Systèmes électroniques pilotés avec l’Ethernet ou l’USB

Systèmes électroniques pilotés avec l’Ethernet ou l’USB
Jeudi 9 Décembre 2004 CNRS - CRTBT - G.BRES / J.MINET

CNRS - CRTBT - G.BRES / J.MINET
Le CRTBT (Centre de Recherche sur les Très Basses Températures) Département SPM Service Electronique : 7 Personnes Mission : électronique bas niveau aux températures cryogéniques. Outils de CAO: Power PCB, Orcad Pspice, ModelSim & Quartus Jeudi 9 Décembre 2004 CNRS - CRTBT - G.BRES / J.MINET

Dans quel ordre on en parle ?
Ethernet Ethernet PoE Internet (TCP/IP) v4 sur Ethernet Architectures logicielles – offres matérielles Exemples USB 1.1….2.0 Annexe 1 Annexe 2 Jeudi 9 Décembre 2004 CNRS - CRTBT - G.BRES / J.MINET

Ethernet / Internet (TCP/IP)
Qu’est-ce qui justifie l’emploi d’Ethernet ? - Interface normalisée présente en standard sur les machines et dans les labos - Excellente performance : 10Mb/s, 100Mb/s, 1Gb/s…. - Pérennité (Norme = 1980) - Fiabilité, facilité de déploiement et d’interconnexion (mécano !) - Ethernet ► Internet : logiciels sur toutes les plates-formes (Web,ftp…) Système de transmission idéal ? - Standard = norme = complexité de mise en oeuvre - Taille des paquets et accès au média non adaptés… - Victime de son succès….la facilité d’interconnexion et la diversité d’utilisation dégrade les performances et la sécurité ! Jeudi 9 Décembre 2004 CNRS - CRTBT - G.BRES / J.MINET

Communication entre 2 systèmes équipés d’interfaces Ethernet Reliés par un câble Reliés par fibre optique Reliés par onde radio (Wifi) Jeudi 9 Décembre 2004 CNRS - CRTBT - G.BRES / J.MINET

Communication entre 2 systèmes équipés d’interfaces Ethernet 10BaseT ou 100BaseTx Reliés par un câble « CROISÉ » RX TX TX RX Transmission de données à 10 ou 100Mb/s sur une distance maxi de 100m Jeudi 9 Décembre 2004 CNRS - CRTBT - G.BRES / J.MINET

Communication entre plusieurs systèmes équipés d’interfaces Ethernet 10BaseT ou 100BaseTX Concentrateur (HUB) ou commutateur (SWITCH) Cable « droit » Distance maxi = 2 x 100 m Jeudi 9 Décembre 2004 CNRS - CRTBT - G.BRES / J.MINET

PoE (Power over Ethernet) 802.3af 1975 Ligne France Telecom 48Vdc à vide 0..mA Max Environ 20 Vdc x 60mA = 1.2W PoE : Alimentation par Ethernet 48Vdc x 270mA = 13W 2004 Ethernet Alim 48 Vdc DC DC Cisco 7970G Jeudi 9 Décembre 2004 CNRS - CRTBT - G.BRES / J.MINET

Coté client : Ethernet + TCP/IP au cœur du système… Applications utilisateur www, ftp, telnet… Labview ! TCP/IP (Type = 0x800) UDP TCP ICMP ARP/RARP OS Ethernet Physique Ethernet Jeudi 9 Décembre 2004 CNRS - CRTBT - G.BRES / J.MINET

Caractéristiques théoriques de l’ensemble : Ethernet + TCP/IP Trame Ethernet 10Mb/s 100Mb/s Taille (octets) 64+8 (46) (1500) Temps 57,6us + 9,6us 1,22ms + 9,6us 5,76us us 122us us Nb Trame / s 14880 813 (*) 8130 Vitesse max 685Ko/s 1,22 Mo/s 6.8Mo/s 12,2Mo/s UDP (+28octets) Taille utile 46-28 = 18 =1472 18 1472 267Ko/s 1,19Mo/s 2.6Mo/s 11,9Mo/s TCP (+40octets) (Half-duplex « send and wait » connexion établie ) 46-40=6 =1460 6 1460 2 x 67,2us 1,23ms + 67,2us 2 x 6,72us 123us + 6,72us 89,2Ko/s 1,12Mo/s 892Ko/s 11,2Mo/s (*) limité par les systèmes d’exploitation Jeudi 9 Décembre 2004 CNRS - CRTBT - G.BRES / J.MINET

