Chapitre 1 Informatique embarquée Problématique

1. ENSEM 3ème année Chapitre 1 Informatique embarquéeProblématique 2005 – 2006 Françoise Simonot-Lion (simonot@loria.fr) http://www.loria.fr/~simonot

2. Exemples de systèmes embarqués Disappearing computers Systèmes ambiants Françoise Simonot-Lion

3. Définition • Système embarqué : appareillage remplissant une mission spécifique en utilisant un ou plusieurs microprocesseurs (boîte noire) • Électronique numérique, microprocesseurs, calculateurs, … • Logiciels Françoise Simonot-Lion

4. Système embarqué vs Autonomie • Système embarqué (définition alternative) : (ensemble d’) unité(s) de traitement possédant une certaine autonomie • Autonomie de fonctionnement {processeurs, mémoires, réseaux, entrées-sorties, logiciels + source d’énergie} Exemple : téléphone portable • Autonomie fonctionnelle fourniture de services sans sollicitation à d’autres systèmes Exemple : calculatrice • Systèmes embarqués à autonomie fonctionnelle partielle Exemple : système électronique embarqué dans l’automobile « smart fridge » Françoise Simonot-Lion

5. 1990 2000 applications industrielles / militaires / aéronautiques applications grand public 2004 marché des systèmes embarqués supérieur au marché des architectures clients / serveurs + PC 2004 le citoyen de pays développé utilise quotidiennement, de manière transparente, en moyenne 100 processeurs Quelques données générales Françoise Simonot-Lion

6. Caractéristiques générales - 1 • Complexité des systèmes et services • du nombre de services fournis par le système • Exemple : téléphone, … • de la mission des systèmes (cf. authentification, calculs numériques, navigation / Internet, …) • Exemple : agendas électroniques, systèmes de contrôle de suspension dans une automobile, … Françoise Simonot-Lion

7. Caractéristiques générales - 2 • Complexité des architectures informatiques • de la puissance et de la complexité d’architecture des processeurs • architectures RISC, pipe-line, DSP, … • répartition des services sur plusieurs calculateurs communicants par des bus locaux, réseaux locaux, réseaux sans fil, … • exemple : équipements de téléphonie autour de Bluetooth, … Françoise Simonot-Lion

8. Caractéristiques générales - 3 • Systèmes interagissant … • Intégration de services fournis en local + services distants • Exemple : téléphone, aide à la navigation par GPS, « cartes à puces », … • autonomie fonctionnelle Françoise Simonot-Lion

9. 30 … ans 3 à 5 ans 1 à 2 ans 1 an  Diminution des temps de conception 6 mois Caractéristiques générales - 4 • Cycle de renouvellement des produits Françoise Simonot-Lion

10. Caractéristiques générales - 5 • Validation : sûreté versus qualité • Risques supportés / satisfaction + confiance des utilisateurs • Deux aspects imbriqués : Françoise Simonot-Lion

11. Caractéristiques générales - 6 • Paradigmes de conception • « design for cost » • « design for performance » • « design for safety » • … • Un challenge : la certification • contexte de réglementation • standards • procédure de certification • organismes de certification Françoise Simonot-Lion

12. Cas des systèmes embarqués dans l’automobile Françoise Simonot-Lion

13. Coût de l’électronique embarquée > 20% Coût du véhicule Contexte général - 1 • Production de véhicules • 40 millions (1998)  60 millions (2010) • Coût des systèmes électroniques embarqués • 37 000 M$ (1995)  60 000 M$ (2000) • Logiciel • 1,1 KBytes (1980)  2MBytes (2000) 10MBytes (2004) Françoise Simonot-Lion

14. Contexte Général - 2 Extrait de la présentation de Joseph Beretta / PSA - 16 et 17 Juin 2003– http://www.systemes-critiques.org/SECC/ Intégration et maturité des systèmes électriques & électroniques Génèse de l’électronique automobile Prolifération de l’électronique Électricité de base % du coût de l ’électronique dans le véhicule 35 Multimédia, Soupapes électromagnétiques Télématique, alternodémarreurGestion d’énergie 30 GMP 25 Multiplexage, ABS 20 Injection électronique Régulateur de vitesse 15 Allumage électronique Alternateur 10 Lampes, radio, démarreur, dynamo 5 0 1940 1920 1960 1980 2000 2010 Françoise Simonot-Lion

15. Confort • Sécurité • Coût nouveaux services • Time to market • Coût développés facilement Contexte Général - 3 • Lois sur le niveau d’émission de gaz d’échappement • Demande du client final • Demande du constructeur 90% innovation par l’électronique embarquée chez Daimler Chrysler Technologie logicielle Françoise Simonot-Lion

16. Contexte Général - 4 • coût des composants matériels • performance et fiabilité des composants matériels • loi de Moore • domaine automobile versus composants électroniques Françoise Simonot-Lion

17. Contexte Général - 5 • Composants électroniques et le contexte automobile Puissance des processeurs Taille des circuits imprimés mm GHz 3,4GHz 1 300 125mm 0,1 100 56MHz 80mm 1992 2000 2004 2008 1992 2000 2004 2008 Composants électroniques Composants électroniques dans l’automobile Françoise Simonot-Lion

18. Contexte Général - 6 • Émergence des réseaux et instruments de terrain • Réduction de câblage • 40% poids pour une portière Mercedes • 41% de longueur de câble entre les Peugeot 306 et 307 • Partage des capteurs • Amélioration des fonctions • disponibilités d’informations sur l’état des autres systèmes embarqués • évolutivité des systèmes embarqués (« plug and play ») Françoise Simonot-Lion

19. Problématique - 1 • Complexité fonctionnelle • Lois de contrôle multi-variables • Modes de fonctionnement • Interactions entre les fonctions • Fonctions critiques :sécurité – fiabilité – disponibilité performances / contraintes de temps Françoise Simonot-Lion

