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Chapitre 1 : Introduction à la conception desChapitre 1 : Introduction à la conception desChapitre 1 : Introduction à la conception des systèmes embarqués
Chapitre 1 : Introduction à la conception des systèmes embarqués
1. Définitions et caractéristiques
2. Domaines d'application
3. Exemples de systèmes embarqués
4. Écart de productivitép
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1. Définitions et caractéristiques1. Définitions et caractéristiques
1. Système temps réel
2. Système embarqué. Sys è e e ba qué
3. Système sur puce
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Système temps réelSystème temps réel
Un système temps réel est un système numérique qui doit répondre à un ensemble de stimuli provenant de l’environnement dans un intervalle de temps dicté par ce même environnement (i.e. des contraintes temporelles).
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Système temps réelSystème temps réel
Exemple d’un système temps réel ou réactif:Exemple d’un système temps réel ou réactif:
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Exemple de systèeme temps réel: le cruise controlExemple de systèeme temps réel: le cruise controlExemple de systèeme temps réel: le cruise controlExemple de systèeme temps réel: le cruise control
• Spécifications temporelles d’un sous-ensemble de signaux:• Via des sensors, échantillonnage du signal
embrayage (gear) et frein (brake) aumoins à toutes les ms.
• Suite aux valeurs obtenus précédemment,on doit calculer au moins à toutes les
• Finalement, le tableau de bord doit êtremis à jour, au moins à toutes les secondes.
on doit calculer au moins à toutes les secla valeur appropriée pour le contrôleur devalve (qui détermine la nouvelle vitesse).
• Également, il ne doit pas s’écouler plus de1 ms entre le moment où le conducteur
1/sec
1 contraintemoins dure
s e e e o e où e co duc euappuie sur le frein et son effet sur la valve.
Cruise Control
1000/sec
brake
speed
ave_speed
consumptionCruise Control
<= 1ms
gear
valve
3 contraintesdures
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51/sec
Caractéristiques d’un système temps réel :
Système temps réelSystème temps réel
• Constitué de deux sous-systèmes: 1 Le contrôleur (PC ou microcontrôleur)
Caractéristiques d’un système temps réel :
1. Le contrôleur (PC ou microcontrôleur)2. Le contrôlé (environnement physique)
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Caractéristiques d’un système temps réelCaractéristiques d’un système temps réelCaractéristiques d’un système temps réel Caractéristiques d’un système temps réel
• La relation entre les deux sous-systèmes est décrite partrois opérations: échantillonnage, calcul et réponse. Cesopérations doivent se réaliser à l’intérieur d’intervalle(s)de temps: ce sont les contraintes de temps.
i i d• Deux types de contrainte temporelle existent: douce oudure
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Caractéristiques d’un système temps réelCaractéristiques d’un système temps réelCaractéristiques d’un système temps réel Caractéristiques d’un système temps réel
• Une contrainte douce (système temps réel doux) est moinscontraignante, i.e. qu’elle permet une erreur raisonnable
ù l i dûpar rapport au moment exact où le processus aurait dûs’exécuter. Exemple: encodeur/décodeur vidéo
• Par opposition la contrainte dure (système temps réel dur)• Par opposition, la contrainte dure (système temps réel dur)ne permet aucune erreur sur le moment où le processusaurait dû s’exécuter. Exemple: frein d’une voiture,pacemaker, etc.
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Composition d’un système embarquéComposition d un système embarqué
• Une partie matérielle utilisée pour la performance• Micro-processeur, contrôleurs, coprocesseurs, DSP
Mé i• Mémoires• ASIC• Interfaces d’entrées/sorties• Interfaces d entrées/sorties
• Une partie logicielle utilisée pour sa flexibilitép g p• Programmes
SoftwareProgram
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Système embarquéSystème embarquéSystème embarquéSystème embarqué
• Un système embarqué est un système servant à résoudre d f i d â h é ifi li i édes fonctions et des tâches spécifiques et limitées.
• Associé à contraintes en temps réel• Souvent conçu en matériel avec des parties en logiciel• Souvent conçu en matériel avec des parties en logiciel.
• La complexité du système et des fonctions varient largement
• Contrôleur d’un lave-vaisselle• Portable MP3• Contrôleur de missiles
• Le logiciel est utilisé pour la flexibilitéL té i l t tili é l f t l
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• Le matériel est utilisé pour la performance et la consommation Voir wikipedia.org
Contraintes des systèmes embarqués• Métriques de conception principales
• Consommation et dissipation de puissance
Contraintes des systèmes embarqués
• Consommation et dissipation de puissance• Taille• Coûts de production et coûts non récurrents• FiabilitéFiabilité• Temps de commercialisation (time to market)
• D’autres contraintes existent: • Tolérance aux pannes• Tolérance aux pannes, • Résistance aux chocs et températures, • BIST• Flexibilité et mises-à-jourFlexibilité et mises à jour
• Souvent utilisés dans un environnement réactif soumis à des contraintes temps réel.
