Qu'est-ce qu'un système embarqué?

Un système embarqué est un ordinateur intégré dans un appareil pour effectuer des tâches spécifiques, souvent en temps réel.

Quels sont des exemples de systèmes embarqués?

Les exemples incluent les thermostats, les systèmes d'infodivertissement des voitures, et les montres intelligentes.

Où trouve-t-on des systèmes embarqués?

On trouve des systèmes embarqués dans les appareils ménagers, les voitures, les équipements médicaux et les dispositifs électroniques portables.

Pourquoi utiliser des systèmes embarqués?

On utilise des systèmes embarqués pour leur efficacité, leur taille compacte, et leur capacité à exécuter des tâches spécifiques rapidement.

Qu'est-ce qu'un système intégré ?

Un système embarqué est un système informatique dédié, conçu pour effectuer des tâches spécifiques avec des contraintes informatiques en temps réel. Il comprend à la fois du matériel et des logiciels et peut être considéré comme faisant partie d'un appareil complet.

Peux-tu citer quelques exemples quotidiens de systèmes intégrés ?

Les systèmes intégrés se trouvent dans les smartphones, les montres numériques, les appareils de domotique, les téléviseurs, les lecteurs de musique et bien d'autres appareils du quotidien.

Quel est le rôle des systèmes embarqués dans le secteur industriel ?

Les systèmes embarqués jouent un rôle essentiel dans le secteur industriel. Ils sont intégrés dans les systèmes de fabrication, les équipements médicaux, les applications aérospatiales, ainsi que dans les véhicules automobiles, ce qui permet d'accroître l'efficacité et d'automatiser des processus complexes.

Peux-tu donner des exemples de systèmes embarqués autonomes, en temps réel, en réseau et mobiles ?

Les exemples de systèmes intégrés autonomes comprennent les calculatrices, les thermostats et les lecteurs MP3. Les systèmes intégrés en temps réel se trouvent dans les systèmes de contrôle de vol et les services de streaming vidéo. Les systèmes intégrés en réseau sont utilisés dans les appareils domestiques intelligents et les systèmes de contrôle industriel. Les systèmes embarqués mobiles sont utilisés dans les smartphones, les tablettes et les trackers de fitness portables.

Comment fonctionne un cardiofréquencemètre dans les trackers de fitness ?

Le cardiofréquencemètre des trackers de fitness utilise un système intégré en temps réel qui fonctionne en éclairant la peau à l'aide d'une LED, en mesurant la quantité de lumière absorbée par le sang sous la peau, en traitant les signaux et en envoyant les données à un appareil.

Exemples de systèmes embarqués: 'Arduino', 'RasPi'

Comprendre les systèmes embarqués

En termes simples, les systèmes embarqués font référence à des systèmes informatiques dédiés, conçus pour effectuer des tâches spécifiques avec des contraintes informatiques en temps réel. Ces systèmes se retrouvent dans divers aspects de la vie quotidienne et des opérations industrielles. Ils sont "intégrés" en tant que partie d'un dispositif complet qui comprend du matériel et des pièces mécaniques, d'où le terme.

Un système embarqué peut être défini comme un système à base de microprocesseur conçu pour remplir une fonction particulière dans un système plus large, souvent avec des contraintes informatiques en temps réel. Il englobe à la fois le logiciel et le matériel, et implique une série de tâches de programmation informatique.

Quels sont les exemples de systèmes intégrés ?

Les exemples de systèmes intégrés sont très répandus et se retrouvent dans de nombreux appareils que nous utilisons quotidiennement. Ils contribuent à rendre les appareils plus intelligents et plus réactifs, en améliorant leur fonctionnalité et leurs performances. Pour chaque exemple, on peut observer certaines caractéristiques uniques adaptées à l'application spécifique.

Exemples quotidiens de systèmes intégrés

De tes alarmes matinales à tes émissions de télévision du soir, une foule d'appareils de tous les jours fonctionnent selon les principes des systèmes intégrés. Jette un coup d'œil à quelques-uns d'entre eux.

