Les systèmes embarqués

Alors que la demande d’ordinateurs haute performance plus rapides et plus efficaces augmente, les dimensions des composants qui les contiennent quant à elles continuent de diminuer.

Depuis des années, les ingénieurs en informatique se sont vu confier la tâche difficile de construire des ordinateurs de plus en plus puissants dans et sur des châssis et des cartes de circuits imprimés de plus en plus petits, principalement pour satisfaire une demande croissante de systèmes informatiques plus fiables, plus abordables, plus petits, plus économes en énergie et plus rentables.

C’est la raison pour laquelle nous continuons à voir des développements de taille, poids, puissance et coût révolutionnaires dans le monde des systèmes embarqués.

Dans cet article, nous aborderons les bases des systèmes embarqués, leur classification, leur fonctionnement, leur comparaison avec les serveurs et les stations de travail, et les raisons pour lesquelles vous devriez envisager un ordinateur embarqué pour votre prochain déploiement critique.

Qu’est-ce qu’un système embarqué ?

Les systèmes embarqués, également connus sous le nom d’ordinateurs embarqués, sont des ordinateurs de petite taille qui exécutent des tâches spécifiques. Ils peuvent fonctionner de manière autonome ou faire partie de systèmes plus importants, d’où le terme « embarqué », et sont souvent utilisés dans des applications soumises à des contraintes de taille, de poids, de puissance et de coût, ce que l’on nomme SWaP-C.

Comme la plupart des ordinateurs, les systèmes embarqués sont une combinaison de matériel et de logiciel, comme :

• des microprocesseurs ou des micro-contrôleurs
• des unités de traitement graphique (GPU)
• de la mémoire volatile et non volatile
• des interfaces et ports de communication d’entrée/sortie
• des code système et code d’application
• des alimentations électriques.

Mais il existe quatre principaux facteurs de différenciation entre un système embarqué et une station de travail ou un serveur.

Ces facteurs sont les suivants :

1. Objectif
2. Conception
3. Coût
4. L’implication humaine

L’utilisation de systèmes embarqués présente également des avantages et des inconvénients. La pertinence d’un système embarqué dépend donc des exigences de votre programme ou de votre application. Nous aborderons plus tard les avantages et les inconvénients des systèmes embarqués et la manière dont vous pouvez décider s’ils vous conviennent ou non. Bien évidemment, si vous souhaitez obtenir des informations plus complexes, nous vous recommandons de consulter une entreprise spécialiste des systèmes embarqués comme Ecrin Systems en France, qui fait partie d’ailleurs du GICAT.

Maintenant que nous connaissons la définition des systèmes embarqués, présentons les différents types.

Quels sont les différents types de systèmes embarqués ?

Les systèmes embarqués sont classés en fonction des performances et des exigences fonctionnelles, ainsi que des performances des microcontrôleurs. Ces classifications peuvent être subdivisées en catégories et sous-catégories.

Lors de la classification des systèmes embarqués sur la base des performances et des exigences fonctionnelles, les systèmes embarqués sont divisés en quatre catégories :

1. Systèmes embarqués en temps réel
2. Systèmes embarqués autonomes
3. Systèmes embarqués en réseau, ou en réseau
4. Systèmes embarqués mobiles

Que sont les systèmes embarqués en temps réel ?

Les systèmes embarqués en temps réel doivent fournir des résultats ou des sorties rapidement. La priorité est donnée à la vitesse de génération des sorties, car les systèmes embarqués en temps réel sont souvent utilisés dans des secteurs critiques, tels que la défense et l’aérospatiale, qui ont besoin de données importantes, et bien, hier.

Voici quelques exemples de systèmes embarqués en temps réel :

• les commandes d’aéronefs
• Les ordinateurs de vol et de véhicules terrestres qui traitent et transmettent les données acquises par les capteurs.
• Contrôles des systèmes de défense antimissile
• Contrôles de véhicules autonomes et semi-autonomes

Les systèmes embarqués en temps réel sont également divisés en systèmes embarqués en temps doux et en systèmes embarqués en temps dur pour tenir compte de l’importance de la vitesse de génération des sorties.

Qu’est-ce qu’un système embarqué en temps réel souple ou dur ?

