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IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Informatique d'instrumentation 1 Dernière mise à jour : 16/10/2009 Intervenants André Betemps Myriam Chesneau Laurent Goujon.

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1 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation 1 Dernière mise à jour : 16/10/2009 Intervenants André Betemps Myriam Chesneau Laurent Goujon Responsable du document : idem Auteurs du document : Myriam Chesneau 14 hTP : 8 hTD : 4 hcours : Répartition horaire : Informatique dinstrumentation 2009/2010

2 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation 2 INFORMATIQUE DINSTRUMENTATION Les chapitres du cours : CH 1 : Contrôle dinstruments à distance CH 2 : Architecture dun ordinateur CH 3 : Mémoires CH 4 : Fichier & Gestion des entrées-sorties Les compléments de cours (thèmes abordés en TD et TP) CH 5 : Programmation par événements sous LabVIEW CH 6 : Protocoles réseau.

3 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation 3 CH 1 CONTRÔLE DINSTRUMENTS Un instrument de mesures peut-être piloté par ordinateur il est configuré par programme il renvoie les résultats de mesures à lordinateur Les deux standards de communication utilisés actuellement sont la liaison GPIB la liaison RS 232 Se développent également le contrôle via lUSB et lEthernet

4 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation 4 Commandes des appareils Résultats de mesures INSTRUMENT = appareil de mesure (ou source de signal) muni dun circuit dinterface lui permettant dêtre contrôlé par ordinateur. Commandes et résultats sont codés sous forme de caractères

5 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation 5 1. Aspect matériel 1.1 Cas de la liaison GPIB Instrument GPIB Câble GPIB Nécessité dajouter une carte dinterface GPIB interne, enfichable, ou un convertisseur externe GPIB- USB. Connecteurs GPIB

6 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation 6 GPIB : General Purpose Intrumentation Bus Liaison conçue pour le contrôle dinstruments, initialement créée par Hewlett Packard sous le nom de HPIB. Normalisée au niveau mécanique (câbles), électriques (signaux) et fonctionnelle (communication - programmation ) par la norme IEEE et le driver IEEE Mise en œuvre facile, coût élevé.

7 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation 7 Caractéristiques : liaison parallèle : les 8 bits dun caractère sont envoyés simultanément plusieurs appareils communiquent avec la même interface GPIB chaque appareil possède une adresse, modifiable par lutilisateur ( 0 !!!) 1 seul connecteur 24 broches mâle et femelle (8 lignes de données, 8 lignes de contrôle et 8 lignes de masse) toutes les connexions sont possibles entre lordinateur et les appareils : linéaire, étoile, mixte. utilisation de niveaux TTL en logique négative moins de 4 m entre deux appareils et moins de 2 m en moyenne longueur de câble totale inférieure à 20 m au plus 15 appareils, et plus de 2/3 sous tension

8 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation Cas de la liaison RS-232 (449, 422, 423) Instrument RS 232 Câble RS 232 Port série disponible sur lordinateur, pas de carte ou dadaptateur à ajouter. Utilisation dun port par instrument.

9 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation 9 Liaison conçue pour la communication entre ordinateurs, « détournée » pour le contrôle dinstruments. Norme moins précise que lIEEE 488 : Nécessité de paramétrer la liaison et de choisir le « bon » câble. Mise en œuvre parfois difficile (câblage, protocole…)mais économique. Caractéristiques : liaison série : les 7 ou 8 bits dun caractère sont envoyés bit par bit Fonctionnement par port : 1 port série par instrument

10 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation 10 Coexistence de deux prises : DB9 et DB 25, et de nombreux câblages possibles entres les broches de ces prises : nécessité de connaître le câblage adapté à linstrument Liaison à 2 fils + masse au minimum, nombreuses autres possibilités utilisant jusquà 9 fils Logique négative 0 [ 5 V ; 25 V ]Typ : 12 V 1 [ - 25 V ; - 5 V ]Typ : - 12 V Environ 15 m de câbles maximum (plus pour la liaisons RS-422, 423 et 449) TD RD GND TD RD GND

11 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation 11 Paramétrage Le caractère est codé sur 7 ou 8 bits et est accompagné de : 1 bit de départ (start) 1 ou 2 bits darrêt (stop) 1 bit de parité éventuel Dans un protocole à parité paire (impaire), le bit de parité est positionné ou non pour que le « nombre total de bits du caractère à 1 » soit pair (impaire). La vitesse de transmission est le nombre de bits transmis par seconde, elle sexprime en bauds. Valeurs normalisées : de 300 à bauds.

