Architecture des terminaux mobiles Cours préparé par : Mehdi Mtir

Introduction Petit, puissant et pas gourmand Les smartphones sont une des grandes tendances dans l'électronique grand public. Selon la Commission de Communications Fédérale américaine, leur utilisation a augmenté 700 pour cent au cours des quatre dernières années aux USA. Et ce n'est pas une surprise pourquoi? Les smartphones regroupent plusieurs fonctionnalités intéressantes dans un dispositifs simple et unique : Un ordinateur individuel, Un téléphone portable, Un lecteur médiatique personnel Un enregistreur Une orloge…. Les consommateurs les utilisent pour : organiser des données, gérer le courrier électronique, avoir accès à Internet, écoutez de la musique, jouer et se divertir, prendre et consulter des photos et des vidéos, faire des appels vocaux et même pour s’orienter. Cours préparé par : Mehdi Mtir 1 1

Terminaux mobiles & SoC (System on Chip) Petit, puissant et pas gourmand Les terminaux mobiles (smartphones, tablettes, consoles de jeux mobiles …) se basent sur un système sur puce souvent désignés dans la littérature scientifique par le terme anglais system on a chip ou son abréviation SoC. Un système sur puce est un système complet embarqué sur une seule puce, pouvant comprendre de la mémoire, un ou plusieurs microprocesseurs, des périphériques d'interface, ou tout autre composant nécessaire à la réalisation de la fonction attendue. On peut intégrer de la logique, de la mémoire (statique, dynamique, flash, ROM, PROM, EPROM, EEPROM), des capteurs mécaniques, opto- électroniques, chimiques ou biologiques ou des circuits radio. Donc un SoC est constitué d’une partie matérielle et d’une partie logicielle : SoC = HW + SW Cours préparé par : Mehdi Mtir 2 2

La partie matérielle d’un SoC Circuits numériques, cirduits analogiques La partie matérielle d’un SoC est constituée de deux parties : Des circuits analogiques : Des convertisseurs A/N Des filtres, Des amplificateurs, etc…. Des circuits numériques : Microprocesseurs : calculs généraux tous types de données, tous types d'ordres Digital Signal Processor (DSP) : Traitement de signal (addition / multiplication, matrices) Accélérateurs graphiques (GPU) : calculs parallèles sur images Accélérateurs divers : compression image / son, cryptographie,... Contrôleurs de périphériques : mémoires, disques, réseau,... Gestionnaires internes : horloges, puissance,... Mémoire cache Débogue (DSU : Debug Support Unit) Cours préparé par : Mehdi Mtir 3 3

La partie logicielle d’un SoC Logiciel de base, Logiciel applicatif Cours préparé par : Mehdi Mtir La partie logicielle d’un SoC est constituée essentiellement de : Système d’exploitation Pilotes de périphériques Outils de développement Logiciel applicatif

Avantages et enjeux des SoCs Cours préparé par : Mehdi Mtir Les systèmes sur puce permettent : Une réduction des coûts Une adaptation fine des composants Une réduction de la consommation Ils nécessitent : La cohabitation de technologies incompatibles La collaboration de compétences variées

Contraintes des SoCs Circuits numériques, cirduits analogiques Cours préparé par : Mehdi Mtir Les contraintes des SOC conditionnent leur conception : Coûts de conception et de vérification (faibles marges de bénéfice) Contraintes de temps Consommation d’énergie Sécurité Poids, taille

Exemple d’un téléphone cellulaire multimédia 3G 7 7 Cours préparé par : Mehdi Mtir

Les familles de processeurs Cours préparé par : Mehdi Mtir Trois familles (architectures) de processeurs existent sur le marché des terminaux mobiles : ARM, Intel et MIPS. Le plus populaire et omniprésent de ces trois est, sans aucun doute, ARM. Intel est bien connu principalement en raison de sa popularité dans les marchés des PC de bureau et des serveurs, mais sur le marché des mobiles, il a eu moins d'impact. MIPS a une longue tradition, et beaucoup de succès, tant pour les solutions 32 et 64 bits dans une variété de systèmes embarqués, mais il est actuellement le moins populaire dans le monde des smartphones te des tablettes.

Le processeur (UCT ou CPU) Cours préparé par : Mehdi Mtir Le processeur (ou Unité Centrale de Traitement ou CPU ) est le "cerveau" de votre appareil. Son travail consiste à exécuter une séquence d'instructions pour contrôler le matériel sur votre appareil ( l'affichage, l'écran tactile, le modem cellulaire, etc. ) pour le transformer d'un morceau de plastique et de métal en un smartphone ou une tablette. Les appareils mobiles sont complexes et ces processeurs ont besoin d’exécuter des millions d'instructions pour les faire fonctionner convenablement. La vitesse (puissance) et l’efficacité de ces processeurs sont critiques : La vitesse affecte l'expérience de l'utilisateur, tandis que l'efficacité affecte la vie de la batterie.  Le dispositif mobile idéal est celui qui a une haute performance et faible consommation d'énergie.

