Chap1 intro 1pp

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Chap1 intro 1pp

  1. 1. 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 INF3610 Systèmes embarqués 1
  2. 2. 1. Définitions et caractéristiques1. Définitions et caractéristiques 1. Système temps réel 2. Système embarqué. Sys è e e ba qué 3. Système sur puce INF3610 Systèmes embarqués 2
  3. 3. 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). INF3610 Systèmes embarqués 3
  4. 4. Système temps réelSystème temps réel Exemple d’un système temps réel ou réactif:Exemple d’un système temps réel ou réactif: INF3610 Systèmes embarqués
  5. 5. 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) au moins à toutes les ms. • Suite aux valeurs obtenus précédemment, on doit calculer au moins à toutes les • Finalement, le tableau de bord doit être mis à jour, au moins à toutes les secondes. on doit calculer au moins à toutes les sec la valeur appropriée pour le contrôleur de valve (qui détermine la nouvelle vitesse). • Également, il ne doit pas s’écouler plus de 1 ms entre le moment où le conducteur 1/sec 1 contrainte moins dure s e e e o e où e co duc eu appuie sur le frein et son effet sur la valve. Cruise Control 1000/sec brake speed ave_speed consumption Cruise Control <= 1ms gear valve 3 contraintes dures INF3610 Systèmes embarqués 5 1/sec
  6. 6. 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) INF3610 Systèmes embarqués 6
  7. 7. Caractéristiques d’un système temps réelCaractéristiques d’un système temps réelCaractéristiques d’un système temps réelCaractéristiques d’un système temps réel • La relation entre les deux sous-systèmes est décrite par trois opérations: échantillonnage, calcul et réponse. Ces opérations 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 ou dure INF3610 Systèmes embarqués 7
  8. 8. Caractéristiques d’un système temps réelCaractéristiques d’un système temps réelCaractéristiques d’un système temps réelCaractéristiques d’un système temps réel • Une contrainte douce (système temps réel doux) est moins contraignante, i.e. qu’elle permet une erreur raisonnable ù l i dûpar rapport au moment exact où le processus aurait dû s’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 processus aurait dû s’exécuter. Exemple: frein d’une voiture, pacemaker, etc. INF3610 Systèmes embarqués 8
  9. 9. 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 Software Program INF3610 Systèmes embarqués 9
  10. 10. 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 flexibilité L té i l t tili é l f t l INF3610 Systèmes embarqués • Le matériel est utilisé pour la performance et la consommation Voir wikipedia.org
  11. 11. 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. INF3610 Systèmes embarqués 11 • Nécessitent des systèmes haute performance
  12. 12. 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. INF3610 Systèmes embarqués 12
  13. 13. Objectif du SoC SDRAM(16Mbits ) Objectif du SoC Système sur carte Système sur puce i e carte maîtresse UCTi.e. carte maîtresse - UCT - mémoire - bus - unités d’exécution spécialisées INF3610 Systèmes embarqués 13 unités d exécution spécialisées
  14. 14. E l d S C ADDR: 12bit SDRAM(16Mbits ) Exemple de SoC • Processeur ARM7 SDRAM Controller R Arbiter SDRAM Controller for Capture Y/C H/V/CLK Y 8bit C 8bit Y/C Y 8bit C 8bit H/V ADDR: 12bit DATA: 16bit ARM Peripheral ASB Control Register setting ARM I/F • Logique dédiée DCT • Contrôleur USB ARM7TDMI TIC DCT Quantize/Zigzag DMA DCT RAM Interrupt PIO Timer DCT Engine RemapDecoder DMA JTAG P IO 8bit X 2port Interrupt 2port DCT RAM 1KByte Wrapper SRAM (32KByte) Memory Expansion APB Bridge UART USB PLL PLL 24MHz 40MHz for ARM 48MHz for USB SCAN to S DRAMC DCT USB SIO 1ch USB APBASB ADDR: 32bit DATA: 32bit ADDR: 32bit DATA: 16bit ASB Control for USB ADDR: 31bit DATA: 32bit EPROM External Bus I/F ASB : AMBA System Bus APB : AMBA Peripheral Bus Sony Digital Camera SOC INF3610 Systèmes embarqués 14 Sony Digital Camera SOC
  15. 15. 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) INF3610 Systèmes embarqués 15
  16. 16. 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 (< 1s) INF3610 Systèmes embarqués
  17. 17. 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. INF3610 Systèmes embarqués
  18. 18. Systèmes dominés par le contrôleSystèmes dominés par le contrôleSystèmes dominés par le contrôleSystèmes dominés par le contrôle INF3610 Systèmes embarqués 18
