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Informatique Industrielle Les systèmes embarqés Laurent Barbé (laurent.barbe@un

Informatique Industrielle Les systèmes embarqés Laurent Barbé (laurent.barbe@unistra.fr) http://eavr.u-strasbg.fr/~barbe INSA Strasbourg, spécialité mécatronique Informatique Industrielle Sommaire 1 Avant-propos 2 Introduction 3 Architecture matérielle 4 Architecture logicielle 5 Application robotique Laurent Barbé | cbna 2 / 144 Informatique Industrielle | Avant-propos Contents 1 Avant-propos 2 Introduction 3 Architecture matérielle 4 Architecture logicielle 5 Application robotique Laurent Barbé | cbna 3 / 144 Informatique Industrielle | Avant-propos Avant-propos Qui suis-je ? Laurent Barbé, ingénieur de recherche en contrôle-commande des systèmes robotiques au Laboratoire ICube équipe Automatique, Vision et Robotique (AVR) et rataché à la plate-forme Imagerie Interventionnelle et Robotique Médicale (I2RM). Qu’est ce que je fais? Contrôle-commande pour des systèmes robotiques dans le domaine médical. Programmation systèmes embarqués (contraintes temps-réel), intégration et commande de solutions d’actionnement pour la robotique Laurent Barbé | cbna 4 / 144 Informatique Industrielle | Avant-propos Avant-propos Comment allons-nous travailler ? 1 Introduction et rappel terminologie et notions d’informatique 2 Les notions de bases sur les contraintes temps-réel pour les systèmes embarqués 3 Présentation du système que vous allez utiliser pour le projet 4 Projet ... 5 Exposé des résultats obtenus Laurent Barbé | cbna 5 / 144 Informatique Industrielle | Avant-propos Avant-propos Organisation du cours 4 séances de cours/TD 4 séances de suivi de projet par groupe (intervenants L. Barbé et C. Roth): Groupe 1 : étudiants Master Groupe 2 : étudiants non Master dernière séance évaluation des résultats obtenus au cours du projet Le projet par groupe de 3 à 4 étudiants ; responsabilité des maquetes ; évaluation (par groupe) : Présentation du matériel, méthodes, résultats et analyse. Laurent Barbé | cbna 6 / 144 Informatique Industrielle | Avant-propos Avant-propos Pré-requis Modélisation de systèmes robotique (MGD, MGI) ; Simulation avec les outils Matlab ; Notions de base en programmation informatique (C/C++) ; Architecture des ordinateurs ; Mise en oeuvre de systèmes numériques (échantillonnage) et automatique. Laurent Barbé | cbna 7 / 144 Informatique Industrielle | Introduction Contents 1 Avant-propos 2 Introduction 3 Architecture matérielle 4 Architecture logicielle 5 Application robotique Laurent Barbé | cbna 8 / 144 Informatique Industrielle | Introduction L’informatique industrielle Défnition l’informatique industrielle développe des interfaces entre l’informatique et les appareils industriels. les outils informatiques, qui vont de l’analyse à la programmation, sont alors mis en œuvre pour pour réaliser l’interface entre l’informatique, l’électronique, la mécanique, la robotique, l’électrotechnique, etc. à vocation industrielle et qui ne sont pas uniquement à base d’ordinateurs. (inspirée de la définition Wikipédia) Laurent Barbé | cbna 9 / 144 Informatique Industrielle | Introduction Evolution des systèmes informatiques 1ère génération : Calculateurs de la taille d’un bâtiment Mark 1 Harvard en 1944 ENIAC en 1946 Laurent Barbé | cbna 10 / 144 Informatique Industrielle | Introduction Evolution des systèmes informatiques 2ième génération : Avènement des transistors RAMAC 350 en 1956 IBM 1620 en 1959 Laurent Barbé | cbna 11 / 144 Informatique Industrielle | Introduction Evolution des systèmes informatiques 3ième génération : Calculateurs à taille humaine IBM 7094 en 1962 IBM 360/20 en 1965 Laurent Barbé | cbna 12 / 144 Informatique Industrielle | Introduction Evolution des systèmes informatiques 4ième génération : Les premiers ordinateurs personnels de bureau Apple II en 1977 IBM PC 5150 en 1981 Laurent Barbé | cbna 13 / 144 Informatique Industrielle | Introduction Evolution des systèmes informatiques depuis 1990 ... Démocratisation des ordinateurs personnels de bureau Développement des consoles de jeux vidéos Bulle Internet Multiplication des systèmes d’exploitations et des langages de programmation Smartphone, tabletes, Internet des objets, objets connectés La miniaturisation et l’integration des composants ont fait apparaître les nouvelles générations de PC nano-ordinateurs : Raspberry Pi, Beaglebone, Arduino, etc. Les systèmes embarqués sont de plus en plus présents dans l’industrie et notre vie quotidienne. Laurent Barbé | cbna 14 / 144 Informatique Industrielle | Introduction Domaines d’applications : Automobile source : L’embarqué Laurent Barbé | cbna 15 / 144 Informatique Industrielle | Introduction Domaines d’applications : Robotique Intégration de l’informatique date 1950 1960 1975 2000 2010 Laurent Barbé | cbna 16 / 144 Informatique Industrielle | Introduction Domaines d’applications : Divers La criticité du système embarqué et de l’informatique varie en fonction de l’application Laurent Barbé | cbna 17 / 144 Informatique Industrielle | Introduction Classifcation des systèmes informatiques Les systèmes transformationnels résultats calculés à partir de données disponibles à l’initialisation du programme ; les instants de productions des résultats ne sont pas