Architectures logicielles….et solutions matérielles

Electronique piloté avec un navigateur WWW et du HTML Electronique « made in labo » Application logicielle spécifique HTML Serveur WWW OS avec TCP/IP Interface Ethernet Ethernet Jeudi 9 Décembre 2004 CNRS - CRTBT - G.BRES / J.MINET

Electronique piloté avec un navigateur WWW avec JAVA Electronique « made in labo » Application logicielle spécifique Applet Serveur WWW TCP / UDP OS avec TCP/IP Interface Ethernet Ethernet Jeudi 9 Décembre 2004 CNRS - CRTBT - G.BRES / J.MINET

Electronique piloté avec une application Labview, Delphi, Java… Electronique « made in labo » Interface Ethernet OS avec TCP/IP Application logicielle spécifique TCP / UDP Ethernet Jeudi 9 Décembre 2004 CNRS - CRTBT - G.BRES / J.MINET

Solutions de connexion Ethernet Besoins ? CPU KoRAM/512KoFlash Ethernet 10Mb/s Dos CPU 8MoRAM/8MoFlash Ethernet 100Mb/s Dos/Linux CPU 32MoRAM/32MoFlash Ethernet 100Mb/s Linux CPU P3/4 en PXI LabView RT / Linux Moyens ? De 80, 300,…5000 et + (Euros) ! Electronique « made in labo » ? Ethernet Jeudi 9 Décembre 2004 CNRS - CRTBT - G.BRES / J.MINET

Solutions de connexion Ethernet faible coût…. BECK : SC12 / SC13 Advantech : EVA-SOM1610 RabbitCore : RCM3000 LANTRONIX : Xport ….etc Jeudi 9 Décembre 2004 CNRS - CRTBT - G.BRES / J.MINET

Solutions de connexion Ethernet faible coût…. l’offre Beck SC12/SC13 SC12 SC13 10BaseT 10/100BaseT IL=82us (20us*) IL=21us x186 / 20MHz x186/40MHz 5V/180mA 5V/300mA I/O 5V I/O 3.3V 512Ko RAM / 512Ko Flash SC12 I/O -1Mo/s 8 AD ALE WR RD CS Jeudi 9 Décembre 2004 CNRS - CRTBT - G.BRES / J.MINET *Mesure sur INT0 IL: Interrupt Latency

Solutions de connexion Ethernet faible coût…. l’offre Beck SC12/SC13 Outils de développement SC12 SC13 10BaseT 10/100BaseT IL=82us (20us*) IL=21us x186 / 20MHz x186/40MHz 5V/180mA 5V/300mA I/O 5V I/O 3.3V 512Ko RAM / 512Ko Flash Borland C Cible ◄► DOS / x186 FTP Telnet Jeudi 9 Décembre 2004 CNRS - CRTBT - G.BRES / J.MINET *Mesure sur INT0 IL: Interrupt Latency

Exemple 1 : commande d’un rack de filtrage par un navigateur Application logicielle spécifique ~1500 lignes de C HTML Serveur WWW © « G.Bres » RTOS avec TCP/IP Interface Ethernet Ethernet Jeudi 9 Décembre 2004 CNRS - CRTBT - G.BRES / J.MINET

Exemple 2 : système d’acquisition pour bolomètres Matrice de Bolomètres Station d’enregistrement 1 MPLA Station d’enregistrement 2 FPGA Application C JTAG JAM Player 80Ko/s Serveur Telnet / FTP UDP RTOS avec TCP/IP Interface Ethernet Ethernet VLAN « Acquisition » Jeudi 9 Décembre 2004 CNRS - CRTBT - G.BRES / J.MINET

Exemple 3 : mesure de résistance PoE Mesure de résistances  4 voies  0.125Ohms à 800KOhms (G)  0.125Ohms à 160MOhms (€) PoE ? Transformateur Ethernet PoE Pulse Jack JK-0025 Circuit de contrôle: TPS2370 (Texas) LTC1257 (Linear) - Convertisseur DC-DC : Isolé (1500V) Ex : UPD MU514R JTAG FPGA ADC 24Bit +/-15 DC-DC 16-70Vdc Ethernet Jeudi 9 Décembre 2004 CNRS - CRTBT - G.BRES / J.MINET

Les projets…. SNMP sur Beck SC12/SC13 Multicast sur Beck SC12/SC13 Préparer l’après Beck…. Large gamme de solution DIMM-PC (Kontron) avec Linux embarqué ? Jeudi 9 Décembre 2004 CNRS - CRTBT - G.BRES / J.MINET