Les systèmes embarqués en temps réel souples ont des délais de sortie. Si les sorties ne sont pas fournies dans un délai spécifié, une baisse de performance peut s’ensuivre, mais les conséquences de cette baisse sont relativement insignifiantes. Elles ne constituent pas une défaillance du système ou de l’application, et ne risquent pas d’entraîner un résultat néfaste. Les résultats du système sont également considérés comme précieux, malgré leur retard. 

Un exemple de système embarqué en temps réel souple est un ordinateur exécutant une application dont le seul but est d’analyser en temps réel des données relativement inoffensives, non critiques pour la mission, acquises par des capteurs, telles que les relevés de température et d’humidité d’un lieu donné. 

Selon les ressources de traitement et de mémoire de l’ordinateur, un léger retard dans la livraison des résultats en temps réel peut se produire ; toutefois, l’acquisition et l’analyse des données de température et d’humidité, dont les résultats sont utiles à avoir sous la main, ne sont pas typiquement considérées comme des activités critiques produisant des données critiques, de sorte que les résultats du système, bien que tardifs, seraient toujours considérés comme précieux, et sa latence, bien qu’elle soit une indication que la qualité du service a diminué, ne causerait pas de résultats particulièrement nuisibles.

Les systèmes embarqués en temps réel dur sont l’antithèse des systèmes embarqués en temps réel souple. Ces systèmes doivent constamment respecter les délais de production qui leur sont assignés, car ne pas le faire est considéré comme une défaillance du système ou de l’application, ce qui, dans de nombreux cas, pourrait avoir des conséquences catastrophiques en raison du déploiement typique du système embarqué en temps réel dur dans des programmes et des applications critiques.

Par exemple, les systèmes de défense antimissile utilisent des systèmes embarqués en temps réel dur, car la détection, le suivi, l’interception et la destruction de missiles entrants sont des activités qui doivent être exécutées dans des délais strictement imposés pour éviter de mettre en danger des vies humaines, des bâtiments, des équipements, des véhicules et d’autres biens.

Passons maintenant aux systèmes embarqués qui peuvent se suffire à eux-mêmes, c’est-à-dire fonctionner sans hôte.

Que sont les systèmes embarqués autonomes ?

Les systèmes embarqués autonomes n’ont pas besoin d’un ordinateur hôte pour fonctionner. Ils peuvent produire des sorties de manière indépendante.

Voici quelques exemples de systèmes embarqués autonomes :

• les appareils photo numériques
• Montres-bracelets numériques
• les lecteurs MP3
• Appareils ménagers, tels que les réfrigérateurs, les machines à laver et les fours à micro-ondes
• Systèmes de mesure de la température
• Calculatrices

Il est important de souligner que la fonctionnalité indépendante des systèmes embarqués autonomes ne s’applique pas à tous les systèmes embarqués. De nombreux systèmes embarqués ne sont fonctionnels et utiles qu’en tant que parties intégrées de systèmes mécaniques, électriques ou électroniques plus grands. 

Par exemple, un système de régulation de vitesse adaptative (ACC) devient non fonctionnel lorsqu’il est retiré d’un véhicule ; par conséquent, le système ACC n’est pas un système embarqué autonome, car il dépend d’un système plus grand, c’est-à-dire le véhicule, pour fonctionner, et lorsqu’il est retiré, il devient essentiellement sans objet.

Mais une calculatrice, par exemple, produit une sortie, c’est-à-dire un calcul, par elle-même, avec une certaine entrée utilisateur, bien sûr. Elle constitue un système intégré autonome parce qu’elle n’a pas besoin d’être intégrée dans un système plus large, contrairement au système ACC.

Que sont les systèmes embarqués en réseau ?

Les systèmes embarqués en réseau, ou en réseau, s’appuient sur des réseaux câblés ou sans fil et sur la communication avec des serveurs web pour générer des résultats.

Voici quelques exemples fréquemment cités de systèmes embarqués en réseau :

• les systèmes de sécurité pour la maison et le bureau
• les guichets automatiques bancaires (DAB)
• Systèmes de points de vente (PDV)

Les systèmes de sécurité pour la maison et le bureau comprennent un réseau de capteurs, de caméras, d’alarmes et d’autres dispositifs intégrés qui recueillent des informations sur l’intérieur et l’extérieur d’un bâtiment et les utilisent pour alerter les utilisateurs en cas de perturbations inhabituelles et potentiellement dangereuses à proximité.

