Intérieur d'un modem/routeur ADSL. Un exemple de système embarqué. Les parties numérotées comprennent : le microprocesseur (4), la RAM (6) et la mémoire flash (7).

Un système embarqué est un système électronique et informatique autonome, souvent temps réel, spécialisé dans une tâche précise. Le terme désigne aussi bien le matériel informatique que le logiciel utilisé. Ses ressources sont généralement limitées spatialement (encombrement réduit) et énergétiquement (consommation restreinte).

Histoire

L'un des premiers systèmes modernes embarqués reconnaissables a été le Apollo Guidance Computer en 1967, le système de guidage de la mission lunaire Apollo, développé par Charles Stark Draper du Massachusetts Institute of Technology. Chaque mission lunaire était équipée de deux systèmes (AGC), un chargé du guidage inertiel et un pour le module lunaire. Au commencement du projet, l'ordinateur AGC d'Apollo était considéré comme l'élément le moins fiable du projet. En revanche, grâce à l'utilisation de nouveaux composants qu'étaient à l'époque les circuits intégrés, des gains substantiels sur la place utile et la charge utile ont été réalisés, avec une diminution supposée des risques déjà nombreux des missions.

Contraintes

Les systèmes embarqués exécutent des tâches prédéfinies et ont un cahier des charges contraignant à remplir, qui peut être d'ordre :

• d'espace compté : l'espace mémoire peut être de limité de l'ordre de quelques Go maximum (bien que la taille vienne à être de moins en moins limitée grâce à la miniaturisation des éléments). Il convient de concevoir des systèmes embarqués qui répondent aux besoins au plus juste pour éviter un surcoût ;
• de puissance de calcul : il convient d'avoir la puissance de calcul juste nécessaire pour répondre aux besoins et aux contraintes temporelles de la tâche prédéfinie. Ceci en vue d'éviter un surcoût de l'appareil et une consommation excédentaire d'énergie (courant électrique) ;
• d'autonomie : la consommation énergétique doit être la plus faible possible, due à l'utilisation de batteries et/ou, de panneaux solaires voire de pile à combustible pour certains prototypes ;
• temporel : les temps d'exécution et l'échéance temporelle d’une tâche sont déterminés (les délais sont connus ou bornés a priori). Cette dernière contrainte fait que généralement de tels systèmes ont des propriétés temps réel ;
• de sûreté de fonctionnement : car s'il arrive que certains de ces systèmes embarqués subissent une défaillance, ils mettent des vies humaines en danger ou mettent en péril des investissements importants. Ils sont alors dits « critiques » et ne doivent jamais faillir. Par « jamais faillir », il faut comprendre toujours donner des résultats justes, pertinents et ce dans les délais attendus par les utilisateurs (machines et/ou humains) des dits résultats.

Architecture

Les systèmes embarqués utilisent généralement des microprocesseurs à basse consommation d'énergie ou des microcontrôleurs, dont la partie logicielle est en partie ou entièrement programmée dans le matériel, généralement en mémoire dans une mémoire morte (ROM), EPROM, EEPROM, FLASH, etc. (on parle alors de firmware).

Caractéristiques

• Plutôt que des systèmes universels effectuant plusieurs tâches, les systèmes embarqués sont étudiés pour effectuer des tâches précises. Certains doivent répondre à des contraintes de temps réel pour des raisons de fiabilité et de rentabilité. D'autres ayant peu de contraintes au niveau performances permettent de simplifier le système et de réduire les couts de fabrication.
• Les systèmes embarqués ne sont pas toujours des modules indépendants. Le plus souvent ils sont intégrés dans le dispositif qu'ils contrôlent.
• Le logiciel créé pour les systèmes embarqués est appelé firmware. Il est stocké dans de la mémoire en lecture seule ou de la mémoire flash plutôt que dans un disque dur. Il fonctionne le plus souvent avec des ressources matérielles limitées : écran et clavier de tailles réduites, voire absent, peu de mémoire, capacités de calcul relativement faibles.

Domaines d'applications

Les domaines dans lesquels on trouve des systèmes embarqués sont de plus en plus nombreux :

• Astronautique : fusée, satellite artificiel, sonde spatiale, etc.
• Automate programmable industriel, contrôle-commande
• Électroménager : télévision, four à micro-ondes
• Environnement
• Équipement médical
• Guichet automatique bancaire (GAB)
• impression : imprimante multifonctions, photocopieur, etc.
• Informatique : disque dur, Lecteur de disquette, etc.
• Métrologie
• Militaire : missile, radar
• Multimédia : console de jeux vidéo, assistant personnel
• Télécommunication : Set-top box, téléphonie, routeur, pare-feu, serveur de temps, Téléphone portable.
• Transport : Automobile, Aéronautique (avionique), Ferroviaire, etc.

Développement de systèmes embarqués

Le développement de systèmes embarqués nécessite des connaissances à la fois en électronique et en informatique. Parmi le matériel nécessaire pour réaliser un système embarqué on trouve :

• la documentation (datasheet) sur les composants utilisés. C'est la première source d'informations pour le développement ;
• l'outillage de base de l'électronicien (fer à souder, insoleuse…) ;
• les outils d'analyse temporelle : oscilloscope, analyseur logique… ;
• des composants de base (résistances, condensateurs…) ;
• un microprocesseur ou un microcontrôleur ;
• un compilateur croisé (dit aussi en anglais cross-compiler) ;
• un programmateur de microcontrôleur ou un programmateur in-situ ;
• un émulateur in-circuit ou ICE (In Circuit Emulator). Cet équipement permet le débogage matériel et logiciel (possibilité de déverminer au niveau du source du logiciel), cependant il reste coûteux ;
• une sonde JTAG. Peu coûteuse et très répandue, la sonde JTAG permet non seulement le débogage du logiciel in situ (lecture/modification de registres, mémoires, périphériques...) mais aussi la programmation de la mémoire FLASH des microcontrôleurs, que celle-ci soit interne ou externe comme dans le cas de certaines puces du fabricant NXP^[2] ;
• ingénierie des systèmes : approche multidisciplinaire pour définir, développer et déployer des systèmes embarquant des technologies numériques.

Marché et emploi

Transverses aux différents secteurs économiques, en 2013, les systèmes embarqués représentent en France un marché évalué à 73 milliards d’euros, soit 3,7 % du PIB. En matière d'emploi, la filière regroupe 1,3 % des actifs, soit 387 500 personnes.

Notes et références

Voir aussi