Le développement de Systèmes Embarqués : Défis techniques et technologiques

Le développement des systèmes embarqués nécessite des compétences poussées dans le domaine de l’ingénierie électronique, de l’informatique embarquée et la prise en compte de contraintes spécifiques liées aux systèmes « temps réel ». Explorons un domaine pas comme les autres.

Dans les Systèmes Embarqués, les contraintes liées à la consommation d’énergie, à la mémoire limitée, à la taille réduite des dispositifs, ainsi qu’à la sécurité des communications et du firmware sont omniprésentes. Les ingénieurs doivent optimiser chaque aspect du logiciel et du matériel pour s’assurer que les systèmes sont à la fois performants, fiables et sûrs. Le respect des exigences en temps réel tout en minimisant les coûts ajoute un facteur de complexité.

1. Architecture matérielle : des microcontrôleurs aux FPGA

La sélection de la plateforme matérielle est l’une des premières décisions critiques. Selon les spécificités techniques les ingénieurs doivent choisir la technologie la plus adaptée.

• Microcontrôleurs : adaptés pour des tâches spécifiques à faible consommation d’énergie, comme dans les objets connectés, les dispositifs médicaux, les systèmes spatiaux avec par exemple la puce SAMD21RT tolérante aux rayonnements. Autres exemples, les séries STM32 ou ESP32, qui offrent une intégration de périphériques riches (ADC, UART, etc.) et des options de faible consommation.
• Microprocesseurs : pour les systèmes plus complexes, nécessitant plus de puissance de traitement, les microprocesseurs viennent compléter les microcontrôleurs, en particulier lorsque la taille du dispositif et les exigences en matière de performances augmentent. Ils sont souvent utilisés dans des systèmes plus volumineux avec moins de contraintes en matière d’autonomie.
• FPGA (Field-Programmable Gate Array) : Les FPGA offrent une flexibilité incomparable en matière de traitement, en particulier pour des systèmes nécessitant une haute capacité de calcul parallèle ou des exigences spécifiques non couvertes par les microcontrôleurs ou les microprocesseurs. Contrairement à ces derniers, les FPGA permettent une reconfiguration du matériel après fabrication, ce qui permet d’adapter les fonctions matérielles en fonction des besoins. Cette flexibilité est l’une des raisons pour lesquelles les FPGA sont de plus en plus prisés, particulièrement dans les secteurs où la personnalisation, la performance et la confidentialité sont essentielles.

FOCUS FPGA :

Les FPGA sont couramment utilisés dans des applications où des exigences de traitement temps réel et de hautes performances coexistent. Ils se révèlent particulièrement efficaces dans des domaines comme :

• Le secteur militaire et de la défense : où les FPGA sont très recherchés pour leur capacité à traiter rapidement de grandes quantités de données tout en assurant une robustesse face aux conditions extrêmes. Les FPGA sont par exemple intégrés dans des systèmes radar, des dispositifs de guerre et des systèmes de communication cryptée. Leur capacité à être reprogrammés permet aux systèmes de défense d’évoluer face aux nouvelles menaces, ce qui est essentiel dans des environnements militaires en constante évolution.
• L’aérospatial : Les FPGA sont utilisés pour traiter les données en temps réel issues des capteurs embarqués dans les satellites ou les drones. Leur capacité à gérer des tâches complexes tout en respectant des contraintes de poids et de consommation d’énergie les rend particulièrement adaptés à ces environnements où chaque gramme et chaque milliwatt compte.
• L’intelligence artificielle : Les FPGA sont capables d’accélérer l’inférence des modèles de réseaux de neurones, ce qui les rend adaptés pour des applications d’IA embarquée nécessitant des performances élevées avec des contraintes de puissance et de latence.

2. Développement logiciel : optimisation, temps réel et gestion des contraintes

La partie logicielle est tout aussi critique que la partie matérielle et les deux doivent fonctionner de manière harmonieuse. Contrairement aux environnements de développement classiques, les systèmes embarqués imposent des contraintes rigoureuses. Le choix du langage de programmation est influencé par la nécessité d’une gestion fine de la mémoire et des ressources.

Les langages de bas-niveaux permettent un contrôle direct du matériel, et ceux plus-haut niveau, facilitent la gestion des fonctionnalités complexes.

• Langages de programmation : Le C reste le langage de prédilection dans le développement de systèmes embarqués en raison de son faible niveau d’abstraction et de sa capacité à accéder directement au matériel. C est très utilisé pour la programmation bas niveau car il offre un bon équilibre entre performance, accessibilité au matériel et simplicité de développement. Le C++ est également populaire, surtout pour les systèmes nécessitant des architectures orientées objet et une gestion plus complexe des données. Assembly est encore utilisé pour l’optimisation de bas niveau ou pour des opérations très spécifiques ou critiques, nécessitant une optimisation maximale du code. Python est utilisé pour le prototypage rapide, bien qu’il soit rarement choisi pour des applications embarquées en production en raison de ses besoins en ressources. Les langages spécialisés comme Rust commencent à émerger dans l’écosystème des systèmes embarqués, offrant une gestion mémoire sûre tout en assurant des performances élevées.