12 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation 12 Exemple : codage du caractère « m » sur 7 bits, parité impaire, 2 stop bit. Bit de départ : 0 Codage du caractère « m » : sur 7 bits ( 6D ) Bit de parité : 0, parité impaire 2 stop bits :1 lsb

13 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation 13 Le contrôle de flux (handshake) peut-être géré par des lignes de la liaison (RTS – CTS ou DSR – DTR) par programmation (XON – XOFF) ou ne pas être géré. Les protocoles des deux appareils doivent être identiques pour une transmission efficace.

14 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation Caractéristiques dun instrument 2.1 Adresse Pour être reconnu sur un bus dinstrumentation, un instrument possède une adresse. Le µo sadresse par exemple à « Carte GPIB 0 : Instrument 10 » Dans le cas dune communication par port, il ny a pas dadresse, chaque instrument est sur un port. Le µo sadresse par exemple à « Port série 1 : Instrument » Instrument GPIB 10 Instrument GPIB 22 µoInterface GPIB n° 0 Instrument RS 232 µo Port série1 Port série2

15 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation Instructions de programmation Les informations sont échangées entre µo et appareil sous forme de messages codés en caractères ASCII. Le µo peut envoyer des commandes à tout moment : opération décriture. Linstrument envoie des résultats si on lui demande ( ex : « *IDN? » = quel est ton nom) le µP vient lire le résultat (opération de lecture)

16 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation 16 Langage Langage commun proposé en 1992 : Standard Commands for Programmable Instruments : SCPI Le SCPI permet de changer dinstrument sans modifier le programme. Ex : FREQ 5000 (9 caractères dont un blanc, codés ASCII) règle à 5000 Hz la fréquence du signal dun GBF (SCPI) Coexistence dinstruction spécifiques à chaque marque ou instrument Ex : MEAS : VOLT : DC ? demande une mesure de tension continue à un multimètre (non SCPI)

17 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation Format des données Chaque instrument renvoie ses résultats sous forme dune chaîne de caractères. Le format des résultats numériques est propre à chaque appareil. Exemple (multimètre Agilent 34401A ) Type of Output Data Non-reading queries Single reading (IEEE-488) Multiple readings (IEEE-488) Single reading (RS-232) Multiple readings (RS-232) Output Data Format < 80 ASCII character string SD.DDDDDDDDESDD SD.DDDDDDDDESDD,...,..., SD.DDDDDDDDESDD SD.DDDDDDDDESDD,...,..., S Negative sign or positive sign D Numeric digits E Exponent newline character carriage return character

18 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation 18 Résultat dune mesure unique en liaison GPIB : chaîne de 15 caractères codés sur 8 bits : SD.DDDDDDDDESDD : E-03 Pour traiter ces données ( calculs, affichage…), il faut transformer la chaîne de caractères en nombre réel : voir TP.

19 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation Programmation 3.1 Niveaux de programmation Il existe plusieurs niveaux de programmation des instruments VI Bas niveau, programmation spécifique pour RS 232 ou GPIB VI VISA : Virtual Instrument Software Architecture, VI décriture et de lecture commun aux 2 liaisons VI driver dinstruments : VI fourni par le constructeur de linstrument pour un pilotage aisé sous LabVIEW, à rechercher sur le site de National Instrument ou du constructeur, ou directement sous LAbVIEW :

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21 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation 21 Nous utiliserons Un VI « bas niveau » pour initialiser la liaison : Série ou GPIB Initialisation dun port série RS 232 et détermination du protocole Initialisation dun périphérique GPIB

22 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation 22 Des V.I Visa pour la communication, quelle que soit la liaison Ecriture dune commande ( chaîne de caractères) Rq : Une chaîne de caractères se termine par deux caractères spéciaux pour la liaison RS 232. Lecture dun résultat (chaîne de caractères)

23 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation Étapes de programmation Pour une programmation efficace (et professionnelle) dun instrument à distance, il faut respecter certaines étapes : 1. Le placer dans un état connu, unique et identifié : létat à la mise sous-tension, prévu par le constructeur. Rq : Par défaut, un appareil Agilent se met, à la mise sous tension, dans létat appelé « état à la mise sous tension et à la réinitialisation » Sur certains appareils Agilent, on peut activer une option qui force lappareil à se mettre dans les mêmes conditions que lors de la dernière mise hors-tension. Il faut alors demander explicitement, par une commande appropriée (*RST), à revenir à létat initial, pour connaître parfaitement létat de départ de linstrument, et le rendre ainsi interchangeable.

