Les systèmes embarqués : cours de Seconde (SNT)

Ce matin, tu as peut-être utilisé un réveil, un téléphone, une carte de transport ou un distributeur. Aucun de ces objets ne ressemble à l'ordinateur que tu utilises en classe, et pourtant chacun contient de l'informatique. Elle est cachée à l'intérieur de l'objet, elle fait un travail précis, et personne ne la configure au quotidien. C'est ce qu'on appelle un système embarqué.

Dans ce cours, tu vas apprendre à reconnaître un système embarqué, à expliquer ce qui le distingue d'un ordinateur classique, à décrire ses contraintes et à citer des exemples dans des domaines variés. Ces idées serviront ensuite pour étudier les capteurs et les actionneurs.

Décortiquons cette définition mot par mot.

• Électronique et informatique : il y a des composants physiques (circuits, puces) et des programmes qui les pilotent. Concevoir un tel système demande des connaissances dans les deux domaines.²
• Autonome : le système fonctionne seul, sans qu'une personne ne le pilote en permanence. Tu ne « lances » pas le programme de ton thermostat : il travaille tout le temps.
• Tâche précise : on ne cherche pas à tout faire. Un système embarqué est étudié pour une mission déterminée, à la différence d'un ordinateur universel qui enchaîne des activités très différentes.²
• Ressources limitées : l'encombrement est réduit et la consommation d'énergie reste restreinte.²

Un système embarqué comporte toujours deux faces indissociables : le matériel et le logiciel.

Côté matériel, ces systèmes utilisent en général des microprocesseurs à basse consommation d'énergie ou bien des microcontrôleurs.² Le choix d'un composant sobre découle directement de la contrainte d'énergie : un objet alimenté par une pile ou une petite batterie ne peut pas se permettre un processeur gourmand.

Côté logiciel, le programme est souvent placé, en tout ou en partie, directement dans le matériel. Il se trouve alors dans une mémoire de type ROM, EPROM, EEPROM ou FLASH ; on parle de firmware.²

Un système embarqué exécute des tâches prévues d'avance, et il doit respecter un cahier des charges exigeant.² Voyons les principales contraintes. Elles expliquent presque tout ce qui rend ces systèmes différents d'un ordinateur de bureau.

À l'inverse, certains systèmes ont peu d'exigences de performance. Cela permet de simplifier le système et de réduire ses coûts de fabrication.² Tous les systèmes embarqués ne sont donc pas « critiques » : la rigueur demandée dépend de l'usage.

Pour des tâches très élémentaires, on peut se passer de système d'exploitation. Au-delà, l'application embarquée a besoin d'un système adapté, qui respecte les contraintes de la machine (l'espace mémoire, par exemple) et qui offre les fonctions nécessaires à la tâche.³

Il faut aussi tenir compte de la diversité des objets. Les fonctions du système d'exploitation dont ils dépendent sont très variées, et les appareils eux-mêmes sont très différents : un appareil donné n'accepte pas n'importe quel système d'exploitation.³

L'interface homme-machine (IHM) désigne ce qui permet à une personne de dialoguer avec l'appareil. Sur un ordinateur, c'est l'ensemble écran, clavier et souris.³ Dans un système embarqué, elle prend d'autres formes :

• une interface spécifique : clavier à digicode, écran de smartphone ;³
• une interface inexistante : une carte de crédit ou une carte SIM n'ont ni écran ni clavier. On passe alors par une machine intermédiaire, comme une borne ou un téléphone.³

Les interfaces homme-machine seront étudiées de plus près dans un chapitre à part.

Les systèmes embarqués servent dans des domaines très variés : téléphonie mobile, électroménager, équipements médicaux, aéronautique, automobile, bornes automatiques.³ Les choix techniques dépendent à chaque fois du domaine où le système sera utilisé.³

La liste des applications est large : objets du quotidien comme le smartphone ou l'électroménager, mais aussi les systèmes de contrôle d'un avion ou du robot Curiosity, les équipements médicaux, les télécommunications (satellites, antennes relais) et le militaire (drones, guidage de missiles).³ Les objectifs de ces systèmes sont donc très différents d'un domaine à l'autre.

L'un des premiers systèmes embarqués modernes que l'on reconnaît comme tels est l'Apollo Guidance Computer, apparu en 1967 pour guider les missions lunaires Apollo. Il a été développé par Charles Stark Draper, du Massachusetts Institute of Technology.² Chaque mission lunaire emportait deux de ces systèmes : l'un assurait le guidage inertiel, l'autre servait au module lunaire.²

Au début du projet, cet ordinateur passait pour l'élément le moins fiable de l'ensemble. Pourtant, l'emploi des circuits intégrés, alors nouveaux, a permis de gagner beaucoup de place et de charge utile, et de réduire les risques déjà nombreux de ces missions.²