• Yocto : méthode de construction d’OS embarqués : Bien que Yocto ne soit pas un langage de programmation, il s’agit d’un outil incontournable pour les développeurs, en particulier ceux qui travaillent avec Linux embarqué. Yocto est une plateforme permettant de créer des distributions Linux personnalisées, adaptées aux besoins spécifiques des systèmes embarqués. Avec Yocto, il est possible de configurer l’architecture logicielle du système, de compiler le noyau Linux ainsi que les applications et bibliothèques associées, tout en optimisant la taille du système et les ressources utilisées. Le projet Yocto permet de créer des systèmes légers et optimisés, tout en garantissant la flexibilité et la modularité de Linux.

• Systèmes d’exploitation temps réel (RTOS) : pour les systèmes nécessitant une réactivité rapide, l’utilisation d’un RTOS (Real-Time Operating System) s’impose généralement. Un RTOS permet de garantir que les tâches critiques respectent des délais stricts, nécessaires dans des domaines comme l’automobile (ABS, contrôle moteur) ou l’aéronautique (avionique). FreeRTOS ou Zephyr sont des exemples d’OS temps réel couramment utilisés.
• Gestion de la mémoire : L’optimisation du code, des piles d’interruptions et l’utilisation de buffers circulaires sont des pratiques courantes. L’utilisation d’outils comme Valgrind ou des compilateurs spécifiques pour l’analyse de la consommation de mémoire et de ressources est fréquente.

3. Modélisation basée sur des systèmes : Simuler pour mieux concevoir

La modélisation et la simulation permettent concevoir et optimiser les systèmes embarqués avant même leur implémentation physique. De nombreux outils permettent d’effectuer cette étape critique pour réduire les erreurs en amont du développement.

• Modélisation et simulation : des outils comme MATLAB/Simulink ou Modelica permettent de simuler les performances d’un système avant même qu’il soit implémenté. Ces modèles peuvent inclure des paramètres physiques, comme la consommation d’énergie, ou des temps de réponse des capteurs, et permettent d’optimiser l’architecture du système avant de passer à la phase de prototypage.
• Logiciels de simulation avancée : Dassault Systèmes propose également des logiciels de simulation, tels que CATIA et SIMULIA. Il est possible de modéliser des systèmes complexes, mais aussi de simuler des interférences, comme les interactions électromagnétiques entre différents composants. Exemple, dans l’aéronautique ou l’automobile, où les interférences peuvent affecter le bon fonctionnement des dispositifs électroniques.

4. Cybersécurité dans les systèmes embarqués

Ci-dessous, quelques exemples d’intégrations.

• Sécurisation des communications : l’intégration de protocoles de communication sécurisés, comme TLS/SSL pour l’IoT, est essentielle pour protéger les données échangées entre les différents éléments d’un système embarqué. Des solutions matérielles comme les modules TPM (Trusted Platform Module) peuvent être intégrées pour offrir une sécurité renforcée des communications.
• Cryptographie : Les bibliothèques cryptographiques optimisées pour les systèmes embarqués, comme WolfSSL ou mbedTLS, sont souvent utilisées pour assurer la protection des données sans compromettre les performances.
• Protection des firmwares : les systèmes doivent être protégés contre les attaques visant à compromettre le firmware, qu’il s’agisse de modifications malveillantes ou de contournement des mécanismes de mise à jour. L’utilisation de signatures numériques et de mécanismes de mise à jour sécurisée (comme le Secure Boot) est de plus en plus répandue dans les systèmes critiques.

5. Intelligence artificielle dans les systèmes embarqués

L’intégration de l’intelligence artificielle dans les systèmes embarqués est fréquente avec par exemple, des technologies comme les réseaux de neurones et le machine learning.

• Edge computing et IA embarquée : au lieu de traiter des données dans le cloud, l’edge computing permet aux systèmes embarqués de réaliser les calculs sur place. Des frameworks comme TensorFlow Lite ou TinyML permettent d’intégrer des modèles d’IA dans des systèmes embarqués avec des capacités de traitement limitées. Cela a d’importantes applications dans des secteurs comme l’automobile (véhicules autonomes) ou l’agriculture de précision.
• Optimisation des modèles d’IA : pour permettre la réalisation de modèles complexes sur des microcontrôleurs ou des FPGA, des techniques d’optimisation des réseaux de neurones, comme la quantization ou le pruning, sont utilisées pour réduire la taille des modèles tout en maintenant leurs performances. Cela permet de rendre possible l’exécution des algorithmes d’intelligence artificielle dans des environnements embarqués contraints en termes de mémoire et de puissance, tout en respectant les besoins de latence critique propres à ces systèmes.

