Informatique embarqu�e Informatique ambiante by 3Rl5gr4

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									                 ENSEM

              3ème année




              Chapitre 1
Informatique embarquée
     Problématique


               2005 – 2006

 Françoise Simonot-Lion (simonot@loria.fr)
        http://www.loria.fr/~simonot
                Exemples de systèmes embarqués




                           Disappearing computers
                           Systèmes ambiants




ENSEM - Nancy                  1                    Françoise Simonot-Lion
                                  Définition


       Système embarqué : appareillage remplissant
        une mission spécifique en utilisant un ou
        plusieurs microprocesseurs (boîte noire)

             Électronique numérique, microprocesseurs, calculateurs, …

             Logiciels




ENSEM - Nancy                           2                         Françoise Simonot-Lion
                    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 d’énergie}
                    Exemple : téléphone portable

                 Autonomie fonctionnelle
                  fourniture de services sans sollicitation à d’autres systèmes
                    Exemple : calculatrice

                 Systèmes embarqués à autonomie fonctionnelle partielle
                    Exemple : système électronique embarqué dans l’automobile
                              « smart fridge »

ENSEM - Nancy                                  3                            Françoise Simonot-Lion
                   Quelques données générales

   1990          applications industrielles / militaires / aéronautiques

   2000                        applications grand public


   2004                   marché des systèmes embarqués
                                      supérieur au
                      marché des architectures clients / serveurs + PC



   2004         le citoyen de pays développé utilise quotidiennement,
                de manière transparente, en moyenne 100 processeurs


ENSEM - Nancy                            4                         Françoise Simonot-Lion
                     Caractéristiques générales - 1

   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, …

ENSEM - Nancy                              5                         Françoise Simonot-Lion
                     Caractéristiques générales - 2

   Complexité des architectures informatiques
                  de la puissance et de la complexité d’architecture 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, …



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                      Caractéristiques générales - 3

   Systèmes interagissant …

         Intégration de services fournis en local + services distants

                 Exemple : téléphone, aide à la navigation par GPS, « cartes à

                  puces », …




                  autonomie fonctionnelle




ENSEM - Nancy                                7                          Françoise Simonot-Lion
                    Caractéristiques générales - 4

       Cycle de renouvellement des produits
                                                                     30 … ans




                                                   3 à 5 ans




                                  1 à 2 ans

                           1 an



                6 mois             Diminution des temps de conception


ENSEM - Nancy                       8                          Françoise Simonot-Lion
                     Caractéristiques générales - 5

  Validation : sûreté versus qualité

        Risques supportés / satisfaction + confiance des utilisateurs

        Deux aspects imbriqués :


                Sûreté de fonctionnement           Qualité de service
                     (dependability)
            Fiabilité                         Qualité du service telle
            Disponibilité                     que perçue par l’utilisateur
            Maintenabilité                    Performances
            …
            Sécurité confidentialité
            Sécurité innocuité
ENSEM - Nancy                              9                            Françoise Simonot-Lion
                   Caractéristiques générales - 6

   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




ENSEM - Nancy                             10        Françoise Simonot-Lion
           Cas des systèmes embarqués dans
                     l’automobile




ENSEM - Nancy             11            Françoise Simonot-Lion
                         Contexte général - 1


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

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

           Coût de l’électronique embarquée
      •                                              > 20%
                     Coût du véhicule

     • Logiciel
           1,1 KBytes (1980)  2MBytes (2000)  10MBytes (2004)
ENSEM - Nancy                          12                    Françoise Simonot-Lion
                                                                     Contexte Général - 2
Extrait de la présentation de Joseph Beretta / PSA - 16 et 17 Juin 2003 – http://www.systemes-critiques.org/SECC/

                                                                                                                 Intégration et maturité
                                                                                    Génèse de    Prolifération       des systèmes
                                                                                  l’électronique      de              électriques &
                                                          Électricité de base       automobile l’électronique        électroniques


                                                 35                                                                Multimédia, Soupapes
 % du coût de l ’électronique dans le véhicule