Processeurs ARM vs Processeurs Intel Cours préparé par : Mehdi Mtir 10 La première différence entre un processeur ARM et un processeur Intel est que le premier est RISC (Reduced Instruction Set Computing) et le dernier est CISC (Complex Instruction Set Computing). La deuxième différence entre un processeur ARM et un processeur Intel est que ARM a toujours conçu des processeurs d’une puissance efficace. Sa raison d'être est de concevoir des processeurs utilisant une faible puissance. C’est son expertise. Cependant l'expertise d'Intel est de concevoir des processeurs super performants pour les PC de bureau et les serveurs. La troisième différence concerne les version 64bits. Alors que ARM a réalisé son processeur x64 personnalisé depuis 2011, Intel a du adopter les processeur x64 de son concurrent AMD après l’échec de son projet IA64. La dernière différence concerne les processeurs multi-cœurs. A ce niveau, ARM se différencie avec son innovation big.LITTLE qui permet d’avoir dans un même processeur un cœur 32bits et un cœurs 64bits ce qui consitue une solution très efficace pour joindre performance et efficacité.

CISC vs RISC Cours préparé par : Mehdi Mtir 11 Les processeurs généraux actuels se répartissent en deux grandes catégories appelées CISC pour Complex Instruction Set Computer et RISC pour Reduced Instruction Set Computer. Les processeurs de ces deux catégories se distinguent par la conception de leurs jeux d'instructions : Les processeurs CISC possèdent un jeu étendu d'instructions complexes. Chacune de ces instructions peut effectuer plusieurs opérations élémentaires comme charger une valeur en mémoire, faire une opération arithmétique et ranger le résultat en mémoire. Les processeurs RISC possèdent un jeu d'instructions réduit où chaque instruction effectue une seule opération élémentaire. Le jeu d'instructions d'un processeur RISC est plus uniforme. Toutes les instructions sont codées sur la même taille et toutes s'exécutent dans le même temps (un cycle d'horloge en général).

Les mémoires Cours préparé par : Mehdi Mtir 12 On appelle « mémoire » tout composant électronique capable de stocker temporairement des données. On distingue ainsi deux grandes catégories de mémoires : la mémoire centrale (appelée également mémoire interne) permettant de mémoriser temporairement les données lors de l'exécution des programmes. La mémoire centrale est réalisée à l'aide de micro-conducteurs, c'est-à-dire des circuits électroniques spécialisés rapides. La mémoire centrale correspond à ce que l'on appelle la mémoire vive. la mémoire de masse (appelée également mémoire physique ou mémoire externe) permettant de stocker des informations à long terme, y compris lors de l'arrêt de l'ordinateur. La mémoire de masse correspond aux dispositifs de stockage magnétiques, tels que le disque dur, aux dispositifs de stockage optique, correspondant par exemple aux CD-ROM ou aux DVD-ROM, ainsi qu'aux mémoires mortes.

Caractéristiques techniques des mémoires Cours préparé par : Mehdi Mtir 13 Les principales caractéristiques d'une mémoire sont les suivantes : La capacité, représentant le volume global d'informations (en bits) que la mémoire peut stocker ; Le temps d'accès, correspondant à l'intervalle de temps entre la demande de lecture/écriture et la disponibilité de la donnée ; Le temps de cycle, représentant l'intervalle de temps minimum entre deux accès successifs ; Le débit, définissant le volume d'information échangé par unité de temps, exprimé en bits par seconde ; La non volatilité caractérisant l'aptitude d'une mémoire à conserver les données lorsqu'elle n'est plus alimentée électriquement.

Pyramide des mémoires Cours préparé par : Mehdi Mtir 14 Il existe une hiérarchie des mémoires informatiques : les plus rapides sont les plus coûteuses, donc en nombre limité, et placées le plus près du processeur (les registres font partie intégrante du processeur). Les plus lentes sont les moins coûteuses et sont éloignées du processeur.

Les principaux types de mémoires Cours préparé par : Mehdi Mtir 15 La mémoire vive : appelée RAM (Random Access Memory ou mémoire à accès direct), est la mémoire principale du système, c'est-à-dire qu'il s'agit d'un espace permettant de stocker de manière temporaire des données lors de l'exécution d'un programme. La mémoire vive est volatile, c'est-à-dire qu'elle permet uniquement de stocker des données tant qu'elle est alimentée électriquement. Ainsi, à chaque fois que l'ordinateur est éteint, toutes les données présentes en mémoire vive sont irrémédiablement effacées. La mémoire morte : appelée ROM (Read Only Memory ou mémoire en lecture seule) est un type de mémoire permettant de conserver les informations qui y sont contenues même lorsque la mémoire n'est plus alimentée électriquement. A la base ce type de mémoire ne peut être accédée qu'en lecture. Toutefois il est désormais possible d'enregistrer des informations dans certaines mémoires de type ROM. La mémoire flash : La mémoire flash est un compromis entre les mémoires de type RAM et les mémoires mortes. En effet, la mémoire Flash possède la non-volatilité des mémoires mortes tout en pouvant facilement être accessible en lecture ou en écriture. En contrepartie les temps d'accès des mémoires flash sont plus importants que ceux de la mémoire vive.

