Qu’est-ce qu’un système embarqué ?
Un système embarqué est un système informatique spécialisé conçu pour exécuter des fonctions ou des tâches spécifiques au sein d’un système ou d’un produit plus large. Contrairement aux ordinateurs à usage général, qui sont polyvalents et capables d’exécuter une large gamme d’applications, les systèmes embarqués sont adaptés à des fonctions spécifiques et sont généralement optimisés en termes de performance, d’efficacité énergétique et de fiabilité dans leur domaine d’application dédié.
Les caractéristiques clés des systèmes embarqués incluent :
- Fonctionnalité dédiée: Les systèmes embarqués sont conçus spécifiquement pour exécuter une ou quelques tâches précises, telles que le contrôle d’un four à micro-ondes, la gestion du moteur d’une voiture, le traitement des données provenant d’un dispositif médical ou la régulation de la température dans un thermostat.
- Intégration: Ces systèmes sont intégrés dans un produit ou un système plus large, où ils fonctionnent comme un composant ou un sous-système. Ils fonctionnent souvent « en coulisse » et ne sont pas directement visibles pour l’utilisateur final.
- Matériel et logiciel: Les systèmes embarqués combinent à la fois des composants matériels et logiciels. Le matériel inclut les microcontrôleurs, les microprocesseurs, les capteurs, les actionneurs et d’autres composants spécialisés. Le logiciel, souvent appelé firmware, est chargé d’exécuter les fonctions du système embarqué.
- Fonctionnement en temps réel: De nombreux systèmes embarqués fonctionnent en temps réel, ce qui signifie qu’ils doivent répondre aux entrées ou événements dans un délai spécifique pour assurer un fonctionnement correct du système. Les systèmes embarqués en temps réel sont utilisés dans des applications telles que le contrôle automobile, l’automatisation industrielle et la robotique.
- Contraintes de ressources: Les systèmes embarqués ont souvent des ressources informatiques limitées, notamment en puissance de traitement, mémoire et stockage. Ces contraintes imposent la nécessité d’une programmation efficace et d’une optimisation.
- Fiabilité: Les systèmes embarqués sont conçus pour une haute fiabilité et stabilité, car ils sont utilisés dans des applications critiques où une panne peut avoir des conséquences graves, comme dans les dispositifs médicaux ou les systèmes aérospatiaux.
- Longue durée de vie: Les systèmes embarqués sont généralement attendus pour avoir une longue durée de vie, et ils peuvent être amenés à fonctionner pendant de nombreuses années sans changements ou mises à jour importantes.
Des exemples de systèmes embarqués peuvent être trouvés dans divers domaines, notamment l’électronique grand public (smartphones, appareils photo numériques), l’automobile (unités de contrôle moteur, systèmes d’infodivertissement), l’automatisation industrielle (PLC – contrôleurs logiques programmables), les soins de santé (dispositifs médicaux, systèmes de surveillance des patients) et bien d’autres domaines.
En résumé, un système embarqué est un système informatique spécialisé conçu pour exécuter des fonctions spécifiques dans un contexte plus large, en mettant l’accent sur la fiabilité, le fonctionnement en temps réel et l’optimisation des ressources.
Qu’est-ce qu’un diagramme de déploiement dans UML ?
Un diagramme de déploiement dans le langage de modélisation unifié (UML) est un type de diagramme utilisé pour représenter le déploiement physique des composants logiciels et des nœuds matériels dans un système. Il illustre comment les artefacts logiciels (tels que des programmes exécutables, des bibliothèques et des composants) sont attribués aux nœuds matériels (tels que des serveurs, des ordinateurs ou des dispositifs) dans un environnement informatique réel.
Voici les éléments et concepts clés associés aux diagrammes de déploiement dans UML :
- Nœuds: Les nœuds représentent des éléments matériels ou des dispositifs dans le diagramme de déploiement. Cela peut inclure des serveurs, des postes de travail, des routeurs, des commutateurs, des ordinateurs portables, et bien d’autres. Chaque nœud a généralement un nom et peut inclure des détails supplémentaires sur ses propriétés.
- Artéfacts: Les artéfacts représentent des composants ou modules logiciels. Cela peut inclure des exécutables, des bibliothèques, des schémas de base de données, des fichiers de configuration ou tout autre élément lié au logiciel. Les artéfacts sont associés aux nœuds pour indiquer où ils sont déployés.
- Associations: Les associations ou connecteurs entre les nœuds et les artéfacts représentent les relations de déploiement. Ces associations indiquent qu’un composant logiciel spécifique est déployé sur un nœud matériel particulier. Les associations peuvent comporter des étiquettes ou des stéréotypes pour décrire le type de déploiement (par exemple, « s’exécute sur », « héberge », « se connecte à »).