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• Nécessitent des systèmes haute performance
Système sur puce (SoC)Système sur puce (SoC)
• Un SoC constitue un circuit complexe qui intègre tous les éléments fonctionnels d’un produit sur une même puce. Par exemple, des modules logiciels (DSP), des mémoires,Par exemple, des modules logiciels (DSP), des mémoires, des périphériques, des coprocesseurs matériels (FPGA ou ASIC) et même des modules analogiques ou
t él t i t t êt i ê déoptoélectroniques peuvent tous être mis sur un même dé.
• L’objectif est diminuer au minimum le nombre deL objectif est diminuer au minimum le nombre de composants sur une carte pour mettre tout sur une seule puce.
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Objectif du SoCSDRAM(16Mbits )
Objectif du SoC
Système sur carte Système sur pucei e carte maîtresse UCTi.e. carte maîtresse - UCT
- mémoire- bus- unités d’exécution spécialisées
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unités d exécution spécialisées
E l d S C
ADDR: 12bit
SDRAM(16Mbits )Exemple de SoC
• Processeur ARM7SDRAM Controller
R
Arbiter
SDRAM Controller for Capture
Y/CH/V/CLK
Y 8bitC 8bit
Y/C
Y 8bitC 8bit
H/V
ADDR: 12bitDATA: 16bit
ARM Peripheral
ASB ControlRegistersetting
ARM I/F
• Logique dédiée DCT• Contrôleur USB
ARM7TDMI
TIC
DCTQuantize/Zigzag
DMA DCTRAM Interrupt
PIO
TimerDCT Engine
RemapDecoder
DMA
JTAG
P IO 8bit X 2port
Interrupt 2port
DCT RAM1KByte
Wrapper
SRAM(32KByte)
MemoryExpansion
APBBridge
UART
USB
PLL
PLL24MHz
40MHzfor ARM
48MHzfor USB
SCAN toS DRAMC
DCTUSB
SIO 1ch
USBAPBASB
ADDR: 32bitDATA: 32bit
ADDR: 32bitDATA: 16bit
ASB Control
for USBADDR: 31bitDATA: 32bit
EPROMExternalBus I/F
ASB : AMBA System Bus
APB : AMBA Peripheral Bus
Sony Digital Camera SOCINF3610 Systèmes embarqués
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Sony Digital Camera SOC
2. Clases d’applications2. Clases d’applications
Deux classes d’applications:
1 Systèmes dominés par le contrôle (control1. Systèmes dominés par le contrôle (control dominated systems). E.g. des systèmes réactifs
2. Systèmes dominés par un flôt de données (data-domintated systems)(data domintated systems)
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Systèmes dominés par le contrôleSystèmes dominés par le contrôle
• Requiert des contraintes de temps- Temps d’exécution prédictible et exécution périodique des tâches
• Requiert des contraintes de temps dures- Une tâche peut demander la plus haute priorité (highest OS
priorities)priorities)
• Plusieurs tâches (sous forme machines à états) partagent le CPU- Contexte multitâche- Changements de contexte rapides requis (< 1s)
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Systèmes dominés par le contrôleSystèmes dominés par le contrôle
• Peu de données associées à chaque machine à états- En associant de la mémoires sur puces (registres) à ces
machines on peu accélérer les changements de contextemachines on peu accélérer les changements de contexte(context switches).
• Un RTOS préemptif est en général requis:p p g q– La tâche la plus prioritaire est exécutée en premier.– Les tâches les moins prioritaires sont exécutées en
dernier (ou même jamais)dernier (ou même jamais).– Plusieurs algorithmes d’ordonnancement (statiques ou
dynamiques) existent.
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Systèmes dominés par le contrôleSystèmes dominés par le contrôleSystèmes dominés par le contrôleSystèmes dominés par le contrôle
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Systèmes dominés par le flôt de donnéesSystèmes dominés par le flôt de données
• Caractéristiques:– Beaucoup de MIPS ou de MFLOPS;Beaucoup de MIPS ou de MFLOPS;– Bande passante élevée (Mo/sec);
Instructions spécialisées pour DSP;– Instructions spécialisées pour DSP;– Support limité pour les interruptions et les
changements de contextechangements de contexte – Beaucoup de données pour un même contexte
(processus).
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(processus).