Les smartphones sont l'un des exemples les plus répandus. Ils contiennent une multitude de systèmes intégrés conçus pour tout gérer, de la réponse tactile à la connexion au réseau cellulaire.
Montres numériques ou trackers de fitness : Elles sont intégrées à des systèmes embarqués pour exécuter des fonctions telles que le comptage des pas, le suivi de la fréquence cardiaque, etc.
Les appareils domotiques comme les thermostats intelligents, les systèmes de sécurité ou les réfrigérateurs intelligents contiennent également des systèmes intégrés pour exécuter leurs fonctions spécialisées.
Les téléviseurs, les lecteurs de musique et autres appareils de divertissement sont tous dotés de systèmes intégrés qui décodent les flux de données compressées et fournissent l'interface utilisateur.

Prenons l'exemple de l'Amazon Echo Dot, un appareil domotique bien connu. En le "réveillant" avec un mot spécifique, tu peux lui demander des informations ou contrôler tes autres appareils intelligents. Toute l'"intelligence" qu'il affiche en fonction des commandes vocales est due à un système intégré. Le système intégré à l'intérieur de l'Echo Dot traite la parole, convertit les commandes en actions et contrôle d'autres éléments matériels de l'appareil comme le haut-parleur.

Exemples industriels de systèmes intégrés

Dans l'industrie, les systèmes embarqués jouent un rôle important dans l'automatisation de processus complexes et l'amélioration de l'efficacité. L'observation des exemples suivants te permettra de mieux comprendre leur rôle vital dans diverses industries.

Systèmes de fabrication : Les chaînes d'assemblage, les dispositifs robotiques et les systèmes de contrôle utilisés dans les usines sont alimentés par des systèmes embarqués.
Équipement médical : Les appareils tels que les ECG, les IRM et les machines de dialyse contiennent des systèmes intégrés qui exécutent diverses fonctions sophistiquées.
Applications aérospatiales : Les systèmes de commande de vol et les systèmes de navigation des avions, des engins spatiaux et des satellites font tous appel à des systèmes intégrés complexes.
Applications automobiles : Les véhicules modernes contiennent des dizaines de systèmes intégrés qui contrôlent tout, du moteur et des freins à la climatisation et aux systèmes de divertissement.

Dans l'industrie automobile, les systèmes de freinage antiblocage (ABS) sont un parfait exemple de système intégré. C'est un système de freinage antidérapant de sécurité basé sur un système embarqué qui empêche les roues de se bloquer (de cesser de tourner) et d'éviter les dérapages incontrôlés lors du freinage. Un capteur situé dans la roue détecte une décélération rapide indiquant un blocage imminent. Le système embarqué module alors la pression de freinage au niveau de cette roue pour empêcher le blocage, ce qui permet un contrôle plus sûr de la direction lors du freinage.

Approfondir les systèmes embarqués

Le monde des systèmes embarqués est vaste et comprend une myriade d'applications dans divers domaines.

Types de systèmes embarqués et exemples

Les systèmes embarqués peuvent être classés en différents types en fonction de leur fonctionnalité, de leurs performances et d'autres attributs. Les principaux sont les systèmes autonomes, les systèmes en temps réel, les systèmes en réseau et les systèmes mobiles.

Systèmes embarqués autonomes

Les systèmes embarqués autonomes, comme leur nom l'indique, fonctionnent de manière indépendante sans nécessiter de système hôte ou de support réseau. Ces systèmes prennent des entrées, traitent les données et produisent ensuite la sortie souhaitée. Ils trouvent leur place dans un large éventail d'applications et d'appareils.

Calculatrices : Probablement l'exemple le plus simple de système embarqué autonome. Elles prennent des entrées numériques, effectuent des calculs et affichent le résultat sur un écran.
Thermostats : Ces appareils prennent des relevés de température, les comparent à une valeur définie et contrôlent un système de chauffage ou de refroidissement pour maintenir la température souhaitée.
Lecteurs MP3 : Ces appareils lisent des fichiers audio à partir d'une unité de stockage, décodent les données compressées et diffusent le son obtenu par l'intermédiaire d'un haut-parleur ou d'une prise pour casque d'écoute.

Systèmes intégrés en temps réel

Les systèmes embarqués en temps réel sont conçus pour effectuer des tâches dans un délai précis ou "deadline". Tout retard dans le traitement peut entraîner des résultats indésirables, voire une défaillance du système. Ces systèmes sont divisés en deux types : Les systèmes en temps réel dur et les systèmes en temps réel doux.