20. Fonctions critiques Architecture de communication complexe Chassis - Power Train Network Comfort Network Steering Wheel -ctl Power Train ABS A-C Radio ... ISU Amplifier Airbags Doors Calculateurs Body Network Problématique - 2 • Complexité architecturale PSA communication service Françoise Simonot-Lion

21. Problématique - 3 • Complexité architecturale • Nombre de réseaux • 3 (voiture de gamme moyenne)  10 (VW Phaeton) • Nombre de calculateurs • ~30 (voiture de gamme moyenne), 61 (VW Phaeton), 70 (BMW Séries 7) •  80 dans les modèles haut de gamme DC • Nombre d’informations échangées au sein du véhicule • ~2500 (VW Phaeton) PSA communication service Françoise Simonot-Lion

22. Problématique - 4 Extrait de la présentation de Joseph Beretta / PSA 16 et 17 Juin 2003 http://www.systemes-critiques.org/SECC/ A340 = ?? Taille mémoire • Complexité architecturale MULTIMEDIA A330 = 12 Mo 10Mo A320 = 5 Mo 607 Peugeot = 2 Mo. 1Mo Airbus Automobile. Augmentation de la taille du code 100Ko A300 = 23 Ko 10Ko 1Ko CX Citroën = 1,1 Ko. 1980 1970 1990 2000 2010 Françoise Simonot-Lion

23. Problématique - 5 • Coût d’une étude • plusieurs millions d’euros • Coût d’une piece • 40/80 Euros • Développement • Partagé entre plusieurs acteurs • Équipementiers (« suppliers » / « subcontractors ») / rang 1 / rang 2 • Constructeurs • Interactions entre partenaires • Boîtes noires / Boîtes blanches / Boîtes grises • Propriétés intellectuelles (IP) • Processus • Top - Down • Bottom - Up (réutilisabilité) • Standards • Services et maintenance à assurer pendant ~15 ans Sous contraintes Coût Qualité Variantes Sécurité Françoise Simonot-Lion

24. Pédale d’accélérateur Pédale de frein Agrément de conduite Consommation Pollution Contrôleur A-C … Contrôleur ESP • Multi-tâches • instantsd’échantillonnage • / temps moteur (~ 0,1ms.) • périodiques (~ 1 à 5ms) • Contraintes de temps strictes • Échéances • Fraîcheur / promptitude Importante puissance de calcul (coprocesseurs, mP 16/32 bits, DSP, …) Domaine moto-propulseur (Powertrain) Peu de variantes Contrôle-commande du moteur Lois de contrôle complexes Françoise Simonot-Lion

25. Colonne de direction Pédale de frein • Forces • sol • air autres systèmes Multi-tâches périodesd’échantillonnage différentes (0,1 ms 100ms.) Distribution Contraintes de temps strictes Importante puissance de calcul (coprocesseurs) Domaine Chassis Peu de variantes Contrôle-commande des roues, de la suspension, … (ABS – ESP – ASC – 4WD - …) Lois de contrôle complexes Sécurité X-by-Wire Françoise Simonot-Lion

26. Conducteur Passagers Systèmes réactifs Fonctions nombreuses Central Body Electronic Autres domaines Lights Wipers Seats Entité critique Tolérance aux fautes Contraintes de temps temps de réponse, cohérence temporelle Ordonnancement optimal des tâches Windows … Réactivité Conception incrémentale Sous-système mécatronique Système distribué hiérarchisé Mirrors Doors LIN s a s Domaine Carosserie (Body) Variantes nombreuses PSA communication service Françoise Simonot-Lion

27. Conducteur Passagers Internet GPS Télédiagnostic … • Constraintes de sécurité • Partage de ressources • « Fluid data streams » • Bande passante • QoS multimedia Equipements « upgradable » Applications « upgradable » Téléchargement Conception « Plug and Play » Domaine Télématique Nombreuses variantes (hors domaine) Interface Homme-Machine Voiture communicante Applications multimédia Françoise Simonot-Lion

28. Garantie en moyenne Garantie stricte de sûreté et qualité Caractéristiques des domaines Françoise Simonot-Lion

29. Plan • Généralités - Définitions • Caractéristiques générales Systèmes embarqués dans l’automobile • Contexte général • Problématique • Domaines • Problèmes ouverts • Standards • Réglementation – « X-by-Wire » • Conclusions  Françoise Simonot-Lion

30. En guise de conclusions • Les systèmes embarqués • sont omniprésents à l’heure actuelle, • interagissent au sein de systèmes plus vastes • Les challenges : • coût, performances, qualité • réglementations, responsabilités, • sûreté : disponibilité, fiabilité, sécurité-innocuité, sécurité-confidentialité, • maîtrise de leur développement, de leur évaluation • logiciels prépondérants + systèmes (environnement, matériels)  nouveaux métiers pour les informaticiens Françoise Simonot-Lion

31. Quelques pointeurs • Projet européen ITEA EAST-EEA (2001/2004) http://www.east-eea.net/ • Projet industriel international AUTOSAR (2004/2006) http://www.autosar.org/ • Quelques bons papiers • Expanding Automotive Electronic Systems – G. Leen, D. Heffernan, IEEE Computer Society, janvier 2002. • Les systèmes électroniques embarqués, un enjeu majeur pour l’automobile - J. Beretta - PSA Peugeot-Citroen, journées de réflexion et de prospective sur les systèmes embarqués, juin 2003, http://www.systemes-critiques.org/SECC/ • Sans vouloir faire de publicité : travaux du LORIA (projet TRIO) http://www.loria.fr/equipes/TRIO/ Françoise Simonot-Lion