6. Outils de développement et de débogage

Les équipes travaillant sur des systèmes embarqués s’appuient sur des outils spécifiques pour le développement, le débogage et pour garantir que le code fonctionne correctement avant même de l’implémenter sur le matériel final.

• Environnements de développement :
  
  • STM32CubeIDE (pour les microcontrôleurs STM32) : Cet IDE, développé par STMicroelectronics, intègre de manière fluide la configuration matérielle, l’écriture de code et le débogage pour les systèmes basés sur les microcontrôleurs STM32.
  • MCUXpresso (pour les microcontrôleurs NXP) : Cet IDE supporte les puces NXP et offre des fonctionnalités de gestion de projet, de compilation et de débogage.
  • Keil µVision : Un outil largement utilisé pour le développement d’applications basées sur les architectures ARM, il offre des fonctionnalités avancées de simulation et de débogage.
  • Visual Studio Code : Bien que généralement associé au développement d’applications généralistes, il est de plus en plus utilisé dans le domaine des systèmes embarqués grâce à l’ajout d’extensions spécifiques pour le développement de firmware. Sa flexibilité et son large écosystème le rendent attractif.

• Outils de débogage : Des outils matériels comme JTAG et SWD (Serial Wire Debug) sont couramment utilisés pour interagir directement avec le matériel embarqué et effectuer des tests en direct. GDB ou OpenOCD sont des logiciels fréquemment utilisés pour le débogage pas à pas des microcontrôleurs, offrant des outils de contrôle très fins du code.
• Gestion des versions et de la configuration : pour des projets complexes, l’utilisation d’outils de gestion de configuration comme Git est fréquente. De plus, des systèmes de gestion de cycle de vie des applications (ALM) tels que PTC Windchill ou Polarion.

7. Le DevOps et l’intégration continue dans le développement des systèmes embarqués

Traditionnellement, le développement des systèmes embarqués est perçu comme un processus relativement cloisonné, séparant les équipes hardware, software, et test. Toutefois, l’adoption des pratiques DevOps dans ce domaine a bouleversé ces paradigmes en rapprochant les équipes et en introduisant des méthodologies d’intégration continue et de déploiement continu. L’automatisation du processus de développement permet de répondre plus rapidement aux exigences croissantes de réactivité, de fiabilité et de qualité.

Le DevOps qui combine le développement et les opérations pour permettre une livraison plus rapide et plus fiable des logiciels. Dans le contexte des systèmes embarqués, cela se traduit par la nécessité d’automatiser les tâches, telles que les tests, la compilation croisée, et le déploiement du firmware sur les dispositifs matériels.

Intégration continue (CI) : Automatisation des processus critiques

L’intégration continue (CI) qui est l’une des composantes clés de la méthodologie DevOps. Elle repose sur l’idée que le code développé doit être fréquemment intégré dans un dépôt partagé, où il est automatiquement compilé, testé et validé. Ce processus est particulièrement pertinent dans le développement de systèmes embarqués où plusieurs composants (logiciels et matériels) doivent être soigneusement synchronisés.

Les avantages de l’intégration continue dans l’embarqué incluent :

• Détection précoce des erreurs : L’automatisation des tests permet de repérer rapidement les bugs ou incompatibilités entre les composants matériels et logiciels, minimisant les risques de découvertes tardives de problèmes coûteux à corriger.
• Compilations croisées automatisées : Les systèmes embarqués utilisent souvent des architectures matérielles spécifiques nécessitant des compilations croisées. L’intégration continue permet d’automatiser ce processus en utilisant des chaînes d’outils adaptées à l’architecture cible (par exemple, ARM ou RISC-V), garantissant ainsi la cohérence et la qualité du code généré.
• Environnement de test simulé : En l’absence de matériel physique, des environnements simulés ou des émulateurs peuvent être utilisés pour exécuter les tests automatisés. Cela permet d’accélérer les cycles de développement en détectant les problèmes avant même d’accéder au matériel final.

Déploiement continu (CD) :

Il est plus complexe dans le contexte embarqué que dans les environnements cloud ou serveur en raison des contraintes matérielles. Néanmoins, il est possible d’automatiser certaines étapes du déploiement, comme la mise à jour du firmware ou la gestion des versions via des systèmes de mise à jour Over-The-Air (OTA). Ces mises à jour sont essentielles dans des domaines tels que l’automobile ou l’IoT, où la capacité de déployer des correctifs ou des nouvelles fonctionnalités à distance est devenue un facteur clé de succès.

En conclusion : Le développement des systèmes embarqués est une discipline technique qui nécessite des compétences approfondies et une maîtrise de technologies variées allant des architectures matérielles aux logiciels et outils de développement. Que ce soit dans l’automobile, l’aéronautique, la défense, le secteur médical ou des industries émergentes comme l’énergie et l’agriculture, les systèmes embarqués occupent une place stratégique. Leur complexité accrue impose aux ingénieurs d’adopter des méthodologies modernes comme le DevOps et l’intégration continue, tout en répondant aux exigences croissantes en matière de sécurité et de performances.