Composants des systèmes matériels embarqués : processeur, mémoire (RAM/ROM), périphériques d'E/S, unités de conversion analogique/numérique (A/N, N/A), modules de communication, modules d'alimentation. Cet article présente en détail le composant central des systèmes matériels embarqués : le processeur.
Types de processeurs embarqués
Microcontrôleur (MCU)
Les microcontrôleurs embarqués, également appelés microcontrôleurs monopuces, intègrent l'ensemble du système informatique sur une seule puce. Ils sont généralement dotés d'un cœur de microprocesseur et intègrent divers composants fonctionnels et périphériques nécessaires au sein de la puce, tels que ROM, EPROM, RAM, bus, logique de bus, minuteries, compteurs, chiens de garde, ports d'E/S, ports série, sorties à modulation de largeur d'impulsion, convertisseurs A/N, convertisseurs N/A, RAM Flash, EEPROM, etc.
Les microcontrôleurs sont couramment utilisés dans les systèmes de contrôle, tels que le contrôle de vol des drones, le contrôle du châssis des aspirateurs robotisés et l'ABS des automobiles, principalement pour l'exécution de tâches.
Les DSP sont des puces conçues pour le traitement numérique des signaux, réputées pour leur vitesse élevée, leur flexibilité et leur faible consommation d'énergie. Elles utilisent une architecture Harvard améliorée, séparant le stockage des programmes et des données, et intègrent souvent des multiplicateurs matériels. À l'ère numérique, les DSP jouent un rôle central dans les produits de communication, d'informatique et d'électronique grand public.
Les processeurs DSP sont spécialement conçus pour les tâches de traitement numérique du signal en temps réel, et les algorithmes DSP sont de plus en plus intégrés dans le domaine embarqué, passant de la mise en œuvre de fonctions DSP à l'aide d'instructions régulières dans des microcontrôleurs généraux à l'utilisation de processeurs DSP embarqués.
Unité à microprocesseur (MPU)
Le MPU intègre à la fois l'unité arithmétique et le contrôleur sur une seule puce. L'unité arithmétique effectue principalement des opérations arithmétiques et logiques, tandis que le contrôleur contrôle l'exécution du programme, y compris le contrôle des instructions, le contrôle du timing et le contrôle des opérations. Il récupère les instructions de la mémoire principale, détermine l'emplacement de l'instruction suivante dans la mémoire, décode les instructions, génère des signaux de contrôle et gère le flux de données entre le CPU, la mémoire principale et les périphériques d'entrée/sortie.
Les microprocesseurs embarqués utilisent des microprocesseurs polyvalents améliorés. En raison de leur utilisation typique dans des environnements difficiles, les microprocesseurs embarqués ont des exigences plus élevées en matière de température de fonctionnement, de compatibilité électromagnétique et de fiabilité que les microprocesseurs polyvalents standard.
Le SoC peut être considéré comme une puce qui combine un cœur de microprocesseur générique avec divers blocs IP (propriété intellectuelle) et périphériques, encapsulant différents modules pour créer une puce au niveau du système. Le SoC peut inclure une mémoire RAM/ROM intégrée, ainsi que les puissantes capacités d'un MPU, formant ainsi un circuit intégré dédié adapté à des fins spécifiques.
Processeurs embarqués ARM
Les processeurs ARM ont été conçus par la société britannique Acorn Limited et sont connus pour leur faible consommation d'énergie et leur architecture RISC (Reduced Instruction Set Computer) économique. Les processeurs ARM sont intrinsèquement des conceptions 32 bits, mais comprennent également un jeu d'instructions 16 bits, offrant généralement une réduction de la taille du code pouvant atteindre 35 % par rapport à un code 32 bits équivalent, tout en conservant tous les avantages d'un système 32 bits.
Les processeurs ARM sont classés en cinq catégories : les processeurs ARM classiques, les processeurs embarqués ARM Cortex, les processeurs embarqués en temps réel ARM Cortex, les processeurs d'application ARM Cortex et les processeurs experts ARM.
Processeurs ARM Cortex
La série Cortex-A (A = Application), conçue pour les applications haut de gamme avec des fréquences d'horloge élevées, d'excellentes performances et une consommation d'énergie raisonnable. Les modèles A5 à A15 sont des versions 32 bits, tandis que les modèles A53 à A57 sont des versions 64 bits. Ils sont connus sous le nom de processeurs d'application ARM Cortex.
La série Cortex-R (R = temps réel), conçue pour les applications de contrôle en temps réel avec des temps de réponse rapides, des performances raisonnables et une faible consommation d'énergie. Ils sont connus sous le nom de processeurs embarqués en temps réel ARM Cortex.
La série Cortex-M (M = Microcontrôleur) est destinée aux applications de microcontrôleurs avec un rapport coût-efficacité élevé, un faible coût et une consommation d'énergie minimale. Ces processeurs sont connus sous le nom de processeurs embarqués ARM Cortex.
De manière générale, les séries -R et -M sont appelées processeurs Cortex embarqués. Les processeurs spécialisés pour les applications de cartes à puce, qui mettent l'accent sur la sécurité et la fiabilité, sont appelés processeurs experts en sécurité ou processeurs experts (SecurCore). Ils comprennent trois séries : SC000 basée sur ARM7TDMI, SC100 basée sur Cortex-M0 et SC300 basée sur Cortex-M3.