USB…. Jeudi 9 Décembre 2004 CNRS - CRTBT - G.BRES / J.MINET

USB1.1…2.0 (Universal Serial Bus)
L’USB en résumé : Conçu à l’origine pour remplacer les lignes séries externes au PC servant à communiquer avec des périphériques proches (<5 mètres) Historique : Créé par Intel en 1994…version 1.0 -1998 version1.1 (Low speed 1.5Mbps , Full speed 12Mbps) -2000 version2.0 (High speed 480Mbps) -2001 On The Go Jeudi 9 Décembre 2004 CNRS - CRTBT - G.BRES / J.MINET

USB1.1…2.0 (Universal Serial Bus) L’USB en résumé : Caractéristiques principales : Topologie en arbre dont la racine est l’hôte (le PC ou le Mac).  Les périphériques peuvent être branchés et débranchés sans arrêter l’ordinateur.  Les périphériques sont alimentés par le Bus.  On peut chaîner jusqu’à 127 périphériques sur un brin.  Les périphériques inutilisés sont automatiquement mis en veille.  Les périphériques sont identifiés et configurés automatiquement par les systèmes d’exploitation. Jeudi 9 Décembre 2004 CNRS - CRTBT - G.BRES / J.MINET

USB1.1…2.0 (Universal Serial Bus) L’USB en fonctionnement : A Hub USB B 4.4 à 5.25v ! 500mA L’hôte gère les communications en distribuant des jetons. Chaque périphérique est identifié grâce à un VID et un PID. Adresse dynamique, allouée à l’initialisation (énumération). 4 modes de transfert : control, interrupt, isochrone, bulk. Jeudi 9 Décembre 2004 CNRS - CRTBT - G.BRES / J.MINET

USB1.1…2.0 (Universal Serial Bus) Modes de transfert (12Mbps/480Mbps) : Control : pour l’énumération et la configuration. Interrupt : 64octets/1Ko par trame. Accusé de réception et reprise en cas d’erreur. Isochrone : avec réservation de bande passante et de temps d’accès dans la limite de 1Ko toutes les ms (Full Speed) ou 3x1Ko toutes les 125us(High Speed). Pas d’accusé de réception, pas de reprise en cas d’erreur(1Mo/24Mo). Bulk : 1216/6656 octets max par trame. Non prioritaire. Accusé de réception et reprise en cas d’erreur(1.2Mo/53Mo) Jeudi 9 Décembre 2004 CNRS - CRTBT - G.BRES / J.MINET

? L’USB développement de périphériques :
USB1.1…2.0 (Universal Serial Bus) L’USB développement de périphériques : Electronique «made in labo» Application ? Gestion du périphérique Interrupt / Isochrone / Bulk Pilote de périphérique EP.. (out, type,size) EP.. (In, type,size) Control OS USB pilote hôte USB End Point 0 Physique Physique Jeudi 9 Décembre 2004 CNRS - CRTBT - G.BRES / J.MINET

L’USB développement de périphériques, solution 1 :
USB1.1…2.0 (Universal Serial Bus) L’USB développement de périphériques, solution 1 : Electronique « made in CRTBT » Le fabricant de l’ASIC fournit un pilote pour les OS standard : Windows, Linux, OS9, OSX… S’il ne fournit pas le code source, attention à la pérennité…. Application Gestion du périphérique Interrupt / Isochrone / Bulk Pilote de périphérique ASIC: USB ◄► série USB ◄► // USB ◄► I/O Control OS USB pilote hôte Physique Physique Jeudi 9 Décembre 2004 CNRS - CRTBT - G.BRES / J.MINET

L’USB développement de périphériques, solution 2 :
USB1.1…2.0 (Universal Serial Bus) L’USB développement de périphériques, solution 2 : Electronique « made in CRTBT » Pilote « maison » : Problème de compétences en fonction des OS. Problème de pérennité… - Pilote générique commerciale « USBIO » Application Gestion du périphérique Interrupt / Isochrone / Bulk Pilote de périphérique Microcontrôleur (2000 lignes de C) + USB Transceiver Control OS USB pilote hôte Physique Physique Jeudi 9 Décembre 2004 CNRS - CRTBT - G.BRES / J.MINET

