Chapitre 1 informatique embarqu e probl matique
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Chapitre 1 Informatique embarquée Problématique PowerPoint PPT Presentation


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Ingénieur Civil des Mines 2ème année Conception Sûre des Systèmes Embarqués et Ambiants – Module SI342b. Chapitre 1 Informatique embarquée Problématique. 2006-2007 Françoise Simonot-Lion ( [email protected] ) http://www.loria.fr/~simonot. Exemples de systèmes embarqués.

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Chapitre 1 Informatique embarquée Problématique

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Presentation Transcript


Chapitre 1 informatique embarqu e probl matique

Ingénieur Civil des Mines

2ème année

Conception Sûre des Systèmes Embarqués et Ambiants – Module SI342b

Chapitre 1 Informatique embarquéeProblématique

2006-2007

Françoise Simonot-Lion ([email protected])

http://www.loria.fr/~simonot


Exemples de syst mes embarqu s

Exemples de systèmes embarqués

Disappearing computers

Systèmes ambiants

CSSEA – SI342b


Chapitre 1 informatique embarqu e probl matique

Plan

Informatique embarquée – problématique générale

  • Généralités - Définitions

  • Caractéristiques générales

    Cas des systèmes embarqués dans l’automobile

  • Contexte général

  • Problématique

  • Domaines

  • Problèmes ouverts

    • Standards

    • Réglementation – « X-by-Wire »

  • Conclusions

CSSEA – SI342b


D finition

Définition

  • Système embarqué : appareillage remplissant une mission spécifique en utilisant un ou plusieurs microprocesseurs (boîte noire)

    • Électronique numérique, microprocesseurs, calculateurs, …

    • Logiciels

CSSEA – SI342b


Syst me embarqu vs autonomie

Système embarqué vs Autonomie

  • Système embarqué (définition alternative) : (ensemble d’) unité(s) de traitement possédant une certaine autonomie

    • Autonomie de fonctionnement

      {processeurs, mémoires, réseaux, entrées-sorties, logiciels + source d’énergie}

      Exemple : téléphone portable

    • Autonomie fonctionnelle

      fourniture de services sans sollicitation à d’autres systèmes

      Exemple : calculatrice

    • Systèmes embarqués à autonomie fonctionnelle partielle

      Exemple : système électronique embarqué dans l’automobile

      « smart fridge »

CSSEA – SI342b


Quelques donn es g n rales

1990

2000

applications industrielles / militaires / aéronautiques

applications grand public

2004

marché des systèmes embarqués

supérieur au

marché des architectures clients / serveurs + PC

2004

le citoyen de pays développé utilise quotidiennement,

de manière transparente, en moyenne 100 processeurs

Quelques données générales

CSSEA – SI342b


Un essai de classification

Un essai de classification

  • Systèmes collectifs : large communauté d’individus

    (centrale nucléaire, avion, train, …)

    1, 10, 100, …

    durée de vie longue – durée de développement longue

    Contraintes de sûreté fortes

    Coût élevé

  • Systèmes personnels : individu, groupe d’individus

    (téléphone, agenda électronique, pacemaker, produits blancs, produits bruns, automobile, …)

    1 000, 1 000 000, … grand public

    durée de vie courte – « time to market » très court

    Contraintes de sûreté plus ou moins fortes

    Coût accessible à un particulier

CSSEA – SI342b


Chapitre 1 informatique embarqu e probl matique

Plan

Informatique embarquée – problématique générale

  • Généralités - Définitions

  • Caractéristiques générales

    Cas des systèmes embarqués dans l’automobile

  • Contexte général

  • Problématique

  • Domaines

  • Problèmes ouverts

    • Standards

    • Réglementation – « X-by-Wire »

  • Conclusions

CSSEA – SI342b


Caract ristiques g n rales 1 9

Caractéristiques générales (1/9)

  • Complexité des systèmes et services

    • du nombre de services fournis par le système

      • Exemple : téléphone, …

    • de la mission des systèmes (cf. authentification, calculs numériques, navigation / Internet, …)

      • Exemple : agendas électroniques, systèmes de contrôle de suspension dans une automobile, …

