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Les systèmes informatiques embarqués

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Objectif

Différencier un système informatique embarqué d’un ordinateur personnel classique.

Points clés

Un système informatique embarqué peut être défini comme un système électronique et informatique autonome intégré dans un équipement matériel et dédié à une tâche précise.
Un système informatique embarqué reçoit des informations du monde réel par le moyen de capteurs. Il mémorise et traite ces informations par l’unité de traitement (le microprocesseur), puis renvoie des informations vers le monde réel par l’intermédiaire des actionneurs.
Le programme présent sur la carte est en permanence exécuté (boucle infinie) lorsque le système informatique embarqué est alimenté électriquement.

1. Les systèmes embarqués

a. Définition

Un système embarqué peut être défini comme un système électronique et informatique autonome intégré dans un équipement matériel et dédié à une tâche précise.

Les systèmes embarqués utilisent des microprocesseurs mais ne possèdent pas des entrées/sorties standards comme un clavier ou un écran d’ordinateur (PC).

Ces systèmes interviennent dans des domaines de plus en plus nombreux :

Transports (automobile, aviation, espace, etc.).
Télécommunications (smartphones, satellites, etc.).
Produits électroniques (consoles de jeux, électroménager, domotique, etc.).
Développement durable (éclairage, éolienne, chauffage, etc.).
Sécurité (e-commerce, authentification, etc.).
Santé (hospitalisation à domicile, prothèse, etc.).

b. Principe de fonctionnement

Un système informatique embarqué reçoit des informations du monde extérieur par le moyens de capteurs (ou senseurs). Il mémorise et traite ces informations par l’unité de traitement (le microprocesseur) puis renvoie des informations vers le monde extérieur par l’intermédiaire des actionneurs (ou actuateurs).

Architecture d’un système embarqué

Remarque
L’interface homme-machine (IHM), qui permet à un utilisateur humain d’interagir avec la machine, est rarement présente.
Elle est par contre souvent utile pour reconfigurer le système ou vérifier son comportement.

c. Caractéristiques

En informatique embarquée, un système embarqué doit a minima respecter les contraintes suivantes.

Contrainte d’autonomie : il doit remplir sa mission pendant de longues périodes sans l’intervention humaine.
Contrainte de fiabilité : il doit assurer une continuité de service et fournir des résultats exacts.
Contrainte de réactivité : il doit réagir avec son environnement, ce qui implique des temps de réponse adaptés. On parle souvent du temps réel.
Contrainte de faible encombrement : l’informatique embarquée nécessite souvent d’être contenue dans un faible volume.
Contrainte de sécurité : certaines données peuvent être confidentielles, il faut donc collecter et conserver ces données en toute sécurité.
Contrainte de puissance de calcul adaptée : le système embarqué doit ajuster la puissance de calcul afin d’éviter les éventuelles surconsommations d’énergie.

2. La carte programmable

Une carte programmable intègre un microprocesseur (unité de traitement) qui effectue tous les traitements et qui stocke le code du programme. Elle possède généralement des entrées/sorties.

Le programme présent sur la carte est en permanence exécuté (boucle infinie) lorsque le système informatique embarqué est alimenté électriquement.

Il existe une multitude de cartes. Les plus populaires sont les suivantes, pour quelques dizaines d’euros.

a. La carte Arduino

La carte Arduino est sortie en 2005 sous licence libre et est vite devenue populaire. Elle se programme dans le langage assez simple arduino via un ordinateur et on téléverse le programme à l’aide d’un câble USB.

Carte Arduino UNO

b. La carte RaspberryPi

La carte RaspberryPi est sortie en 2012 avec un système d’exploitation intégré. On peut également la programmer en Python. Elle dispose aussi de fonctionnalités sans-fil.

Carte Raspberry Pi2

c. La carte micro:bit

La carte micro:bit est sortie en 2015 et a dans un premier temps été utilisée pour un usage éducatif. Elle dispose de nombreux capteurs intégrés et d’une matrice de leds.

Elle se programme elle-aussi en Python. C’est donc à elle toute seule un système informatique embarqué.

Carte Micro:bit

Repères historiques

Voici quelques repères historiques dans le domaine de l’informatique embarquée et des objets connectés.

1967 : Premier système embarqué de guidage lors de la mission lunaire Apollo. Il contrôlait de manière automatique la navigation du vaisseau spatial.
1971 : Premier microprocesseur commercialisé par Intel.
1982 : Le premier objet connecté est un distributeur de Coca-Cola installé aux États-Unis. Une interface permet de savoir si le distributeur est plein ou non, et si les canettes sont fraiches.
1984 : Lancement de l’avion A320 d’Airbus, dont les commandes sont intégralement contrôlées électroniquement. Les commandes étaient auparavant assurées manuellement par des câbles.
1998 : Mise en service de Météor, le métro informatisé sans conducteur de la ligne 14 à Paris.
2005 : Lancement de Nabaztag, un lapin connecté en wifi qui est devenu une icône des objets connectés.
2007 : Sortie de l’Iphone par Apple. Ce smartphone avec écran tactile est devenu l’emblème du smartphone ultra-connecté.
2014 : Invention de la Google Car, une voiture autonome dotée d’un pilotage automatique ainsi que de radars, de caméras vidéos et de GPS.
2020 : On estime qu’il y aura 30 milliards d’objets connectés à travers le monde. Il y en avait 15 milliards en 2015.