L’USB développement de périphériques, solution 3 : HID
USB1.1…2.0 (Universal Serial Bus) L’USB développement de périphériques, solution 3 : HID L’OS supporte en standard certains types de périphériques dits « HID » (Human Interface Devices). Par ex : clavier, souris, audio, modem, balance, stockage (clés USB)…etc Application Gestion du périphérique Interrupt / Isochrone / Bulk Pilote HID Microcontrôleur (>2000 lignes de C) + USB Transceiver Control OS USB pilote hôte Physique Physique Jeudi 9 Décembre 2004 CNRS - CRTBT - G.BRES / J.MINET

L’USB Exemples de réalisations :
USB1.1…2.0 (Universal Serial Bus) L’USB Exemples de réalisations : Pilote « USBIO » Périphérique USB (Full Speed) générique « CRTBT » avec gestion du mode veille USBN9603 uC x51 Silabs F020 USB Pilote Hôte Interface USB OS Windows Recherche de savoir-faire ASIC USB2.0 ◄► IO … QuickUSB Bitwise ? Cypress TX2/SX2 CY7C68000/CYC68001? ASIC USB / Série FT232BM (ftdichip) USB (Full speed) Jeudi 9 Décembre 2004 CNRS - CRTBT - G.BRES / J.MINET

Annexe 1 Ethernet dans le détail

Communication entre 2 systèmes équipés d’interfaces Ethernet sur un réseau local Trame Ethernet simplifiée (802.3) Trame Ethernet 10Mb/s 100Mb/s Taille (octets) 64+8 (46) (1500) Temps 57,6us + 9,6us 1,22ms + 9,6us 5,76us us 122us us Vitesse max 685Ko/s 1,22 Mo/s 6.8Mo/s 12,2Mo/s Préambule @Destination @Source Type Données CRC Alice Bob Préambule @MAC @MAC1 Type Données CRC Alice Concentrateur (HUB) Bob @MAC1 @MAC2 Interface Ethernet (48Bits) Jeudi 9 Décembre 2004 CNRS - CRTBT - G.BRES / J.MINET

Communication entre 2 systèmes équipés d’interfaces Ethernet sur un réseau local Alice Bob Préambule @MAC @MAC1 Type Données CRC Délai fixe Délai = f(données) « cut-through » « on the fly » « Store & forward » Alice Commutateur (Switch) Bob Bob @MAC1 @MAC2 @MAC2 Interface Ethernet (48Bits) Jeudi 9 Décembre 2004 CNRS - CRTBT - G.BRES / J.MINET

Trames Ethernet de diffusion sur un réseau local Alice Tout le monde Préambule FF:……:FF @MAC1 Type Données CRC Concentrateur (HUB) ou Commutateur (Switch) Alice Bob Bob @MAC1 @MAC2 Interface Ethernet (48Bits) Jeudi 9 Décembre 2004 CNRS - CRTBT - G.BRES / J.MINET

Réseaux locaux virtuels sur Ethernet (VLAN) Uniquement sur un réseau équipé de commutateurs (Switch) IEEE802.1p/Q… Priorité paramétrable Bob @MAC2 Jeudi 9 Décembre 2004 CNRS - CRTBT - G.BRES / J.MINET

En résumé Ethernet, c’est quoi ? - C’est un moyen normalisé pour transporter « localement » des données entre des équipements Et à quoi on pense quand on entend « Ethernet »? - Câblage : paire torsadée, fibre optique, Wifi. - Adresse MAC (48bits) - Technique d’interconnexion : hub, switch, vlan…. Jeudi 9 Décembre 2004 CNRS - CRTBT - G.BRES / J.MINET

C’est quoi le rapport avec Internet (TCP/IP) ? Et mon adresse IP elle sert à quoi ? Jeudi 9 Décembre 2004 CNRS - CRTBT - G.BRES / J.MINET

Annexe 2 TCP/IP v4 et Ethernet

« Internet est un réseau virtuel construit en interconnectant des réseaux physiques par des passerelles, les routeurs. » * Le protocole de communication est TCP/IP (1978) Les utilisateurs invoquent les applications sans avoir besoin de connaître la technologie de l’Internet ni son architecture…. Les services les plus populaires sont : Le courrier électronique (smtp,pop) Le transfert de fichier (ftp,tftp) Le web (www) Les forums (news) Internet Jeudi 9 Décembre 2004 CNRS - CRTBT - G.BRES / J.MINET * UREC

Une machine du labo concrètement… Adresse IP (32Bits) : x . x Masque de sous-réseau (32Bits) : Passerelle (Routeur) : Réseau local (Ethernet) Internet Routeur Jeudi 9 Décembre 2004 CNRS - CRTBT - G.BRES / J.MINET