Systèmes en temps réel dur : Le système doit terminer sa tâche avant l'échéance définie. Sinon, on considère qu'il s'agit d'une défaillance du système. Les exemples incluent les systèmes de contrôle de vol et les appareils médicaux de soins intensifs.

Systèmes en temps réel souple : Le système doit idéalement terminer sa tâche à la date limite, mais des retards occasionnels sont autorisés. Les exemples incluent le streaming vidéo ou les services VOIP.

Systèmes embarqués en réseau

Les systèmes intégrés en réseau, comme leur nom l'indique, sont connectés à un réseau, généralement un réseau local (LAN). Ils s'appuient sur le réseau pour recevoir des entrées et parfois pour envoyer des sorties. La pile de protocoles du réseau gère toutes les tâches du réseau, ce qui rend la programmation de ces appareils similaire à celle des systèmes intégrés autonomes.

Appareils domestiques intelligents : Les appareils tels que les lumières intelligentes, les serrures intelligentes ou les thermostats intelligents sont connectés à ton réseau domestique, ce qui te permet de les contrôler à distance.
Systèmes de contrôle industriel : Les systèmes d'automatisation des usines utilisent souvent des systèmes intégrés en réseau pour prendre des mesures à partir de divers capteurs autour de l'usine, puis contrôler divers actionneurs en fonction de ces données.

Systèmes embarqués mobiles

Les systèmes embarqués mobiles sont conçus pour les appareils portables et de poche. Ces systèmes se caractérisent par une faible consommation d'énergie, une petite taille et une grande robustesse pour un fonctionnement fiable.

Smartphones et tablettes : Ces appareils comprennent de nombreux systèmes embarqués pour gérer leurs interfaces et leurs systèmes de communication. Ils sont conçus pour être compacts et économes en énergie.
Traqueurs de forme portés sur soi : Ils suivent divers paramètres de santé et émettent des alertes à des intervalles précis. Ils doivent être petits et consommer un minimum d'énergie pour permettre une utilisation continue.

Par exemple, le moniteur de fréquence cardiaque des trackers de fitness utilise un système intégré en temps réel qui fonctionne en éclairant la peau à l'aide d'une LED, puis en mesurant la quantité de lumière absorbée par le sang qui circule sous la peau. Les fluctuations de l'absorption de la lumière signalent les battements de cœur. Ces données sont ensuite traitées et envoyées à un appareil mobile via un système intégré en réseau pour afficher les relevés et les alertes.

L'évolution des systèmes intégrés

Les systèmes embarqués ont parcouru un long chemin depuis leur création. L'évolution s'étend des systèmes indépendants de base aux machines multitâches très complexes qui sous-tendent l'Internet des objets (IoT). L'histoire de ces systèmes est marquée par des étapes importantes et des changements transformateurs.

Exemples historiques de systèmes embarqués

En te plongeant dans le passé, tu trouveras des exemples précoces mais impressionnants de systèmes embarqués. Chacun d'entre eux a servi d'étape vers les systèmes sophistiqués que tu rencontres aujourd'hui. Pour comprendre leur évolution, il est utile de considérer une brève histoire des systèmes embarqués.

L'aube des systèmes intégrés

Les racines des systèmes embarqués remontent au milieu du 20e siècle. On peut dire que le premier système intégré reconnaissable a été l'ordinateur de guidage Apollo (AGC) développé par la NASA pour les missions Apollo sur la lune dans les années 1960.

L'AGC était un ordinateur multitâche en temps réel qui tenait dans une petite boîte (environ un pied cube) et pesait un peu plus de 30 kilogrammes. Il était chargé de traiter tous les calculs de navigation et de contrôler le vaisseau spatial. Des calculs précis en temps réel étaient essentiels pour permettre au module lunaire d'atterrir avec succès sur la surface de la lune.

Les équations de guidage au sein de l'AGC constituaient une utilisation historique de la programmation des systèmes intégrés. En termes mathématiques, ces équations peuvent représenter un système d'équations différentielles ordinaires, telles que

\[ \frac{{dx}}{{dt}} = f(x,u) \]

où \( x \) est le vecteur d'état de l'engin spatial, \( u \) constitue les entrées de contrôle, et \( f \) est la fonction du système caractérisant le comportement dynamique de l'engin spatial. L'AGC calcule rapidement les solutions précises de ces équations, garantissant ainsi un atterrissage lunaire en toute sécurité.

