• MISRA
• IEC 61 508
• Définition de niveau de criticité (Safety
  Integrity Level SIL1, SIL4)

Probabilité doccurrence dune défaillance en une
heure lt 10 -9
48
Système X-by-Wire et sûreté de fonctionnement

•  Brake by Wire 
• poids, confort, souplesse, suppression de
  liquides polluants,

• Système électronique
• capteurs, actionneurs,
• calculateurs, logiciels,
• réseaux

PSA communication service
49
Système X-by-Wire et sûreté de fonctionnement

•  Steer by Wire 
• sécurité, poids, confort, souplesse

Des fonctions critiques
Crédit photographique PSA Peugeot - Citroën
50
Sûreté des applications X-by-Wire
Les systèmes de direction ou freinage  tout
électronique  sont des systèmes critiques pour
la sécurité
Comment garantir / vérifier cette propriété sur
une architecture opérationnelle ?
51
Sûreté des applications X-by-Wire
Probabilité davoir une défaillance en une heure
lt 10-9
52
Sûreté des applications X-by-Wire
53
Sûreté des applications X-by-Wire

• Retard  électronique 

t
Évolution de langle volant
Calculateur angle volant
Réseau
Calculateur crémaillère
54
Sûreté des applications X-by-Wire

• Retard électronique  sous perturbations

t
Évolution de langle volant
Calculateur angle volant
Réseau
????
Calculateur crémaillère
55
Plan

• Généralités - Définitions
• Caractéristiques générales
• Systèmes embarqués dans lautomobile
• Contexte général
• Problématique
• Domaines
• Problèmes ouverts
• Standards
• Réglementation  X-by-Wire 
• Conclusions

?
56
En guise de conclusions

• Les systèmes embarqués
• sont omniprésents à lheure actuelle,
• interagissent au sein de systèmes plus vastes
• Les challenges
• coût, performances, qualité
• réglementations, responsabilités,
• sûreté disponibilité, fiabilité,
  sécurité-innocuité, sécurité-confidentialité,
• maîtrise de leur développement, de leur
  évaluation
• logiciels prépondérants systèmes
  (environnement, matériels)

? nouveaux métiers pour les informaticiens
57
Quelques pointeurs

• Projet européen ITEA EAST-EEA (2001/2004)
• http//www.east-eea.net/
• Projet industriel international AUTOSAR
  (2004/2006)
• http//www.autosar.org/
• Quelques bons papiers
• Expanding Automotive Electronic Systems G.
  Leen, D. Heffernan, IEEE Computer Society,
  janvier 2002.
• Les systèmes électroniques embarqués, un enjeu
  majeur pour lautomobile - J. Beretta - PSA
  Peugeot-Citroen, journées de réflexion et de
  prospective sur les systèmes embarqués, juin
  2003,
• http//www.systemes-critiques.org/SECC/
• Sans vouloir faire de publicité travaux du
  LORIA (projet TRIO)
• http//www.loria.fr/equipes/TRIO/