- Relations de dépendance: Dans certains cas, vous pouvez inclure des relations de dépendance entre les artefacts pour montrer comment ils dépendent les uns des autres. Par exemple, une application peut dépendre d’un serveur de base de données ou d’un serveur web.
- Chemins de communication: Les diagrammes de déploiement peuvent également inclure des chemins de communication entre les nœuds pour montrer comment ils interagissent entre eux. Cela peut être important pour comprendre la communication réseau ou le flux de données dans un système distribué.
Les diagrammes de déploiement sont particulièrement utiles dans les scénarios où il est nécessaire de comprendre et de communiquer l’architecture physique d’un système, notamment dans les applications logicielles complexes qui fonctionnent sur plusieurs serveurs ou appareils. Ils aident les parties prenantes à visualiser la répartition des composants logiciels sur les nœuds matériels et la manière dont ces nœuds sont interconnectés.
Les diagrammes de déploiement sont un outil précieux pour les architectes système, les développeurs logiciels et les administrateurs système lors de la planification, de la mise en œuvre et de la gestion du déploiement des systèmes logiciels dans un environnement réel.
Quand utiliser les diagrammes de déploiement :
- Exigences d’intégration: Déterminez quels systèmes existants le système nouvellement introduit doit interagir ou intégrer. Les diagrammes de déploiement aident à visualiser ces interactions.
- Robustesse du système: Évaluez les exigences de robustesse, y compris la nécessité d’une redondance matérielle pour garantir la disponibilité du système en cas de panne.
- Parties prenantes du système: Identifiez qui et quelles entités se connecteront ou interagiront avec le système, et définissez les méthodes d’interaction.
- Logiciels intermédiaires et protocoles: Précisez le logiciel intermédiaire, le système d’exploitation et les protocoles de communication que le système utilisera pour la communication et le transfert de données.
- Interaction utilisateur: Précisez quels composants matériels et logiciels les utilisateurs interagiront directement, tels que les PC, les ordinateurs réseau ou les navigateurs web.
- Surveillance du système: Déterminez comment le système sera surveillé une fois déployé pour garantir son bon fonctionnement et sa performance.
- Mesures de sécurité: Définissez le niveau de sécurité requis pour le système, y compris la nécessité de pare-feu, de matériel physiquement sécurisé ou d’autres mécanismes de sécurité.
Objectif des diagrammes de déploiement :
- Représentation structurale: Les diagrammes de déploiement fournissent une représentation visuelle de la structure en temps d’exécution d’un système, illustrant les éléments matériels utilisés et leurs interconnexions.
- Modélisation du matériel et de la communication: Ils modélisent les composants matériels physiques et les chemins de communication qui existent entre eux, aidant à comprendre l’architecture du système.
- Outil de planification: Les diagrammes de déploiement aident à planifier l’architecture d’un système, aidant les parties prenantes à prendre des décisions éclairées concernant l’affectation du matériel et du logiciel.
- Documentation: Ils sont précieux pour documenter le déploiement des composants logiciels ou des nœuds au sein d’un système, aidant à la documentation et à la communication du système.
Comment modéliser un système embarqué avec un diagramme de déploiement UML
La création d’un système embarqué soulève des défis qui vont au-delà du simple développement logiciel. Elle implique la gestion subtile du monde physique, rempli de pièces mobiles sujettes à l’usure, à des comportements de signal erratiques et à des caractéristiques non linéaires. Lorsqu’on conçoit un modèle pour un tel système, il faut tenir compte de son interaction avec le monde réel, ce qui exige de réfléchir à des dispositifs et nœuds atypiques.
Les diagrammes de déploiement servent d’outils inestimables pour favoriser une communication efficace entre les ingénieurs matériels et les développeurs logiciels impliqués dans votre projet. En utilisant des nœuds qui présentent des ressemblances stéréotypées avec des dispositifs familiers, vous pouvez créer des diagrammes qui résonnent auprès des deux groupes. Ces diagrammes de déploiement jouent également un rôle essentiel dans la réflexion sur l’interaction entre matériel et logiciel. Ils constituent un moyen de visualiser, d’exprimer, de concevoir et de documenter les nombreuses décisions d’ingénierie qui sous-tendent votre système.
Pour modéliser efficacement un système embarqué, suivez ces étapes :
- Identifiez les dispositifs et nœuds uniques propres à votre système.