CSSEA – SI342b


Caract ristiques g n rales 2 9

Caractéristiques générales (2/9)

  • Complexité des architectures informatiques

    • de la puissance et de la complexité d’architecture des processeurs

      • architectures RISC, pipe-line, DSP, …

    • répartition des services sur plusieurs calculateurs communicants par des bus locaux, réseaux locaux, réseaux sans fil, …

      • exemple : équipements de téléphonie autour de Bluetooth, …

CSSEA – SI342b


Caract ristiques g n rales 3 9

Caractéristiques générales (3/9)

  • Systèmes interagissant …

    • Intégration de services fournis en local + services distants

      • Exemple : téléphone, aide à la navigation par GPS, « cartes à puces », …

    • autonomie fonctionnelle

CSSEA – SI342b


Caract ristiques g n rales 4 9

30 … ans

3 à 5 ans

1 à 2 ans

1 an

 Diminution des temps de conception

6 mois

Caractéristiques générales (4/9)

  • Cycle de renouvellement des produits

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Caract ristiques g n rales 5 9

Caractéristiques générales (5/9)

  • Complexité de conception

    • Plusieurs acteurs impliqués dans le développement

      • Fournisseurs de matériels

      • Fournisseurs de logiciels (drivers, OS, librairies, …)

      • Systèmes embarqués (robot) contenant des systèmes embarqués (commande d’axe)

CSSEA – SI342b


Caract ristiques g n rales 6 9

Caractéristiques générales (6/9)

  • Complexité de conception

    • Production artisanale  « Automatisation » de la production

      • Systèmes « dédiés »

        • Matériel + logiciel spécifiquement développés

      • Systèmes « programmables »

        • Applications diverses / systèmes divers construits sur une technologie commune

        • Réutilisation de composants

        • Reconfiguration des systèmes au cours de leur vie

CSSEA – SI342b


Caract ristiques g n rales 7 9

fournisseurs

=

client

fournisseurs

client

fournisseur

client

fournisseur

Caractéristiques générales (7/9)

  • « Business model » – métiers

client

=

Expression des besoins ?

Propriété intellectuelle ?

Responsabilité ?

Validation ?

CSSEA – SI342b


Caract ristiques g n rales 8 9

Caractéristiques générales (8/9)

  • Validation : sûreté versus qualité

    • Risques supportés / satisfaction + confiance des utilisateurs

    • Deux aspects imbriqués :

CSSEA – SI342b


Caract ristiques g n rales 9 9

Caractéristiques générales (9/9)

  • Paradigmes de conception

    • « design for cost »

    • « design for performance »

    • « design for safety »  évaluation, maîtrise du risque

  • Un challenge : la certification

    • contexte de réglementation

    • standards

    • procédure de certification

    • organismes de certification

CSSEA – SI342b


Chapitre 1 informatique embarqu e probl matique

Plan

Informatique embarquée – problématique générale

  • Généralités - Définitions

  • Caractéristiques générales

    Cas des systèmes embarqués dans l’automobile

  • Contexte général

  • Problématique

  • Domaines

  • Problèmes ouverts

    • Standards

    • Réglementation – « X-by-Wire »

  • Conclusions

CSSEA – SI342b


Contexte g n ral 1 6

Coût de l’électronique embarquée

> 20%

Coût du véhicule

Contexte général (1/6)

  • Production de véhicules

    • 40 millions (1998)  60 millions (2010)

  • Coût des systèmes électroniques embarqués

    • 37 000 M$ (1995)  60 000 M$ (2000)

  • Logiciel

    • 1,1 KBytes (1980)  2MBytes (2000) 10MBytes (2004)

CSSEA – SI342b


Contexte g n ral 2 6

Contexte Général (2/6)

Extrait de la présentation de Joseph Beretta / PSA - 16 et 17 Juin 2003– http://www.systemes-critiques.org/SECC/