24 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation 24 EX : Multimètre A est initialisé pour mesurer une continuité (circuit ouvert ou fermé), il considère un circuit fermé si la résistance entre les deux points de mesure est inférieur à 10 … Ladresse de linstrument utilisé en GPIB est 22, langage SCPI, utilisé avec une liaison série, le débit est fixé à 9600 bauds, les caractères sont codés sur 7 bits avec un bit de parité paire….

25 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation Effacer tous les registres précédemment utilisés, en particulier celui qui mémorise les erreurs. (* CLS) 3. Configurer linstrument par modification des paramètres qui diffèrent de ceux par défaut (après la réinitialisation). Dans le cas dun appareil de mesure 4. Préciser les conditions qui déclenchent une mesure. Rq : certaines instructions effectuent en même temps la configuration et le déclenchement. 5. Lire la mesure, cest-à-dire la transférer de la mémoire de linstrument vers celle de lordinateur. 6. Traiter les données, cest-à-dire dans un premier temps transformer la chaîne de caractères en un nombre réel.

26 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation Évolutions en contrôle dinstrument Il existe actuellement plus de 10 millions dinstruments GPIB… LEthernet ( Local Area Network = LAN) Les appareils de mesure possédant une interface réseau peuvent être branchés sur un réseau local. Une adresse IP est affectée à chaque appareil, et le contrôle à distance se fait par réseau. Avantages : ce type de réseau est déjà présent dans lentreprise, la passerelle vers internet existe en général cest une solution peu couteuse Inconvénients cette solution nécessite quelques connaissance en réseau ( masque, adresse IP…) elle nest pas spécifique au test et à la mesure

27 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation 27 LUSB Les appareils de mesure possédant une interface USB peuvent être branchés sur un port USB et être contrôlés comme un appareil interfacé GPIB ou RS-232. Avantages : ce type de port est présent sur les PC, et remplace le RS-232 cest une solution peu couteuse Inconvénients cette solution nest pas spécifique au test et à la mesure

28 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation 28 Présentation générale des composants principaux dun micro- ordinateur type. Ordinateur : Computer calculateur (traduction littérale du mot anglais ) «ordinateur» : adjectif provenant du Littré signifiant « Dieux mettant de l'ordre dans le monde ». CH 2. ARCHITECTURE ET COMPOSANTS DUN ORDINATEUR

29 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation 29 1.Ordinateur et périphériques 1.1 Organisation Les principaux éléments fonctionnels dun ordinateur sont : Le microprocesseur (3) La mémoire centrale (5) Les périphériques et leur système dinterface (1, 6, 8, 9, 10, 11)

30 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation 30 bus Microprocesseur Chipsets Mémoire centrale Périphériques bus Horloge

31 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation 31 Le boîtier comprend essentiellement La carte mère (2) munie déventuelles cartes dinterface pour périphériques (6) Le bloc dalimentation (7) Certains périphériques de stockage : périphériques internes (8, 9)

32 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation La carte mère La carte mère est un circuit imprimé qui supporte et interconnecte les composants électroniques de lordinateur : Le microprocesseur (socket) : A La mémoire centrale (et dautres mémoires) : B Les chipsets : C Les bus internes (ISA, PCI, FireWire, AGP, PCI Express…) : D Différents connecteurs : - pour les périphériques internes (lecteur de disque…): E - pour les périphériques externes (USB, FireWire, PS2…): F - pour les cartes dextension (graphique, dacquisition…): D - pour les alimentations : G Certains périphériques (carte son, modem)

33 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation 33 Source : Intel® Desktop Board D975XBX2 Technical Product Specification B C D E F GEE E Connecteurs de la carte mère

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35 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation Les connecteurs Linterconnexion des composants est donc réalisée grâce à des connecteurs présents Sur le boîtier (face arrière et avant… côté sur les portables) Sur la carte mère A PS/2 mouse port, B PS/2 keyboard port, C Serial port A, D Parallel port, E Digital audio out coaxial, F IEEE-1394a connector, G USB ports (four), H LAN, I Center channel and LFE (subwoofer) audio out/ Retasking Jack G, J Surround left/right channel audio out/Retasking Jack H, K Audio line in/Retasking, Jack C, L Digital audio out optical, M Mic in/Retasking Jack B, N Front left/right channel audio out/Two, channel audio line out/Retasking Jack D Source : Intel® Desktop Board D975XBX2 Technical Product Specification