  19. 19. 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). INF3610 Systèmes embarqués 19 (processus).
  20. 20. 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 INF3610 Systèmes embarqués 20
  21. 21. Systèmes dominés par le flôt de donnéesSystèmes dominés par le flôt de données Diagramme bloc du TMS320C40 INF3610 Systèmes embarqués 21
  22. 22. 3. Exemples de systèmes embarqués3. Exemples de systèmes embarqués INF3610 Systèmes embarqués
  23. 23. http://www.eecs.berkeley.edu/~apinto/esd/Home.html INF3610 Systèmes embarqués 23 http://www.eecs.berkeley.edu/ apinto/esd/Home.html
  24. 24. INF3610 Systèmes embarqués 24
  25. 25. 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 boue 2. la cuisson de ces boulettes pour leur durcissement • Nous allons nous concentrer sur la première étape INF3610 Systèmes embarqués
  26. 26. Contrôleur de mineContrôleur 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 laése vo qu s écou e à u ce ta déb t p opo t o e à a quantité 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 (%). INF3610 Systèmes embarqués
  27. 27. Contrôleur de mineContrôleur de mine INF3610 Systèmes embarqués
  28. 28. Contrôleur de mineContrôleur 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). INF3610 Systèmes embarqués 28
  29. 29. C t ôl d iC t ôl d iContrôleur de mineContrôleur 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 INF3610 Systèmes embarqués
  30. 30. Contrôleur de mineContrôleur 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 INF3610 Systèmes embarqués
  31. 31. Exemple 1Exemple 1 MicroBlaze et RTOS INF3610 Systèmes embarqués 31 Hw
  32. 32. 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. INF3610 Systèmes embarqués 32 haute définition.
  33. 33. Encodeur MPEG2Encodeur MPEG2 Video input Pre-processing Buffer fullness Difference Picture Buffer +  DCT QuantizerBuffer +  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 INF3610 Systèmes embarqués 33 Control data encoder Buffer Packetizer Diagramme blocs de l’encodeur MPEG
  34. 34. Profilage de l’encodeur B g Beaucoup d’OPS (donc Matériel) 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’OPS et beaucoup de contrôle (donc INF3610 Systèmes embarqués 34 logiciel)
  35. 35. Profilage de l’encodeur (suite)g ( ) Ces fonctions représentent seulement 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 INF3610 Systèmes embarqués 35 Paulin et al., Parallel programming models for a multiprocessor SoC platform applied to networking and multimedia, TCAD 2006.
  36. 36. 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. INF3610 Systèmes embarqués 36
  37. 37. 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 INF3610 Systèmes embarqués 37 Image courante Image précédente
  38. 38. Reconnaissance de patron (BM) 8 pixels 16 pixels 8 pixels 16 pixels 8pixels s 8pixels s On peut démontrer qu’après 81 * 64 16pixels 16pixels qu après 81 64 comparaisons (opérations), si l t ’ 8 pixels 16 pixels 8 pixels 16 pixels le patron n’a pas été trouvé, c’est qu’il 8pixels ls 8pixels ls n’existe pas. 16pixe 16pixe INF3610 Systèmes embarqués 38
  39. 39. Spécification d’un BM • On compare un patron de 8x8 pixels sur des blocs d’imagep 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… INF3610 Systèmes embarqués 39
  40. 40. De manière plus généraleDe manière plus générale INF3610 Systèmes embarqués 40
  41. 41. 4. Écart de la productivité4. Écart de la productivité Logic Transistors/Chip Transistor/Staff Month 58%/Y d  1B 10B 10M 100M 58%/Yr. compound Complexity growth rate  1M 10M 100M 10K 100K 1M 21%/Yr compound xx x x x x x 10K 100K 1M 100 1K 10K 21%/Yr. compound Productivity 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 INF3610 Systèmes embarqués 41 Increasing cost of SoC: 10M$ ~100M$ design cost Gracieuseté de STMicroelectronics
  42. 42. 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) INF3610 Systèmes embarqués 42
  43. 43. Parallélisme et hétérogénéitéParallélisme et hétérogénéité Processeur ARM 1 Processeur ARM N Mémoire Bus Coprocesseur DCT Coprocesseur SAD Coprocesseur Q tifi tiDCT SAD Quantification INF3610 Systèmes embarqués 43
  44. 44. Autre façon d’illustrer l’hétérogénéité… INF3610 Systèmes embarqués 44 Tiré de http://www.ida.liu.se/~petel/codesign/
  45. 45. Ou encore… Codesign logiciel/matériel INF3610 Systèmes embarqués 45
  46. 46. Finalement il ne faut pas oublier laFinalement il ne faut pas oublier la consommation de puissance… INF3610 Systèmes embarqués 46

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