- Utilisez les fonctionnalités d’extension de UML pour créer des stéréotypes spécifiques au système avec des icônes correspondantes, en particulier pour les dispositifs inhabituels. Au minimum, distinguez entre les processeurs (qui hébergent des composants logiciels) et les dispositifs (qui, à ce niveau d’abstraction, n’ont pas d’intégration logicielle directe).
- Construisez un diagramme de déploiement pour préciser les relations entre ces processeurs et dispositifs. De même, précisez la connexion entre les composants dans la perspective d’implémentation de votre système et les nœuds dans la perspective de déploiement de votre système.
- Lorsque nécessaire, approfondissez les dispositifs intelligents en élaborant un diagramme de déploiement plus détaillé.
Par exemple, considérez la configuration matérielle illustrée dans la figure ci-dessous, qui montre un robot autonome basique. Dans cette illustration, vous trouverez un seul nœud, stéréotypé comme un processeur, désigné comme la carte mère Pentium. Autour de ce nœud se trouvent huit dispositifs, chacun étiqueté comme « dispositif » et représenté par une icône qui offre une représentation visuelle distincte reflétant son homologue dans le monde réel.
Pourquoi les systèmes embarqués sont-ils le plus adaptés à une modélisation par un diagramme de déploiement UML ?
- Cartographie physique: Les systèmes embarqués impliquent le déploiement de composants logiciels sur des nœuds matériels spécifiques. Un diagramme de déploiement UML est conçu pour représenter la cartographie physique des artefacts logiciels sur le matériel, ce qui en fait un choix idéal pour modéliser l’interaction entre logiciel et matériel dans les systèmes embarqués.
- Contexte du monde réel: Les systèmes embarqués fonctionnent dans un contexte du monde réel comprenant divers dispositifs matériels, capteurs, actionneurs et interfaces de communication. Les diagrammes de déploiement vous permettent de capturer visuellement les relations entre ces éléments physiques et les composants logiciels avec lesquels ils interagissent.
- Clarté de la visualisation: Les diagrammes de déploiement UML utilisent des notations graphiques qui offrent une manière claire et intuitive de représenter les nœuds matériels, les composants logiciels et leurs connexions. Cette clarté aide à comprendre l’architecture et le déploiement d’un système embarqué.
- Communication: Les diagrammes de déploiement facilitent une communication efficace entre les différents intervenants impliqués dans le développement des systèmes embarqués, notamment les développeurs logiciels, les ingénieurs matériels, les architectes système et les gestionnaires de projet. Ils fournissent un langage visuel commun pour discuter des aspects liés au déploiement.
- Allocation des ressources: Les systèmes embarqués ont souvent des contraintes de ressources, telles qu’une puissance de traitement limitée, une mémoire réduite ou une énergie limitée. Les diagrammes de déploiement aident à allouer les composants logiciels aux nœuds matériels disponibles tout en tenant compte de ces contraintes.
- Vérification et validation: La modélisation du déploiement d’un système embarqué à l’aide de UML permet une vérification et une validation précoce de l’architecture du système. Cela peut aider à identifier des problèmes ou des goulets d’étranglement potentiels avant l’implémentation, conduisant à des systèmes plus fiables et plus efficaces.
- Documentation: Les diagrammes de déploiement servent de documentation précieuse pour l’architecture physique du système. Ils documentent la répartition des composants logiciels sur les nœuds matériels, ce qui peut être essentiel pour la maintenance, le dépannage et l’évolution du système.
- Évolutivité et complexité: Les systèmes embarqués peuvent aller de dispositifs simples à des systèmes complexes et distribués. Les diagrammes de déploiement UML peuvent s’adapter pour représenter à la fois des systèmes embarqués à petite échelle et à grande échelle, ce qui en fait des outils polyvalents pour modéliser divers niveaux de complexité.
- Intégration avec d’autres diagrammes UML: Les diagrammes de déploiement UML peuvent être intégrés à d’autres diagrammes UML, tels que les diagrammes de classes, les diagrammes de séquence et les diagrammes de composants, afin de fournir une vue d’ensemble du système embarqué. Cette intégration aide à capturer à la fois les aspects structurels et comportementaux.
Résumé
Les diagrammes de déploiement UML sont particulièrement adaptés à la modélisation des systèmes embarqués car ils offrent une approche systématique et visuelle pour représenter l’interaction entre logiciel et matériel, permettant une communication efficace, une allocation des ressources et une documentation pertinentes dans le contexte du développement des systèmes embarqués.
Références
- Guide de l’utilisateur UML, par Grady Booch, James Rumbaugh, Ivar Jacobson, Addison Wesley, 1999
- Qu’est-ce qu’un diagramme de déploiement ?