                                                                                                                   électromagnétiques
                                                 30                                                      Télématique,
                                                                                                         alternodémarreur                          GMP
                                                                                                         Gestion d’énergie
                                                 25                                            Multiplexage, ABS

                                                 20                               Injection électronique
                                                                                  Régulateur de vitesse
                                                 15
                                                                                Allumage
                                                 10   Lampes,
                                                                                électronique
                                                                                Alternateur
                                                      radio,
                                                  5   démarreur,
                                                      dynamo
                                                  0
                                                        1920         1940          1960           1980         2000          2010
ENSEM - Nancy                                                                             13                                          Françoise Simonot-Lion
                   Contexte Général - 3

     Lois sur le niveau d’émission de gaz d’échappement
                                     –Confort              nouveaux
     Demande du client final        –Sécurité             services
                                     –Coût

                                     –Time to market       développés
     Demande du constructeur
                                     –Coût                 facilement

                                                 90% innovation par
                                                   l’électronique
                                                  embarquée chez
                                                  Daimler Chrysler
                   Technologie logicielle

ENSEM - Nancy                   14                         Françoise Simonot-Lion
                             Contexte Général - 4

                  coût des composants matériels

              performance et fiabilité des composants
            matériels

                 loi de Moore

                 domaine automobile versus composants électroniques




ENSEM - Nancy                             15                       Françoise Simonot-Lion
                                Contexte Général - 5
         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 l’automobile
ENSEM - Nancy                                   16                             Françoise Simonot-Lion
                              Contexte Général - 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 d’informations sur l’état des autres systèmes
                     embarqués

                    évolutivité des systèmes embarqués (« plug and play »)




ENSEM - Nancy                                  17                              Françoise Simonot-Lion
                                 Problématique - 1

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




ENSEM - Nancy                                  18                             Françoise Simonot-Lion
                                   Problématique - 2

       Complexité architecturale
 Fonctions                                              Architecture de
 critiques                                              communication
                                                        complexe
                 Chassis - Power Train Network
                                                        Comfort Network
                Steering     ABS
                Wheel -ctl         Power Train

                                                                 A-C      Radio ...




                                                                                                                   PSA communication service
                                   ISU                                                Amplifier



                                            Doors   Airbags




  Calculateurs                           Body Network


ENSEM - Nancy                                       19                                        Françoise Simonot-Lion
                             Problématique - 3

       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)




                                                                                             PSA communication service
                  80 dans les modèles haut de gamme DC


             Nombre d’informations échangées au sein du véhicule

                 ~2500 (VW Phaeton)



ENSEM - Nancy                              20                           Françoise Simonot-Lion
                                    Problématique - 4
                                                               Extrait de la présentation de Joseph Beretta / PSA
        Complexité architecturale                             16 et 17 Juin 2003
                                                               http://www.systemes-critiques.org/SECC/


                                                               A340 = ??
  Taille mémoire

                                                A330 = 12 Mo           MULTIMEDIA

     10Mo

                                  A320 = 5 Mo
                                                                      607 Peugeot = 2 Mo.
     1Mo


     100Ko
                   A300 = 23 Ko
                                                                              Augmentation
     10Ko
                                                                              de la taille du
     1Ko
                                     CX Citroën = 1,1 Ko.                     code

                   1970           1980            1990         2000                  2010
ENSEM - Nancy                                            21                                 Françoise Simonot-Lion
                               Problématique - 5
                                                              Coût d’une étude
                                                                    plusieurs millions d’euros
       Développement                                         Coût d’une piece
             Partagé entre plusieurs acteurs                       40/80 Euros
                 Équipementiers (« suppliers » / « subcontractors ») / rang 1 / rang 2
                 Constructeurs
             Interactions entre partenaires
                 Boîtes noires / Boîtes blanches / Boîtes grises
                 Propriétés intellectuelles (IP)
                                                                Sous contraintes
             Processus
                                                                  Coût
                 Top - Down
                                                                  Qualité
                 Bottom - Up (réutilisabilité)
                                                                  Variantes
             Standards                                           Sécurité
             Services et maintenance à assurer pendant ~15 ans



ENSEM - Nancy                                 22                             Françoise Simonot-Lion
                Domaine moto-propulseur (Powertrain)