Intégration et maturité des systèmes électriques & électroniques

Génèse de l’électronique automobile

Prolifération de l’électronique

Électricité de base

% du coût de l ’électronique dans le véhicule

35

Multimédia, Soupapes électromagnétiques

Télématique, alternodémarreurGestion d’énergie

30

GMP

25

Multiplexage, ABS

20

Injection électronique

Régulateur de vitesse

15

Allumage

électronique

Alternateur

10

Lampes,

radio,

démarreur,

dynamo

5

0

1940

1920

1960

1980

2000

2010

CSSEA – SI342b


Contexte g n ral 3 6

  • Confort

  • Sécurité

  • Coût

nouveaux services

  • Time to market

  • Coût

développés facilement

Contexte Général (3/6)

  • Lois sur le niveau d’émission de gaz d’échappement

  • Demande du client final

  • Demande du constructeur

90% innovation par l’électronique embarquée chez Daimler Chrysler

Technologie logicielle

CSSEA – SI342b


Contexte g n ral 4 6

Contexte Général (4/6)

  • coût des composants matériels

  • performance et fiabilité des composants matériels

    • loi de Moore

    • domaine automobile versus composants électroniques

CSSEA – SI342b


Contexte g n ral 5 6

Contexte Général (5/6)

  • Composants électroniques et le contexte automobile

Puissance des processeurs

Taille des circuits imprimés

mm

GHz

3,4GHz

1

300

125mm

0,1

100

56MHz

80mm

1992

2000

2004

2008

1992

2000

2004

2008

Composants électroniques

Composants électroniques dans l’automobile

CSSEA – SI342b


Contexte g n ral 6 6

Contexte Général (6/6)

  • Émergence des réseaux et instruments de terrain

    • Réduction de câblage

      • 40% poids pour une portière Mercedes

      • 41% de longueur de câble entre les Peugeot 306 et 307

    • Partage des capteurs

    • Amélioration des fonctions

      • disponibilités d’informations sur l’état des autres systèmes embarqués

      • évolutivité des systèmes embarqués (« plug and play »)

CSSEA – SI342b


Chapitre 1 informatique embarqu e probl matique

Plan

Informatique embarquée – problématique générale

  • Généralités - Définitions

  • Caractéristiques générales

    Cas des systèmes embarqués dans l’automobile

  • Contexte général

  • Problématique

  • Domaines

  • Problèmes ouverts

    • Standards

    • Réglementation – « X-by-Wire »

  • Conclusions

CSSEA – SI342b


Probl matique 1 5

Problématique (1/5)

  • Complexité fonctionnelle

    • Lois de contrôle multi-variables

    • Modes de fonctionnement

    • Interactions entre les fonctions

    • Fonctions critiques :sécurité – fiabilité – disponibilité

      performances / contraintes de temps

CSSEA – SI342b


Probl matique 2 5

Fonctions critiques

Architecture de communication complexe

Chassis - Power Train Network

Comfort Network

Steering

Wheel -ctl

Power Train

ABS

A-C

Radio ...

ISU

Amplifier

Airbags

Doors

Calculateurs

Body Network

Problématique (2/5)

  • Complexité architecturale

PSA communication service

CSSEA – SI342b


Probl matique 3 5

Problématique (3/5)

  • Complexité architecturale

    • Nombre de réseaux

      • 3 (voiture de gamme moyenne)  10 (VW Phaeton)

    • Nombre de calculateurs

      • ~30 (voiture de gamme moyenne), 61 (VW Phaeton), 70 (BMW Séries 7)

      •  80 dans les modèles haut de gamme DC

    • Nombre d’informations échangées au sein du véhicule

      • ~2500 (VW Phaeton)

PSA communication service

CSSEA – SI342b


Probl matique 4 5

Problématique (4/5)

Extrait de la présentation de Joseph Beretta / PSA

16 et 17 Juin 2003

http://www.systemes-critiques.org/SECC/

A340 = ??

Taille mémoire

  • Complexité architecturale

MULTIMEDIA

A330 = 12 Mo

10Mo

A320 = 5 Mo

607 Peugeot = 2 Mo.

1Mo

Airbus

Automobile.

Augmentation de la taille du code

100Ko

A300 = 23 Ko

10Ko

1Ko

CX Citroën = 1,1 Ko.