TCP/IP sans Internet Adresse IP (32Bits) : x . x ◄► x . x Masque de sous-réseau (32Bits) : Réseau local (Ethernet) Internet Jeudi 9 Décembre 2004 CNRS - CRTBT - G.BRES / J.MINET

Exemple d’interconnexion simple avec 2 Interfaces Ethernet Electronique « made in CRTBT » Ethernet 1 Ethernet 2 IP: x .x IP: IP: Ethernet Internet Ethernet Routeur Jeudi 9 Décembre 2004 CNRS - CRTBT - G.BRES / J.MINET

Communication TCP/IP & Ethernet EntêteTCP/IP : …. Protocol …. Port D … données UDP : User Datagram Protocol TCP : Transmission Control Protocol ICMP,IP,IGMP,ST,EGP…etc Préambule @destination @source Type Données CRC Bob Alice Bob @MAC1 @MAC2 @MAC2 x . x Interface Ethernet (48Bits) x . y Jeudi 9 Décembre 2004 CNRS - CRTBT - G.BRES / J.MINET

Communication TCP/IP & Ethernet EntêteTCP/IP : …. Protocol …. Port D … données Adresse IP destination (32Bits) : : loop back : tout le sous-réseau (au CRTBT) Préambule @destination @source Type Données CRC Bob Alice Bob @MAC1 @MAC2 @MAC2 x . x Interface Ethernet (48Bits) x . y Jeudi 9 Décembre 2004 CNRS - CRTBT - G.BRES / J.MINET

Communication TCP/IP & Ethernet EntêteTCP/IP : …. Protocol …. Port D … données Port destination (16bits) : représente le service 80 : www 25 : sendmail (smtp) 110 : pop3 20/21: ftp Liste disponible sous /etc/services Préambule @destination @source Type Données CRC Bob Alice Bob @MAC1 @MAC2 @MAC2 x . x Interface Ethernet (48Bits) x . y Jeudi 9 Décembre 2004 CNRS - CRTBT - G.BRES / J.MINET

Communication TCP/IP & Ethernet EntêteTCP/IP : …. Protocol …. Port D … données Le serveur web de Bob Alice consulte … TCP x . x x . y … … données ? Préambule @destination @source 0x Données CRC Préambule @destination @source Type Données CRC Bob Alice Bob @MAC1 @MAC2 @MAC2 x . x Interface Ethernet (48Bits) x . y Jeudi 9 Décembre 2004 CNRS - CRTBT - G.BRES / J.MINET

Communication Internet vers l’extérieur d’un réseau local Ethernet Serveur Web de Microsoft ! Alice consulte EntêteTCP/IP : … TCP x . x … … données Préambule @MAC_R @MAC1 0x Données CRC Préambule @destination @source Type Données CRC Alice @MAC_R Internet Routeur @MAC1 x . x Interface Ethernet (48Bits) Jeudi 9 Décembre 2004 CNRS - CRTBT - G.BRES / J.MINET

En résumé Internet, c’est quoi ? C’est un moyen normalisé, indépendant des plates-formes et des architectures, pour transmettre des données entre les applications. Dans les labos, et dans 99% des réseaux locaux, Internet est transporté par Ethernet. Et à quoi on pense quand on entend « Internet »? - TCP/IP : Adresse IP, masque de sous-réseau, passerelle ( routeur) . - UDP, TCP, ICMP… - Services (www, telnet, ftp, nfs…) Jeudi 9 Décembre 2004 CNRS - CRTBT - G.BRES / J.MINET

Ethernet + Internet (TCP/IP ): fait pour l’instrumentation ? NON ! Mais on compense en faisant attention à l’architecture Ethernet. (de plus en plus, dans les labos, le réseau Ethernet est commuté, avec possibilité de faire des VLAN) Ethernet + Internet (TCP/IP ): Intérêt ? Système de transmission de données standard largement diffusé: prise en charge des protocoles intégrée à tous les systèmes. Lien simplifié entre l’électronique et les applications de l’Internet. Jeudi 9 Décembre 2004 CNRS - CRTBT - G.BRES / J.MINET

Annexe 3 Bibliographie / Liens divers

Ethernet / Internet (TCP/IP) v4
Cours en ligne de l’Urec USB Documentation en français pour débuter Solution USB Full speed : Solution USB High speed : USB Complete – Jan Axelson – ISBN USB Design by example – John Hyde – ISBN Jeudi 9 Décembre 2004 CNRS - CRTBT - G.BRES / J.MINET

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