contraints ; applications : calcul scientifique, gestion de base de données Les systèmes interactifs résultats dépendent des données produites par le procédé; les instants de productions des résultats ne sont pas contraints ; applications : outils de bureautique Les systèmes réactifs résultats obtenus à partir de données produites par le procédé ; contraintes temporelles induites par la dynamique du procédé ; applications : temps réel, contrôle de processus industriels, etc. Laurent Barbé | cbna 18 / 144 Informatique Industrielle | Introduction Des systèmes réactifs aux systèmes embarqués Terminologie introduite en 1985 par Harel et Pnuelli dans On the development of reactive systems ; Systèmes en interaction avec leur environnement et réagissent à la vitesse de cet environnement ; Système de contrôle-commande Procédé externe Entrées Sorties Système informatique Laurent Barbé | cbna 19 / 144 Informatique Industrielle | Introduction Des systèmes réactifs aux systèmes embarqués Le système reçoit des informations sur l’état du procédé externe, traite ces données et, en fonction du résultat, évalue une décision qui agit sur cet environnement extérieur afin d’assurer un état stable. Système de contrôle-commande Procédé externe à piloter Capteurs Actionneurs Mesures interruptions Commandes interruptions Laurent Barbé | cbna 20 / 144 Informatique Industrielle | Introduction Qu’est ce qu’un système embarqué ? Un système embarqué est un système électronique et informatique destiné à une tâche spécifique intimement liée au procédé dans lequel il est intégré. A ce titre il s’agit d’un système réactif. Le terme désigne aussi bien le matériel informatique que le logiciel utilisé. On parle également de système enfoui et en anglais embedded system. Laurent Barbé | cbna 21 / 144 Informatique Industrielle | Introduction Caractéristiques des systèmes embarqués (1) la fiabilité : probabilité que le système fonctionne correctement à partir du moment où c’est le cas à l’instant t = 0 ; la maintenabilité : probabilité que le système fonctionne correctement sur un laps de temps d après une défaillance ; la disponiblité : probabilité que le système fonctionne à un instant t ; la sûreté : le système ne cause aucun dommage ; la sécurité : confidentialité et l’authenticité des informations. Laurent Barbé | cbna 22 / 144 Informatique Industrielle | Introduction Caractéristiques des systèmes embarqués (2) Un système embarqué doit être eficace d’un point de vue : énergétique ; logiciel ; intégration (encombrement); autonomie (exécution); coût. Un système embarqué est destiné à une tâche : à prendre en compte dès la conception du système (matériel et logiciel) Un système embarqué doit avoir une interface utilisateur dédiée (pas de clavier, pas d’écran, etc.) Laurent Barbé | cbna 23 / 144 Informatique Industrielle | Introduction Caractéristiques des systèmes embarqués (3) Un système embarqué : respecte des contraintes temporelles ; restitue une réponse déterministe ; est connecté a un environnement réel par l’intermédiaire de capteurs et d’actionneurs ; est un système hybride (combinaison de signaux analogiques et de signaux numériques) ; est un système réactif. Laurent Barbé | cbna 24 / 144 Informatique Industrielle | Introduction Bref historique des systèmes embarqués début des années 60 : Ordinateur de bord des vaisseaux spatiaux du programme Apollo ; 1962 : D-17 d’Autonetics, système de contrôle des missiles nucléaires américains ; 1967 : Apollo Guidance Computer (1000 CI →NAND) ; 1971 : Intel 4004, premier microprocesseur reprogrammable ; 1972 : Intel 8008, premier microprocesseur 8 bits ; 1974 : Intel 8080, microprocesseur 8 bits, succès grand public ; 1979 : création du MC68000, microprocesseur 16/32 bits ; Après ... tout s’accélère Laurent Barbé | cbna 25 / 144 Informatique Industrielle | Introduction Les domaines d’applications 1 Calcul généraliste : applications identiques à celles des PC de bureau mais embarquées (tabletes, téléphone portable,etc.). Consoles de jeux vidéos, etc. 2 Contrôle de systèmes : motorisation, voitures, avions, industrie chimique, navigation, robotique, etc. 3 Traitement du signal : compression vidéos, radar, etc. 4 Réseaux et communication : internet, transmission de données, commutation, téléphonie, etc. Laurent Barbé | cbna 26 / 144 Informatique Industrielle | Introduction Où trouve-t’on les systèmes embarqués ? Installations industrielles : capteurs intelligents, actionneurs connectés, IoT, etc. Automobile : régulateurs de vitesses, calculateur, IHM, etc. Avionique : pilote automatique, calculateur interne, etc. Aérospatiale : fusées, satellites, etc. Domestique : téléphone portable, cartes à puces, consoles de jeu, appareils photos, etc. Médicale : imageurs, capteurs, pacemakers, etc. Militaire : guidage de missile, radars, etc. Laurent Barbé | cbna 27 / 144 Informatique Industrielle | Introduction Les systèmes embarqués en quelques chifres Les objets connectés ont dopés l’industrie de l’embarqué ; En 2008 et 2013, chifre d’afaire mondial de 113 milliards de dollars ; Transparency Market Research (TMR) estime que la marché devrait ateindre 233 milliards de dollars en 2021 (croissance annuelle de 6,4%) Industrie 4.0, Internet des uploads/Industriel/ cours-microcontroleur-microprocesseur-76.pdf