L'AGC a été conçu à l'aide de milliers de portes logiques mises en œuvre avec des circuits intégrés, ce qui en fait l'une des premières conceptions intégrées à grande échelle (LSI). Cette approche a révolutionné l'ingénierie informatique et ouvert la voie aux ordinateurs personnels et aux systèmes intégrés modernes.

Les systèmes intégrés à l'ère du numérique

Le boom des microprocesseurs à la fin du 20e siècle a eu un impact considérable sur les systèmes intégrés. À mesure que la puissance de traitement devenait plus disponible et plus abordable, de nouveaux horizons ont commencé à se dessiner pour les systèmes intégrés, qui ont entamé leur transition vers l'ère numérique.

Le premier système intégré contrôlé par microprocesseur était l'Autonetics D-17B, un composant du missile balistique intercontinental Minuteman II qui a été développé au milieu des années 1960. Il utilisait plus de 3000 circuits intégrés et n'avait pas de système d'exploitation - le logiciel était directement exécuté sur le matériel.

Le grand saut suivant dans le domaine des systèmes intégrés a été l'avènement du microprocesseur Intel 4004 en 1971. L'Intel 4004 était un microprocesseur 4 bits conçu pour une calculatrice, mais il a fini par révolutionner la conception des circuits numériques en intégrant le processeur, la mémoire et les commandes d'entrée/sortie sur une seule puce.

L'Intel 4004 a ouvert la voie au microcontrôleur, un circuit intégré unique doté d'un processeur, d'une mémoire et de périphériques d'entrée/sortie. Par exemple, le microcontrôleur ATmega328, couramment utilisé dans la carte de développement Arduino Uno, est doté d'un processeur cadencé à 16 MHz, de 32 Ko de mémoire flash, de 2 Ko de SRAM et d'une variété de broches d'entrée/sortie numériques et analogiques.

Aujourd'hui, grâce aux progrès des technologies matérielles et des méthodologies logicielles, les systèmes intégrés sont partout, des appareils domestiques intelligents et des gadgets portables aux systèmes d'automatisation industrielle et aux applications aérospatiales, rapprochant le monde de la réalisation de l'Internet des objets.

Explorer les systèmes embarqués en temps réel

Les systèmes embarqués en temps réel jouent un rôle crucial dans notre vie quotidienne. Ces systèmes se distinguent par leur capacité à répondre à des événements ou à des entrées dans un délai strict, ce qui les rend vitaux dans les applications où la rapidité d'exécution est un facteur critique.

Exemple de système embarqué en temps réel

Si tu regardes le paysage plus large des systèmes intégrés en temps réel, tu les trouveras dans des industries allant des transports aux soins de santé, et au-delà. La caractéristique commune à tous ces systèmes est leur besoin de fournir des réponses en temps voulu dans le cadre de leur fonctionnement.

Un système embarqué en temps réel est un type particulier de système qui réagit aux changements de son environnement dans un laps de temps strict et spécifié. Les réponses du système doivent essentiellement être prévisibles et opportunes afin d'éviter les erreurs et de garantir des performances optimales.

Pour mieux comprendre ce concept, considère le système de freinage antiblocage (ABS) d'une voiture moderne. C'est l'exemple parfait d'un système embarqué en temps réel. L'ABS surveille la vitesse de rotation de chaque roue pendant le freinage. Lorsqu'il détecte qu'une ou plusieurs roues sont sur le point de se bloquer, il module automatiquement la pression de freinage sur cette ou ces roues.

if wheelSpeed < threshold reduceBrakePressure(wheel) else maintainBrakePressure(wheel)

Ce code, bien que simpliste, démontre la base d'une fonction ABS. Pourtant, dans la pratique, le système implique des fonctions plus complexes telles que les contrôles de la dynamique du véhicule et les systèmes de contrôle de la traction.

Systèmes embarqués en temps réel dans les transports

Les systèmes de transport comportent divers composants en temps réel visant à améliorer la sécurité, l'efficacité et la commodité.

