Chap1 intro 1pp

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

1. Définitions et caractéristiques1. Définitions et caractéristiques
1. Système temps réel
2. Système embarqué. Sys è e e ba qué
3. Système sur puce
2

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).
3

Exemple d’un système temps réel ou réactif:Exemple d’un système temps réel ou réactif:

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
5
1/sec

Caractéristiques d’un système 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)
6

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
7

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.
8

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
9

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
• 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.
11
• 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.
12

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
13
unités d exécution spécialisées

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
14
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)
15

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)

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.

Systèmes dominés par le contrôleSystèmes dominés par le contrôleSystèmes dominés par le contrôleSystèmes dominés par le contrôle
18

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).
19
(processus).

• 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
20

Diagramme bloc du TMS320C40
21

3. Exemples de systèmes embarqués3. Exemples de systèmes embarqués

http://www.eecs.berkeley.edu/~apinto/esd/Home.html
23
http://www.eecs.berkeley.edu/ apinto/esd/Home.html

24

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

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 (%).

• 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).
28

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
– Plus de 350 kg (x ≥ 350) → 1 chariot/secondeus de 350 g ( ≥ 350) c o /seco de

• 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

Exemple 1Exemple 1
MicroBlaze
et RTOS
31
Hw

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.
32
haute définition.

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
33
Control data encoder Buffer Packetizer
Diagramme blocs de l’encodeur MPEG

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
34
logiciel)

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
35
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.
36

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
37
Image courante Image précédente

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
38

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…
39

De manière plus généraleDe manière plus générale
40

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
41
Increasing cost of SoC: 10M$ ~100M$ design cost
Gracieuseté 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)
42

Parallélisme et hétérogénéitéParallélisme et hétérogénéité
Processeur
ARM 1
Processeur
ARM N
Mémoire
Bus
Coprocesseur
DCT
Coprocesseur
SAD
Coprocesseur
Q tifi tiDCT SAD Quantification
43

Autre façon d’illustrer l’hétérogénéité…
44
Tiré de http://www.ida.liu.se/~petel/codesign/

Ou encore…
Codesign logiciel/matériel
45

Finalement il ne faut pas oublier laFinalement il ne faut pas oublier la
consommation de puissance…
46

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