1980

1970

1990

2000

2010

CSSEA – SI342b


Probl matique 5 5

Problématique (5/5)

  • Coût d’une étude

    • plusieurs millions d’euros

  • Coût d’une piece

    • 40/80 Euros

  • Développement

    • Partagé entre plusieurs acteurs

      • Équipementiers (« suppliers » / « subcontractors ») / rang 1 / rang 2

      • Constructeurs

    • Interactions entre partenaires

      • Boîtes noires / Boîtes blanches / Boîtes grises

      • Propriétés intellectuelles (IP)

    • Processus

      • Top - Down

      • Bottom - Up (réutilisabilité)

    • Standards

    • Services et maintenance à assurer pendant ~15 ans

Sous contraintes

Coût

Qualité

Variantes

Sécurité

CSSEA – SI342b


Chapitre 1 informatique embarqu e probl matique

Plan

Informatique embarquée – problématique générale

  • Généralités - Définitions

  • Caractéristiques générales

    Cas des systèmes embarqués dans l’automobile

  • Contexte général

  • Problématique

  • Domaines

  • Problèmes ouverts

    • Standards

    • Réglementation – « X-by-Wire »

  • Conclusions

CSSEA – SI342b


Domaine moto propulseur powertrain

Pédale

d’accélérateur

Pédale

de frein

Agrément de conduite

Consommation

Pollution

Contrôleur A-C

Contrôleur ESP

  • Multi-tâches

  • instantsd’échantillonnage

  • / temps moteur (~ 0,1ms.)

  • périodiques (~ 1 à 5ms)

  • Contraintes de temps strictes

    • Échéances

    • Fraîcheur / promptitude

Importante puissance

de calcul

(coprocesseurs, mP 16/32 bits,

DSP, …)

Domaine moto-propulseur (Powertrain)

Peu de variantes

Contrôle-commande du moteur

Lois de contrôle complexes

CSSEA – SI342b


Domaine chassis

Colonne

de direction

Pédale de

frein

  • Forces

    • sol

    • air

autres systèmes

Multi-tâches

périodesd’échantillonnage

différentes (0,1 ms 100ms.)

Distribution

Contraintes de temps strictes

Importante puissance

de calcul

(coprocesseurs)

Domaine Chassis

Peu de variantes

Contrôle-commande des roues, de la suspension, … (ABS – ESP – ASC – 4WD - …)

Lois de contrôle complexes

Sécurité

X-by-Wire

CSSEA – SI342b


Domaine carosserie body

Conducteur

Passagers

Systèmes réactifs

Fonctions nombreuses

Central Body Electronic

Autres domaines

Lights

Wipers

Seats

Entité critique

Tolérance aux fautes

Contraintes de temps temps de réponse, cohérence temporelle

Ordonnancement optimal des tâches

Windows

Réactivité

Conception incrémentale

Sous-système mécatronique

Système distribué hiérarchisé

Mirrors

Doors

LIN

s

a

s

Domaine Carosserie (Body)

Variantes nombreuses

PSA communication service

CSSEA – SI342b


Domaine t l matique

Conducteur

Passagers

Internet

GPS

Télédiagnostic

  • Constraintes de sécurité

  • Partage de ressources

    • « Fluid data streams »

    • Bande passante

  • QoS multimedia

Equipements « upgradable »

Applications « upgradable »

Téléchargement

Conception « Plug and Play »

Domaine Télématique

Nombreuses variantes

(hors domaine)

Interface Homme-Machine

Voiture communicante

Applications multimédia

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Caract ristiques des domaines

Garantie en moyenne

Garantie stricte de sûreté et qualité

Caractéristiques des domaines

CSSEA – SI342b


Chapitre 1 informatique embarqu e probl matique

Plan

Informatique embarquée – problématique générale

  • Généralités - Définitions

  • Caractéristiques générales

    Cas des systèmes embarqués dans l’automobile

  • Contexte général

  • Problématique

  • Domaines

  • Problèmes ouverts

    • Standards

    • Réglementation – « X-by-Wire »

  • Conclusions

CSSEA – SI342b


Informatique embarqu e dans l automobile probl mes ouverts

Informatique embarquée dans l’automobile – problèmes ouverts

  • Développement de standards

  • Réglementation (X-by-Wire)

  • Configuration - intégration

CSSEA – SI342b


D veloppement de standards

Développement de standards

  • Pourquoi ?