Les types de mémoires vives (1) Cours préparé par : Mehdi Mtir 16 DRAM EDO (Extended Data Out) : Ce type de mémoire est apparu en La principale caractéristique de ce type de mémoire est sa capacité à adresser la colonne suivante pendant la lecture des données d’une colonne. Le temps d’accès à la mémoire EDO est de 50 à 60 nanosecondes pour une fréquence allant de 33 à 66 MHz. N’étant pas capable de supporter des fréquences supérieures à 66 MHz, ce type de mémoire a disparu au profit de la mémoire SDRAM. SDRAM (Synchronous Dynamic RAM) : Ce type de mémoire est apparu en 1997 pour remplacer la mémoire EDO. La SDRAM permet, contrairement à la mémoire EDO, une lecture des données synchronisée. Celle-ci est capable de fonctionner à des fréquences allant jusqu’à 150 MHz avec des temps d’accès d’environs 10 nanosecondes. DDR-SDRAM (Double Data Rate SDRAM) : Ce type de mémoire est basé sur la technologie de la mémoire SDRAM, qui permet de doubler le taux de transfert de la SDRAM à fréquence égale.

Les types de mémoires vives (2) Cours préparé par : Mehdi Mtir 17 DR-SDRAM (Rambus DRAM) : Ce type de mémoire est capable de fonctionner à une fréquence de 800 MHz, ce qui lui confère une bande passante de 1,6 Go/s. Ce type de mémoire a été conçu par les sociétés RAMBUS et Intel. Il s’agit d’un type de mémoire propriétaire. DDR2-SDRAM (Double Data Rate two) : Seconde génération de la mémoire DDR-SDRAM. Sa fréquence de bus est double de celle du groupe de cellules mémoires. Un emplacement pour de la mémoire DDR2-SDRAM (240 broches) ne peut supporter de la mémoire DDR-SDRAM (168 broches). Autrement dit la DDR2 n’est pas rétrocompatible avec la DDR (détrompeur positionné autrement, pas la même tension). Commercialisée à partir de DDR3-SDRAM (Double Data Rate 3rd generation) : Troisième génération de la mémoire DDR-SDRAM. Elle apporte une série d’améliorations par rapport à la génération précédente et offre de meilleurs performances. Commercialisée à partir de 2007.

Les types de mémoires mortes (1) Cours préparé par : Mehdi Mtir 18 ROM : Les premières ROM étaient fabriquées à l'aide d'un procédé inscrivant directement les données binaires dans une plaque de silicium grâce à un masque. Ce procédé est maintenant obsolète. PROM : Les PROM (Programmable Read Only Memory) ont été mises au point à la fin des années 70 par la firme Texas Instruments. Ces mémoires sont des puces constituées de milliers de fusibles (ou bien de diodes) pouvant être "grillés" grâce à un appareil appelé « programmateur de ROM », appliquant une forte tension (12V) aux cases mémoire devant être marquées. Les fusibles ainsi grillés correspondent à des 0, les autres à des 1. EPROM : Les EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory) sont des PROM pouvant être effacées. Ces puces possèdent une vitre permettant de laisser passer des rayons ultra-violets. Lorsque la puce est en présence de rayons ultra-violets d'une certaine longueur d'onde, les fusibles sont reconstitués, c'est-à-dire que tous les bits de la mémoire sont à nouveau à 1. C'est pour cette raison que l'on qualifie ce type de PROM d'effaçable.

Les types de mémoires mortes (2) Cours préparé par : Mehdi Mtir 19 EEPROM : Les EEPROM (Electrically Erasable Read Only Memory) sont aussi des PROM effaçables, mais contrairement aux EPROM, celles-ci peuvent être effacées par un simple courant électrique, c'est-à-dire qu'elles peuvent être effacées même lorsqu'elles sont en position dans l'ordinateur. Il existe une variante de ces mémoires appelée mémoires flash (égalementROM Flash ou Flash EPROM). Contrairement aux EEPROM classiques, utilisant 2 à 3 transistors par bit à mémoriser, la Flash EPROM utilise un seul transistor. D'autre part l'EEPROM peut-être écrite et lue mot par mot, alors que la Flash ne peut être effacée que par pages (la taille des pages étant en constante diminution). Enfin la densité de la mémoire Flash est plus importante, ce qui permet la réalisation de puces contenant plusieurs centaines de Mégaoctets. Des EEPROM sont ainsi préférentiellement utilisées pour la mémorisation de données de configuration et la mémoire Flash pour du code programmable (programmes informatiques).

Pour aller plus loin Cours préparé par : Mehdi Mtir