Systèmes dominés par le flôt de donnéesSystèmes dominés par le flôt de données
• Caractéristiques (suite):– Très peu de changements de contexte sont nécessairesTrès peu de changements de contexte sont nécessaires
car un on a un seul flôt de donnés, mais il est à très haut débit.U ili i l d i ( d– Utilise un simple ordonnancement statique (pas de préemption)
– Contraintes douces plutôt que duresContraintes douces plutôt que dures
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Systèmes dominés par le flôt de donnéesSystèmes dominés par le flôt de données
Diagramme bloc du TMS320C40
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http://www.eecs.berkeley.edu/~apinto/esd/Home.html
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http://www.eecs.berkeley.edu/ apinto/esd/Home.html
Exemple 1: Contrôleur de mineExemple 1: Contrôleur de mine
• Application orientée contrôle• Spécification du système:
• Dans une mine, on désire transformer du minerai en boulettesboulettes
• Ce procédé se fait en deux étapes:1. la séparation du minerai en boulettes de boue2. la cuisson de ces boulettes pour leur durcissement
• Nous allons nous concentrer sur la première étape
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Contrôleur de mine Contrôleur de mine
• La séparation du minerai en boulettes s’effectue dans une hi lé t ifmachine appelée centrifugeuse.
• Les minerais arrivent sur des chariots et y ajoute de l’eau d’un réservoir qui s’écoule à un certain débit proportionnel à la ése vo qu s écou e à u ce ta déb t p opo t o e à aquantité de minerai à traiter. Le débit est contrôlé par deux paramètres :
1) La quantité d’eau présente dans le réservoir (plus il y a d’eau, plus la pression est forte, ce qui en résulte un plus grand débit)
2) La valve à la sortie du réservoir. Cette valve peut être réglée à n’importe laquelle valeur entière entre 0 et 100 (%).
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Contrôleur de mine Contrôleur de mine
• Le système est exposé à plusieurs contraintes:
• Quand le niveau d’eau atteint Alerte niveau bas, la pompe est activée pour remplir le réservoir.
• Le débit d’eau requis du réservoir est calculé sur le poids total des minerais arrivés lors des deux dernière secondes.
• Le niveau du réservoir doit EN TOUT TEMPS êtreLe niveau du réservoir doit EN TOUT TEMPS être supérieur à 25 centimètres et EN TOUT TEMPS inférieur à 1 mètre (un débordement entraînerait une épidémie de choléra minier)choléra minier).
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C t ôl d iC t ôl d iContrôleur de mine Contrôleur de mine
• La quantité de minerai présente dans la centrifugeuse déterminera la fréquence d’arrivée des chariots de minerai dans le système :minerai dans le système :– Moins de 200 kg (x < 200) → 5 chariots/seconde– Entre 200 et 250 kg (200 ≤ x < 250) → 4 chariots/seconde– Entre 250 et 300 kg (250 ≤ x < 300) → 3 chariots/seconde– Entre 300 et 350 kg (300 ≤ x < 350) → 2 chariots/seconde– Plus de 350 kg (x ≥ 350) → 1 chariot/secondeus de 350 g ( ≥ 350) c o /seco de
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Contrôleur de mine Contrôleur de mine
• Rappel: le système est en 2 partiesRappel: le système est en 2 parties...
1. Le contrôleur (PC ou microcontrôleur)2 Le contrôlé (environnement physique)2. Le contrôlé (environnement physique)
MicroBlaze running RTOS
Hw
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Example 2: Encodeur MPEG-2Example 2: Encodeur MPEG-2
• MPEG 2 est un exemple typique d'application dominée par un flôt de données.
• MPEG 2 décrit une combinaison de compression vidéoMPEG 2 décrit une combinaison de compression vidéo et audio.
• MPEG-2 vise uniquement des usages liés à la télévision é i (diff i DVB t DVD) iti ànumérique (diffusion DVB et DVD), par opposition à
MPEG-4 qui englobent toutes les nouvelles applications multimédias comme le téléchargement et le streaming sur Internet, le multimédia sur mobile, la radio numérique, les jeux vidéo, la télévision et les supports haute définition.
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haute définition.
Encodeur MPEG2Encodeur MPEG2 Video input Pre-processing Buffer fullness Difference Picture
Buffer + DCT Quantizer Buffer + DCT Quantizer (New picture) - Predicted picture Inverse quantizer motion compensated Inverse DCT predictor + picture memory Hufman filter
motion estimation (old picture) - motion vectors encoded coefficients
Entropy PES packets
Control data encoder Buffer Packetizer
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Control data encoder Buffer Packetizer
Diagramme blocs de l’encodeur MPEG
Profilage de l’encodeur
B
g
Beaucoupd’OPS(doncMatériel)
Motion estimation (compensation du mouvement) dont la fonction principale est la reconnaissance de patrons (Bloc Matching))
DCT
Zig zag
E dPeu d’OPS Encodage
Etc.