    • Composants dédiés  Système

    • Optimisation de ressources, flexibilité, réutilisabilité, portabilité, automatisation de la conception / configuration de logiciels

  • Approches

    • Standardiser les architectures de calculateurs

      • identifier les composants

      • standardiser les interfaces d’utilisation des composants

    • Standardiser les services support : OS, réseaux, middleware

    • Standardiser les données échangées

      • diagnostic

      • données capteurs

    • Langage de description des architectures

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Exemple d architecture standardis e

ECU

Application software component

Local sensor/actuator data base server

Application software component

Application software component

Middleware

Hardware

Abstraction

Layer

(IO Library)

ECU

Communication layer

Driver (CAN, LIN, …)

IO drivers

Sensors

Actuators

Network

Exemple d’architecture standardisée

Operating System (software components)

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Exemple de langages de description des architectures

Exemple de langages de description des architectures

  • AIL_Transport (projet Architecture Electronique Embarquée AEE)

  • EAST – ADL (projet européen ITEA EAST-EEA)

  • Pour mémoire, dans l’aéronautique :

    • AADL

    • COTRE

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R le d un langage de description des architectures

Outil-Validation

Outil - Gén. test

Spécification

système

Validation

système

Testeur

Outil

Spécification

Conception

Système

Intégration

système

Outil - Validation

Outil-calibration

Outil - placement

Outil -

Evaluation de

performances

développement

Code

Analyseur de

code

Générateur

de code

Langage de description d’architecture

Rôle d’un langage de description des architectures

Description

d’architecture

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R glementation

Réglementation

  • Pourquoi une réglementation ?

    • fiabilité des systèmes électroniques non maîtrisée actuellement,

    • environnement agressif et mal connu,

    • avènement des systèmes X-by-Wire pour des fonctions liées à la sécurité

CSSEA – SI342b


S ret de fonctionnement des architectures lectroniques embarqu es dans l automobile

Sûreté de fonctionnement des architectures électroniques embarquées dans l’automobile

  • Quelques éléments de comparaison entre l’avionique et l’automobile (source P. Koopmann – Carnegie Mellon)

CSSEA – SI342b


S ret de fonctionnement des architectures lectroniques embarqu es dans l automobile1

Sûreté de fonctionnement des architectures électroniques embarquées dans l’automobile

  • Pourquoi ne pas utiliser les mêmes approches dans l’automobile et l’avionique ? (source P. Koopmann – Carnegie Mellon)

    • Redondance massive du matériel ?

      • espace, poids, coût

    • Logiciel sans faute ?

      10 nouvelles fonctions / mois

      200 fonctions  800 fonctions sur 25 calculateurs

    • Maintenance non systématisée – qualité des véhicules

      • Démarrage avec un réservoir presque vide, une niveau d’huile critique

      • Ignorance des indicateurs (huile, …)

      • Les vieux véhicules continuent à rouler

    • Opérateurs

      • Non qualifiés

      • Pas de contrôle annuel

coûteux

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S ret de fonctionnement des architectures lectroniques embarqu es dans l automobile2

Qualité du processus de développement

  • IEC 61 508 / ISO 26262

    • Définition de niveau de criticité (Safety Integrity Level SIL1, … SIL4)

Sûreté de fonctionnement des architectures électroniques embarquées dans l’automobile

  • Réglementation

    • Rien pour l’instant aux niveaux nationaux ou internationaux – des préconisations internes

    • TüV

  • Certification

  • Standardisation

    • DO 178B (aéronautique)

    • EN 50128 (transports ferroviaires)

    • MISRA

Évaluation quantitative

Probabilité d’occurrence d’une défaillance en une heure <= 10 -9

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Syst me x by wire et s ret de fonctionnement

Frein (actionneur)

Pédale de frein

Système X-by-Wire et sûreté de fonctionnement

  • « Brake by Wire »

