GEL−1001 Design I (méthodologie)"

(1)

GEL−1001 Design I (méthodologie)"

Technique 1 –"

Structure des ordinateurs"

Hiver 2011"

(2)

Plan"

  Ordinateur"

  Microprocesseur"

  Mémoire vive"

  Stockage permanent"

  Affichage"

  Système embarqué"

  Fiabilité"

(3)

Données numériques"

  Acquisition"

  Mémorisation"

  Traitement"

  Communication"

(4)

Ordinateur"

processeur

pont nord

pont sud

mémoire graphique

canal IDE ports ATA bus PCI

bus PCIe

(5)

Structure interne"

"

(6)

Architecture Von Neumann"

"

 

Unité arithmétique et logique"

  Unité de traitement qui effectue les opérations de base"

 

Unité de contrôle"

  Unité chargée du séquençage des opérations"

 

Mémoire"

  Contient à la fois les données et le programme qui indique à lʼunité de contrôle quelles opérations faire sur ces données"

  Mémoire vive (programmes et données en cours de fonctionnement)"

  Mémoire de masse (programmes et données à plus long terme)

"

 

Dispositifs dʼentrée-sortie"

(7)

Microprocesseur"

"

  Circuit électronique intégré"

  Familles"

  x86 et x64 (Intel, AMD)"

  PowerPC (IBM, Motorola)"

  SPARC, MIPS"

  ARM (systèmes embarqués)"

 

Microcontrôleur (SoC)"

  Processeur"

  Mémoires morte et vive"

  Unités périphériques"

  Interfaces dʼentrées-sorties"

(8)

Puissance dʼun microprocesseur"

"

  Dépend de"

  Son jeu dʼinstructions (CISC, RISC) "

  La complexité de son architecture (p. ex. nombre de transistors) "

  La longueur des « mots » traités (4, 8, 16, 32, 64 bits)"

  La longueur des « mots » transférés (4, 8, 16, 32, 64 bits) "

  La vitesse maximale de son horloge (2 MHz, 3 GHz, …)"

  Le nombre de cycles dʼhorloge par instruction (1, dizaines, …)"

  Se mesure en MIPS :"

  Million dʼinstructions par seconde (1, 10 000, …)"

  Peut doubler ou quadrupler en théorie… avec le parallélisme"

  Performance réelle dépend de lʼapplication (« benchmarks »)"

(9)

Loi de Moore"

(10)

Loi dʼAmdahl"

(11)

Mémoire vive"

"

  Stockage temporaire des données"

  Accès rapide"

  Dizaines ou centaines de nanosecondes"

  Format des « mots »"

  Longueur de 8, 16, 32, 64 bits"

  Bits de parité ou de détection/correction dʼerreur"

  Bits de correction de bits de remplacement (serveurs « non-stop »)"

  Technologies"

  SRAM (coûteuse, rapide, consommatrice, caches L1, L2, L3)"

  DRAM (économique, rafraîchissement)"

(12)

Stockage permanent"

"

  Mémoire « flash »"

  Technologie « semi-conducteurs »"

  Faible consommation"

  Accès rapide et grande capacité "

  Disques durs"

  Disque dur, très grande capacité, coûteux"

  Pièces mobiles"

  RAID"

  Matrice de disques « redondants »"

  Plusieurs « niveaux » possibles"

  Augmente la performance et/ou la tolérance aux fautes"

(13)

Niveaux principaux"

"    RAID 0"

   RAID 1"

   RAID 5"

(14)

Autres niveaux"

"

   ^{RAID 0/1}

   RAID 6 : plus grande redondance des données

^"

   Autres variétés "

• 

RAID 3 et 4 : données distribuées sur plusieurs disques plus 1 bit de parité"

(15)

Affichage"

"

  CRT"

  Contraste élevé"

  Rapide"

  Dimension et poids élevés"

  Consommation moyenne"

  ACL passif"

  Contraste limité"

  Lent"

  Dimension et poids faibles"

  Faible consommation"

(16)

Affichage"

"

  ACL à films minces (TFT)"

  Contraste moyen"

  Peut être plus rapide que le passif"

  Dimension et poids faibles"

  Moins économique que les précédents"

  Plasma"

  Température élevée"

  Sans distorsion"

  Le plus coûteux"

  Consommation élevée"

(17)

Affichage"

"

  OLED

^"

  Faible consommation électrique"

  Contraste et rendu des couleurs supérieurs"

  Angle de vision étendu"

  Très mince"

  Durable"

(18)

Programmation"

"

  Système dʼexploitation"

  Gestion des ressources (processeurs, mémoires, périphériques, réseau)"

  Pilotes de périphériques"