Systèmes d'avion : L'avionique d'un avion incorpore de multiples systèmes en temps réel. Ceux-ci comprennent le système de commande de vol, qui doit répondre immédiatement aux données du pilote ou aux signaux de commande automatique pour assurer la stabilité du vol de l'avion.
Contrôleurs de feux de circulation : Ces systèmes doivent allumer les feux à des intervalles prédéfinis, mais peuvent également devoir répondre aux véhicules d'urgence ou à la détection de dysfonctionnements en temps réel.
Systèmes de navigation : Les appareils tels que les récepteurs GPS sont alimentés en données en temps réel sur les positions des satellites et doivent calculer et afficher l'emplacement de l'appareil en temps réel.

Les systèmes intégrés en temps réel dans le domaine des transports entrent souvent dans la catégorie du "temps réel dur", où un retard dans la réponse du système pourrait entraîner des résultats catastrophiques, tels que des accidents dans le cas des systèmes de transport.

Systèmes embarqués en temps réel dans le domaine de la santé

Dans le secteur de la santé, il existe plusieurs systèmes embarqués en temps réel qui sont utilisés pour automatiser des procédures médicales complexes et surveiller la santé des patients.

Systèmes d'imagerie médicale : Les appareils tels que les tomodensitomètres, les appareils d'IRM et les appareils à ultrasons utilisent des systèmes en temps réel pour traiter et afficher rapidement les images pendant les scans.
Systèmes de surveillance des patients : Ces systèmes surveillent en permanence les paramètres vitaux tels que le rythme cardiaque, la pression artérielle, le niveau d'oxygène et fournissent des données en temps réel aux professionnels de la santé.
Appareils d'assistance : Les appareils tels que les prothèses auditives et les stimulateurs cardiaques sont également des systèmes intégrés qui fonctionnent en temps réel, ajustant continuellement leur fonctionnement en fonction des besoins du patient.

Les hôpitaux utilisent également des systèmes de localisation en temps réel (RTLS) pour suivre l'équipement médical, le personnel et les patients en temps réel. Par exemple, la position prévue d'un appareil médical mobile peut être calculée par un système intégré en temps réel à l'aide d'une formule dérivée des lois de la physique, telle que

\[ x = x_0 + v_0t + \frac{1}{2} a t^2 \]

où \(x\) est la position actuelle, \(x_0\) est la position initiale, \(v_0\) est la vitesse initiale, \(a\) est l'accélération, et \(t\) est le temps écoulé. Cela permet d'améliorer la gestion des ressources et les soins aux patients.

La polyvalence des systèmes intégrés

Les systèmes intégrés occupent sans aucun doute une place importante dans la technologie en raison de leur polyvalence et de leur large base d'applications. Des appareils ménagers et de l'électronique grand public aux équipements industriels, en passant par les appareils médicaux et les systèmes automobiles, les exemples de systèmes intégrés sont nombreux.

Comparaison de divers exemples de systèmes intégrés

Lorsque l'on examine des exemples de systèmes intégrés, il est important de comprendre qu'ils peuvent être très différents les uns des autres en fonction de leur fonctionnalité, de leur complexité et de leur philosophie de conception. Certains sont conçus pour exécuter une seule fonction, tandis que d'autres peuvent gérer une multitude de tâches. Certains sont des unités autonomes, tandis que d'autres font partie d'un réseau plus vaste. Examinons plus en détail quelques exemples de systèmes embarqués et discernons leurs différences.

Exemple	Fonction	Caractéristiques
Contrôleur de machine à laver	Contrôle les différents cycles d'un lave-linge	Fonction simple, autonome et dédiée
Thermostat intelligent	Surveille et ajuste les conditions ambiantes	En réseau, interopérable, polyvalent
Stimulateur cardiaque	Régule les battements cardiaques	Temps réel, sécurité critique, fonctionnement sur batterie
Systèmes de capteurs automobiles	Surveille divers paramètres du véhicule	En temps réel, en réseau, reliés à d'autres systèmes

Par exemple, le contrôleur d'une machine à laver se contente de suivre une séquence d'opérations préprogrammée. En revanche, un thermostat intelligent ne se contente pas de surveiller et de contrôler la température, mais apprend également ton comportement au fil du temps, ajuste les réglages en fonction des conditions météorologiques extérieures et permet un contrôle à distance via un réseau. Cela montre la différence de complexité, le contrôleur de machine à laver étant un système embarqué de base et le thermostat intelligent représentant un système embarqué plus avancé, en réseau et multifonctionnel.