Un guichet automatique repose sur des connexions réseau à un ordinateur hôte et à un ordinateur appartenant à la banque pour approuver et autoriser les retraits, les demandes de solde, les dépôts et autres demandes relatives au compte.

Les systèmes de point de vente comprennent des réseaux de plusieurs postes de travail et un serveur qui assure le suivi des transactions des clients, des recettes des ventes et d’autres informations relatives aux clients.

Dans l’ensemble, si les systèmes embarqués font partie de réseaux d’autres dispositifs ou s’appuient sur eux pour fonctionner, ils sont classés comme des systèmes embarqués en réseau ou en réseau.

Qu’est-ce qu’un système mobile embarqué ?

Les systèmes embarqués mobiles font spécifiquement référence aux petits dispositifs embarqués portables, tels que les téléphones portables, les ordinateurs portables et les calculatrices.

En particulier, il existe un certain chevauchement entre ce qui constitue un système embarqué mobile et un système embarqué autonome. 

Tous les systèmes embarqués mobiles sont des systèmes embarqués autonomes, mais tous les systèmes embarqués autonomes ne sont pas des systèmes embarqués mobiles. 

Par exemple, bien que vous puissiez certainement déplacer une machine à laver, un four à micro-ondes ou un lave-vaisselle, vous ne les considérez probablement pas comme petits ou portables comme vous le feriez pour un téléphone portable, un ordinateur portable, une calculatrice ou un autre système mobile embarqué.

Que sont les systèmes embarqués à petite, moyenne et grande échelle ?

Lorsque l’on classe les systèmes embarqués en fonction des performances des microcontrôleurs, les systèmes embarqués sont divisés en trois catégories :

• Systèmes embarqués à petite échelle
• Systèmes embarqués à moyenne échelle
• Systèmes embarqués sophistiqués

Pour des raisons de simplification, étant donné que les complexités matérielles et logicielles de cette classification pourraient occuper une place importante dans les livres blancs, nous allons décrire les différences entre les systèmes embarqués à petite échelle, à moyenne échelle et sophistiqués :

• Les systèmes embarqués à petite échelle ont un microcontrôleur de 8 ou 16 bits.
• Les systèmes embarqués de taille moyenne ont un microcontrôleur de 16 ou 32 bits.
• Les systèmes embarqués sophistiqués ont plusieurs microcontrôleurs de 32 ou 62 bits.

En bref, la vitesse de traitement s’améliore à mesure que le nombre de bits du microcontrôleur augmente.

Comment fonctionnent les systèmes embarqués ? 

Les systèmes embarqués comprennent du matériel et des logiciels qui travaillent ensemble pour effectuer des tâches spécifiques. Ils reposent sur des microprocesseurs, des microcontrôleurs, de la mémoire, des interfaces de communication d’entrée/sortie et une alimentation électrique pour fonctionner.

Comme pour la quasi-totalité des ordinateurs, un système embarqué utilise une carte de circuit imprimé programmée avec un logiciel qui indique à son matériel comment fonctionner et gérer les données à l’aide d’interfaces de communication d’entrée/sortie et de la mémoire, ce qui produit finalement des résultats utiles à l’utilisateur.

Les systèmes embarqués ne sont donc pas fondamentalement différents des serveurs et stations de travail standard montés en rack.

Quelles sont les applications des systèmes embarqués ?

Les applications des systèmes embarqués sont diverses et omniprésentes. Elles comprennent :

La défense

• Véhicules et appareils de renseignement, de surveillance et de reconnaissance, tels que les drones et les satellites de surveillance.
• Systèmes d’armes et de guidage
• Les vêtements du soldat
• Systèmes de guerre électronique
• Systèmes de communication et de navigation
• Systèmes de commandement et de contrôle

Aérospatiale

• Systèmes de contrôle du trafic aérien
• Systèmes de contrôle de vol
• Systèmes de navigation
• Systèmes de gestion d’aéronefs
• Systèmes d’évitement des collisions
• Enregistreurs de vol
• Systèmes de surveillance météorologique
• Divers systèmes radar

Biens de consommation Industrie, santé, automobile et télécommunications

• Appareils ménagers
• Appareils de communication et de divertissement
• Systèmes de point de vente
• Distributeurs automatiques de billets
• Systèmes de sécurité d’entreprise
• Systèmes de surveillance des chaînes de montage et de fabrication
• Scanners IRM, scanners TEP, stimulateurs cardiaques
• Systèmes de freinage antiblocage (ABS)
• Routeurs de données, commutateurs de réseau

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Quels sont les avantages et les inconvénients de l’utilisation des systèmes embarqués ?