                            Pédale      Pédale                  Peu de variantes
                         d’accélérateur de frein

Agrément de conduite
Consommation
                          Contrôle-commande du                  …
                                                                Contrôleur A-C
                                  moteur                        Contrôleur ESP
Pollution                    Lois de contrôle
                                complexes


 Importante puissance                 Multi-tâches
                                      instants d’échantillonnage
                                                            / temps moteur (~ 0,1ms.)
 de calcul                                                 périodiques (~ 1 à 5ms)

 (coprocesseurs, mP 16/32 bits,       Contraintes de temps strictes
                                           Échéances
 DSP, …)
                                           Fraîcheur / promptitude
ENSEM - Nancy                        23                                  Françoise Simonot-Lion
                       Domaine Chassis
                                                    Peu de variantes
                        Colonne     Pédale de
                       de direction   frein

Forces
                  Contrôle-commande des roues, de la
 sol            suspension, … (ABS – ESP – ASC – 4WD
                                                              autres
 air                                                          systèmes
                                 - …)
                      Lois de contrôle complexes
                             Sécurité           X-by-Wire

Importante puissance             Multi-tâches
                                        périodes d’échantillonnage
de calcul                               différentes (0,1 ms 100ms.)
(coprocesseurs)                  Distribution
                                 Contraintes de temps strictes
ENSEM - Nancy                    24                         Françoise Simonot-Lion
Conducteur      Domaine Carosserie (Body)
Passagers                                        Variantes nombreuses
                         Lights
                Wipers                           Central
                             Seats                                Autres
                   Windows
                              …                   Body            domaines
                 Mirrors    Doors               Electronic

                 Systèmes réactifs
               Fonctions nombreuses
                                                Entité critique
                                                Tolérance aux fautes




                                                                                  PSA communication service
Réactivité
                                          LIN
                                                Contraintes de temps
Conception incrémentale
                                                 temps de réponse,
Sous-système                 s a s               cohérence temporelle
mécatronique
                                                Ordonnancement
Système distribué                               optimal des tâches
hiérarchisé
ENSEM - Nancy                        25                      Françoise Simonot-Lion
                      Domaine Télématique
                                               Nombreuses
Conducteur                                     variantes
Passagers                                          (hors domaine)
                   Interface Homme-Machine                 Internet
                     Voiture communicante
                                                           GPS

                    Applications multimédia
                                                           Télédiagnostic
                                                           …

  Equipements « upgradable »          Constraintes de sécurité
  Applications « upgradable »         Partage de ressources
  Téléchargement                          « Fluid data streams »
  Conception « Plug and Play »            Bande passante
                                      QoS multimedia


ENSEM - Nancy                    26                           Françoise Simonot-Lion
                                           Garantie en
Garantie stricte
de sûreté et Caractéristiques des domaines moyenne
qualité
                   Applications         Contraintes      Modèles
                      type
     Power train    Systèmes        Temps réel dur Matlab/Simulink
                    continus
     Chassis        Systèmes        Temps réel dur Matlab/Simulink
                    continus          (sécurité –
                                      innocuité))
     Body          Systèmes à           Temps réel     State machine
                   événements                              (SDL,
                     discrets                           Statecharts)
     Telematic -   Traitement de      Temps réel       XML, HTML, …
     HMI             données            souple
                    multimédia        (sécurité–
                                    confidentialité)
ENSEM - Nancy                      27                        Françoise Simonot-Lion
                                        Plan

            Généralités - Définitions
            Caractéristiques générales


           Systèmes embarqués dans l’automobile


            Contexte général
            Problématique
            Domaines
            Problèmes ouverts
                 Standards
                 Réglementation – « X-by-Wire »


           Conclusions

ENSEM - Nancy                              28      Françoise Simonot-Lion
                        En guise de conclusions

       Les systèmes embarqués
             sont omniprésents à l’heure 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

ENSEM - Nancy                               29                             Françoise Simonot-Lion
                            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 l’automobile
             - 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/


ENSEM - Nancy                                30                             Françoise Simonot-Lion

								
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