Peu d’OPSet beaucoupde contrôle (donc
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logiciel)
Profilage de l’encodeur (suite)g ( )
Ces fonctions représententseulement 6% des 8086 lignes de code d’une application MPEG4, mais elles consomment 83% du CPU…
Paulin et al Parallel programming models for a multiprocessor SoC platform applied to networking and multimedia TCAD 2006
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Paulin et al., Parallel programming models for a multiprocessor SoC platform applied to networking and multimedia, TCAD 2006.
Compensation du mouvement
1 3 4 1 2 3 4
2
7 8 5 6 7 8 5 6 10 9 11 12 9 10 11 12 14 13 14 15 16 13 15 16 Chaque image est coupée blocs de 8x8 pixels. Au lieu de transférer tous les 64 pixels, le
vecteur de mouvement (x, y) pour chaque bloc est transféré (d’après sa position précédente).
Image courante Image précédente
Par exemple : le bloc 1 n'a pas été déplacé et le bloc 2 a descendu en Y, etc.
Par exemple : le bloc 3 est trop différent et est donc re-transféré au complet.
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Reconnaissance de patron (BM)
• On cherche chaque bloc de 8x8 pixels de l’image courante dans une zone élargie de 16x16 pixels de l’image précédente (voir l’exemple sur le bloc 10)
p
de 16x16 pixels de l image précédente (voir l exemple sur le bloc 10) 1 3 4 1 2 3 4 2 7 8 5 6 7 8 5 6 10 9 11 12 9 10 11 12 Espace de recherche
du bloc 10 14 13 14 15 16 13 15 16
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Image courante Image précédente
Reconnaissance de patron (BM)8 pixels
16 pixels8 pixels
16 pixels
8 pi
xels
s
8 pi
xels
s
On peut démontrer qu’après 81 * 64
16 p
ixel
s
16 p
ixel
squ après 81 64 comparaisons (opérations), si l t ’
8 pixels16 pixels
8 pixels16 pixels
le patron n’a pas été trouvé, c’est qu’il
8 pi
xels
ls 8 pi
xels
ls
n’existe pas.
16 p
ixe
16 p
ixe
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Spécification d’un BM• On compare un patron de 8x8 pixels sur des blocs d’image p p p g
de 16x16 pixels (les pixels sont des tons de gris codés sur 8 bits). Il y a au maximum 81* 64 comparaisons
• Pour une image 1K x 1K divisée en 4096 blocs on aura 81Pour une image 1K x 1K divisée en 4096 blocs on aura 81 * 64 * 4096 comparaisons
• En supportant 30 images/sec. => 81 * 4096 * 64 * 30 comparaisons/sec 637 MOPScomparaisons/sec. 637 MOPS
• De nos jours, 637 MOPS est atteignable sur un Pentium 4. Mais supposons maintenant 60 images/sec sur un écran
l (24 bi ) 81 * 4096 * (64 * 3) * 60 3 822couleur (24 bits) => 81 * 4096 * (64 * 3) * 60 = 3.822 GOPS…
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4. Écart de la productivité4. Écart de la productivitéLogic Transistors/Chip
Transistor/Staff Month
58%/Y d
1B
10B
10M
100M
58%/Yr. compoundComplexity growth rate
1M
10M
100M
10K
100K
1M
21%/Yr compoundxx x
x xx
x
10K
100K
1M
100
1K
10K
21%/Yr. compoundProductivity growth rate
Source: SEMATECH
1K
10K
10
100
SEMATECH
100M logic gates in 90nm = Logic of 1000 ARM7’s I i t f S C 10M$ 100M$ d i t
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Increasing cost of SoC: 10M$ ~100M$ design costGracieuseté de STMicroelectronics
SolutionsSolutions
• Il faut faire de la réutilisation: logiciel (chap. 2) et matériel (chap. 3)
• Il faut exploiter le parallélisme (multicores et multiprocesseurs)Il faut exploiter le parallélisme (multicores et multiprocesseurs) et l’hétérogénéité (chap. 3)
• Il faut travailler à plus haut niveau d’abstraction (chap. 4)
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Parallélisme et hétérogénéitéParallélisme et hétérogénéité
ProcesseurARM 1
ProcesseurARM N Mémoire
Bus
Coprocesseur DCT
Coprocesseur SAD
Coprocesseur Q tifi tiDCT SAD Quantification
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Autre façon d’illustrer l’hétérogénéité…
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44Tiré de http://www.ida.liu.se/~petel/codesign/