    • poids, confort, souplesse, suppression de liquides polluants,

  • Système électronique

  • capteurs, actionneurs,

  • calculateurs, logiciels,

  • réseaux

PSA communication service

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Syst me x by wire et s ret de fonctionnement1

1

implantées sur des calculateurs

connectés sur des réseaux de communication

Système X-by-Wire et sûreté de fonctionnement

  • « Steer by Wire »

    • sécurité, poids, confort, souplesse

Des fonctions critiques

Crédit photographique PSA Peugeot - Citroën

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S ret des applications x by wire

System Integrity Level (SIL) 4

Probabilité d’avoir une défaillance en une heure < 10-9

Sûreté des applications X-by-Wire

Les systèmes de direction ou freinage « tout électronique » sont des systèmes critiques pour la sécurité

Comment garantir / vérifier cette propriété

sur une architecture opérationnelle ?

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S ret des applications x by wire1

  • Architecture matérielle

  • Aspects dynamiques

  • Prise en compte des fautes transitoires (perturbations électromagnétiques, surcharges, …) affectant le système électronique

Temps de réponse du système

Temps de réponse du système électronique

Sûreté des applications X-by-Wire

Probabilité d’avoir une défaillance en une heure < 10-9

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S ret des applications x by wire2

Réaction souhaitée

Position axe de direction

Changement d’angle volant

Réaction réelle

temps

retard « électronique »

retard « mécanique »

Sûreté des applications X-by-Wire

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S ret des applications x by wire3

g

b

b

g

b

g

b

g

b

g

Retard

Intervalle de prise en compte d’une valeur de consigne

Intervalle de prise en compte d’une valeur de consigne

Sûreté des applications X-by-Wire

t

Évolution de l’angle volant

  • Retard « électronique »

a

a

Calculateur angle volant

a

Réseau

a

Calculateur crémaillère

a

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S ret des applications x by wire4

radar

a

g

a

g

a

g

a

g

a

g

Intervalle de prise en compte d’une valeur de consigne

Sûreté des applications X-by-Wire

t

Évolution de l’angle volant

b

  • Retard « électronique » sous perturbations

b

Calculateur angle volant

b

Réseau

????

Calculateur crémaillère

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Chapitre 1 informatique embarqu e probl matique

Plan

  • Généralités - Définitions

  • Caractéristiques générales

    Systèmes embarqués dans l’automobile

  • Contexte général

  • Problématique

  • Domaines

  • Problèmes ouverts

    • Standards

    • Réglementation – « X-by-Wire »

  • Conclusions

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En guise de conclusions

En guise de conclusions

  • Les systèmes embarqués

    • sont omniprésents à l’heure actuelle,

    • interagissent au sein de systèmes plus vastes

  • Les challenges :

    • coût, performances, qualité

    • réglementations, responsabilités,

    • sûreté : disponibilité, fiabilité, sécurité-innocuité, sécurité-confidentialité,

    • maîtrise de leur développement, de leur évaluation

    • logiciels prépondérants + systèmes (environnement, matériels)

 nouveaux métiers pour les informaticiens

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Quelques pointeurs

Quelques pointeurs

  • Projet européen ITEA EAST-EEA (2001/2004)

    http://www.east-eea.net/

  • Projet industriel international AUTOSAR (2004/2006)

    http://www.autosar.org/

  • Quelques bons papiers

    • Expanding Automotive Electronic Systems – G. Leen, D. Heffernan, IEEE Computer Society, janvier 2002.

    • Les systèmes électroniques embarqués, un enjeu majeur pour l’automobile - J. Beretta - PSA Peugeot-Citroen, journées de réflexion et de prospective sur les systèmes embarqués, juin 2003,

      http://www.systemes-critiques.org/SECC/

  • Sans vouloir faire de publicité : travaux du LORIA (projet TRIO)

    http://www.loria.fr/equipes/TRIO/

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Le programme du cours si342

Le programme du cours SI342

  • Quelques standards dans l’automobile

    • OSEK (OS, services de communication)

    • Réseaux : à accès priorisé (CAN), à accès guidé par le temps (TTP/C, FlexRay)

  • Plus général

    • Les stratégies d’ordonnancement

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