Les avantages immédiats des systèmes embarqués sont les suivants : 

• Une consommation d’énergie plus faible
• Moins de bruit et un taux de défaillance plus faible
• Plus grande résistance à la poussière, aux débris et autres particules.
• Moins de maintenance en général
• Taille réduite
• Poids inférieur
• Coût inférieur
• Peu ou pas d’intervention humaine
• Réalisation de tâches spécifiques
• Fonctionnement ininterrompu
• un degré élevé de tolérance aux pannes.

Les inconvénients des systèmes embarqués, du moins lorsqu’on les compare à la plupart des serveurs et des stations de travail de taille normale montés en rack, sont les suivants :

• des ressources de traitement limitées
• la simplicité de la gestion des tâches.

Maintenant que vous connaissez les avantages et les inconvénients des systèmes embarqués, voyons s’ils sont adaptés à votre programme ou à votre application.

Système embarqué, serveur ou station de travail : Qu’est-ce qui me convient le mieux ?

Nous avons mentionné au début quatre caractéristiques différenciatrices des systèmes embarqués par rapport aux serveurs et aux stations de travail. Il s’agit de l’objectif, de la conception, du prix et de l’implication humaine.

Ces caractéristiques sont également utiles pour décider lequel de ces ordinateurs à haute performance convient le mieux à votre programme ou application. 

En ce qui concerne l’objectif, les serveurs et les stations de travail sont généralement des ordinateurs polyvalents conçus pour gérer et exécuter diverses tâches et répondre ainsi à un large éventail de besoins des utilisateurs, par exemple l’hébergement et le partage de fichiers, l’exécution et l’accès à des applications, l’analyse de données volumineuses, la navigation sur Internet, la création de documents, etc.

Les systèmes embarqués, en revanche, exécutent la même tâche ou quelques tâches de manière répétée, par exemple l’acquisition de données environnementales spécifiques à l’aide d’un capteur fixé à un drone militaire et la transmission de ces informations à une station de contrôle au sol, dont les opérateurs peuvent les utiliser pour prendre des décisions tactiques.

En ce qui concerne la conception, un serveur ou une station de travail typique, du moins dans le secteur du calcul à haute performance, a une configuration de montage en rack de 19 pouces, utilise des ventilateurs et une ventilation pour la dissipation de la chaleur, et n’est pas scellé. Ils peuvent ou non être renforcés pour résister à des conditions difficiles.

En revanche, un système embarqué est généralement scellé, sans ventilateur et sans ventilation, et s’appuie sur des dissipateurs thermiques pour la dissipation de la chaleur. Sa conception occlusive protège ses composants internes du monde extérieur, ce qui rend le système intrinsèquement plus robuste que ses homologues ; l’absence de ventilateurs, d’évents et un corps scellé signifient qu’aucune particule ou matière environnementale, comme la poussière et les débris, ne peut bloquer les évents, provoquer un arrêt ou endommager les composants d’un système intégré. Le système peut également être renforcé pour résister aux chocs, aux vibrations, à la pluie et à d’autres conditions.

En ce qui concerne le prix, les serveurs et les stations de travail sont généralement plus chers que les systèmes embarqués, ce qui est compréhensible, car les premiers ont généralement une plus grande puissance de traitement, plus de mémoire volatile et non volatile, une construction plus solide et, globalement, peuvent gérer plus de tâches plus efficacement.

En ce qui concerne l’implication humaine, les serveurs et les stations de travail, en raison de leur nature polyvalente et de leur interaction innée avec l’utilisateur, requièrent davantage d’attention et de maintenance de la part de l’homme que les ordinateurs intégrés, qui sont généralement programmés et conçus pour fonctionner de manière autonome et avec un degré exceptionnel de tolérance aux pannes au sein de systèmes mécaniques, électriques ou électroniques plus importants. En conséquence, la longévité, la résilience et la continuité du système sont au centre de la conception des ordinateurs embarqués et sont des facteurs encore plus cruciaux à prendre en compte dans la conception des systèmes embarqués en temps réel dur.