  Processus concourants et temps réel"

  Protection et sécurité"

  Environnement de développement (compilateur, dévermineur)"

  Logiciels applicatifs"

  Langage de modélisation (p.ex. UML)"

  Langage de haut-niveau"

  Langage assembleur"

(19)

Système embarqué"

"

 

Système électronique et informatique autonome"

 

« Enfoui » dans un produit"

 

Éléments matériels et logiciels"

 

Dédié à une tâche précise"

 

Doit respecter diverses contraintes

^"

  Taille"

  Consommation"

  Vitesse"

  Coût"

  Fiabilité"

(20)

Tolérance aux fautes"

"

 

Faute"

  État anormal dʼune composante matérielle ou logicielle"

 

Erreur"

  Problème dans le fonctionnement interne du système"

  Manifestation dʼune faute, typiquement au niveau dʼun sous-système"

 

Défaillance"

  Incapacité du système à réaliser sa fonction à cause dʼerreurs"

 

Objectif"

  Continuer à fonctionner malgré les fautes et erreurs"

(21)

Approches face aux fautes"

"

 

Prévention ou évitement "

  Évite lʼapparition de fautes"

  Tests exhaustifs des sous-systèmes et du système intégré"

  Composantes auto-vérifiées (« BIST »)"

  Formalismes de conception éprouvés"

  Conception modulaire"

 

Tolérance"

  Prévoit la présence de fautes"

  Détecte les erreurs"

  Corrige ou contourne les erreurs"

  Redondance matérielle et/ou logicielle"

(22)

Redondance"

"

 

Informationnelle "

  Ajout de données de vérification"

  Fusion de différentes sources de données"

  Suivi de la « disponibilité » de sous-systèmes (« watchdog timer »)"

 

Temporelle"

  Répétition de calculs et/ou de communications"

 

Spatiale"

  Répétition de composantes"

  Plusieurs « échelles » possibles"

(23)

Système « digne de confiance »"

"

 

Fiable ou disponible "

  Fonctionne presque toujours et longtemps"

  Fait ce quʼil doit faire"

 

Sûr"

  Évite les situations catastrophiques"

  Ne fait pas ce quʼil ne doit pas faire"

 

Sécuritaire"

  Se protège contre les défaillances intentionnelles (sabotage)"

(24)

Durée de vie"

"

 

Durée moyenne de fonctionnement"

  Calculée sur un grand nombre dʼexemplaires"

  Peut inclure plusieurs défaillances et réparations"

(25)

Défaillance"

"

 

Temps de défaillance (TBF)"

  Intervalle de temps entre la mise en opération du système et le moment de sa première défaillance"

  Modélisé par une variable aléatoire"

 

Fonction de défaillance (f

_TBF

) "

  Loi de probabilité de TBF"

 

Temps moyen entre les défaillances (MTBF) "

  Espérance mathématique de la fonction de défaillance"

 

Exemple :

^"

(26)

Fonction « baignoire »"

"

(27)

Mesures probabilistes"

"

 

Foabilité instantanée r(t)"

  Probabilité conditionnelle quʼau temps t le système soit opérationnel, étant donné quʼil est opérationnel au temps t₀=0"

  Intégrale de la fonction de défaillance entre t et ∞"

(28)

Mesures probabilistes"

"

 

Probabilité de défaillance f(t) "

  Probabilité conditionnelle quʼau temps t le système soit non- opérationnel, étant donné quʼil est opérationnel au temps t₀=0"

  f(t) = 1 – r(t)"

  Intégrale de la fonction de défaillance entre 0 et t"

(29)

Mesures probabilistes"

"

 

Disponibilité instantanée a(t) "

  Probabilité quʼau temps t le système soit opérationnel"

  Tient compte des périodes dʼinactivité (p. ex. pour réparation) depuis la première mise en opération

"

(30)

Mesures statistiques"

"

 

Disponibilité moyenne a(t)"

  Rapport entre la durée totale dʼopération au temps t et le temps écoulé depuis la première mise en opération"

 

Exemple"

  Un système non-opérationnel 1 heure durant sa première année a une disponibilité moyenne de"

(31)

Mesures statistiques"

"

 

Disponibilité stationnaire sa"

  Rapport entre le temps moyen pour avoir une défaillance et le temps moyen écoulé entre deux défaillances"

  Tient compte du temps moyen de réparation"

 

Exemple"

  Un système qui a un MTBF de 1 mois et un MTTR de 3 heures a une disponibilité stationnaire de :"

(32)

Éléments en série"

"

(33)

Éléments en parallèle"

"

en alternance :"

en simultané :"

GEL−1001 Design I (méthodologie)"