Avantages et limites des différents systèmes intégrés

Des systèmes intégrés spécifiques peuvent offrir des avantages uniques en fonction de la complexité et des fonctionnalités qu'ils possèdent. Avant d'entrer dans le vif du sujet, il convient de noter que tous les systèmes intégrés partagent certains avantages communs, notamment l'efficacité, la fiabilité et les performances. De par leur conception, les systèmes intégrés sont optimisés pour leurs tâches spécifiques, ce qui permet une utilisation efficace des ressources, un fonctionnement fiable et des performances optimales.

Cependant, la diversité du paysage des systèmes intégrés implique que tous les systèmes ne conviennent pas à tous les usages. En fonction de leur conception et de leur objectif, ces systèmes présentent également des limites. Les variations peuvent concerner des aspects tels que la capacité de calcul, la flexibilité, l'évolutivité, l'interopérabilité et le coût. Et bien que ces aspects ne soient pas considérés comme des défauts à proprement parler, ils peuvent limiter l'applicabilité d'un système dans certaines situations.

Par exemple, un contrôleur de machine à laver est rentable et efficace dans son travail, mais il est limité dans ses capacités de calcul et ne peut pas être réaffecté à d'autres tâches. En revanche, un thermostat intelligent offre beaucoup de flexibilité et d'interopérabilité, mais il est plus cher et il nécessite une infrastructure de soutien comme un réseau Wi-Fi et un appareil intelligent pour l'interface utilisateur. De même, un stimulateur cardiaque offre une fonctionnalité vitale, exigeant les plus hauts niveaux de fiabilité, mais fait face à des contraintes concernant sa taille, sa consommation d'énergie et le besoin de biocompatibilité.

Comment choisir le bon système embarqué pour tes besoins ?

Comprendre la diversité des systèmes embarqués, leurs avantages, leurs limites et les environnements qui en ont besoin est un préalable nécessaire au choix du bon système embarqué. La "justesse" découle de l'adéquation entre les capacités du système et les exigences du cas d'utilisation. Suis les lignes directrices suivantes :

Identifie les fonctionnalités de base que le système embarqué doit fournir.
Décide des exigences en matière de temps réel. Le système doit-il réagir immédiatement à un événement ou doit-il faire preuve d'une certaine souplesse ?
Pense à l'efficacité énergétique. Le système est-il alimenté par une batterie ? La consommation d'énergie est-elle une préoccupation majeure ?
Considère les exigences d'interopérabilité. Le système doit-il se connecter à d'autres systèmes ou réseaux ?
Estime un coût raisonnable pour le système tout en maintenant un bon équilibre avec les autres paramètres de conception.

Dans tous les cas, ces facteurs doivent guider le choix que tu fais, en veillant à ce que la spécification du système s'aligne sur tes besoins. En caractérisant soigneusement ton domaine de problèmes et en faisant preuve de diligence raisonnable lors de l'examen des options disponibles, tu peux t'assurer que le système embarqué choisi s'avère être un tech-ally.

Exemples de systèmes intégrés - Principaux enseignements

Un système embarqué est un système informatique doté d'une fonction dédiée qui est intégré à d'autres systèmes physiques ou électriques.
Il existe de nombreux types de systèmes intégrés, notamment les systèmes autonomes (calculatrices, thermostats, lecteurs MP3), les systèmes en temps réel (hard et soft), les systèmes en réseau (appareils domestiques intelligents, systèmes de contrôle industriels) et les systèmes mobiles (smartphones, tablettes, appareils de suivi de la condition physique portés sur soi).
Parmi les exemples de systèmes intégrés en temps réel, on peut citer les systèmes de freinage antiblocage (ABS) des véhicules et les appareils médicaux de soins intensifs.
Parmi les exemples historiques de systèmes intégrés, on peut citer l'ordinateur de guidage Apollo (AGC), l'Autonetics D-17B et le microprocesseur Intel 4004.
Les systèmes intégrés sont très répandus dans les transports (par exemple, les systèmes aéronautiques, les contrôleurs de feux de circulation, les systèmes de navigation) et les soins de santé (par exemple, les systèmes d'imagerie médicale, les systèmes de surveillance des patients, les appareils d'assistance).

Exemples de systèmes embarqués

Équipe éditoriale StudySmarter

Comprendre les systèmes embarqués