36 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation Microprocesseur et mémoire 2.1 Microprocesseur Le µP exécute les instructions élémentaires des programmes situés en mémoire centrale : Chargement de linstruction lue en mémoire Décodage grâce à un jeu dinstructions Exécution Les principaux éléments du µP sont : Lunité de commande, qui lit et décode linstruction Lunité arithmétique et logique qui effectue les calculs (UAL) Les registres : petites mémoires à accès très rapides qui permettent le stockage temporaire des données et instructions en cours dexécution.

37 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation 37 Le µP est caractérisé par La cadence à laquelle il exécute les instructions : sa fréquence dhorloge (en simplifiant à lextrême, un µP 1 GHz effectue 1 milliard dopérations par secondes) La puissance dissipée Son architecture interne, avec un développement vers les architectures multi-cœurs depuis quelques années Le µP est associé à une petite mémoire ultra-rapide et très proche de lunité de commande qui permet daccélérer les échanges entre µP et mémoire centrale (voir cours sur les mémoires) : la ou les mémoires caches. La tendance actuelle est à une augmentation de la taille des caches (voir § 4.3 évolution….) Micro processeur Mémoire centrale Mémoires caches

38 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation 38 Le µP rayonne thermiquement, il ne peut fonctionner sans un ventilateur et un dissipateur thermique (radiateur). Le µP est inséré dans un connecteur de type horizontal (socket) ou vertical (slot). Les deux principaux fondeurs sont : Intel et AMD

39 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation 39 (Données janvier 2008 : deux produits parmi de nombreuses offres… )

40 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation Mémoire centrale Elle est également appelée mémoire principale, mémoire vive, mémoire interne, RAM (Random Access Memory). Les programmes utilisés et les données en cours de traitement sont stockés en mémoire centrale. Le µP lit et écrit dans cette mémoire A chaque fois que l ordinateur est é teint, les donn é es sont perdues : m é moire volatile. Chaque cellule mémoire comporte plusieurs bits : un mot mémoire. Chaque mot possède une adresse codée en binaire. Un adresse codée sur m bits permet dadresser 2 m mots mémoire.

41 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation 41 Exemple : Une mémoire comportant des mots de 32 bits adressée sur 16 bits comporte bits = octets = * 4 = octets. Remarque : Le bus de communication entre le µP et la mémoire comporte donc des lignes pour les données et des lignes pour les adresses. Les autres caractéristiques de la mémoire centrale seront étudiées dans le chapitre sur les mémoires.

42 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation Périphériques 3.1 Périphériques et interfaces Les périphériques utilisables avec un ordinateurs sont très nombreux, plus ou moins indispensables : écran + clavier + souris… plaque chauffante USB pour maintenir sa tasse de café au chaud… Scanner Souris Ecran Clavier Carte Réseau Modem ADSL Wifi Disque dur Clef USB Lecteur CD / DVD Haut parleur Imprimante WebCam Microprocesseur Mémoire centrale

43 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation 43 Les circuits périphériques peuvent se trouver à lextérieur du boîtier : clavier, souris, écran… dans le boîtier : disque dur, lecteur – graveur de CD ou DVD… Les périphériques sont interfacés avec le µP par un circuit spécialisé, inclus dans le périphérique ou des circuits ou une carte externe au périphérique, située dans le boîtier, ou des circuits dinterface situés sur la carte mère. … un mélange … Selon le périphérique, on parle de contrôleur, de carte, dadaptateur, de circuit dinterface, de carte dinterface… Au niveau du langage, on utilise parfois le terme périphérique pour nommer le circuit dinterface ou encore lensemble (périphérique + interface) … ce que je fais par la suite dans ce chapitre…

44 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation 44 Process Ecran Microprocesseur Mémoire centrale Carte graphique Haut parleur Instrument de mesure Carte GPIB Carte d'acquisition Périphériques avec carte dinterface Micro Carte son

45 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation Interconnexion : bus et ponts Les composants (µP, mémoire) et les périphériques sont interconnectés par des bus : ensemble de lignes électriques (fils ou pistes). Rappel Toute information est codée sous forme binaire par un ensemble de 0 et 1 Une ligne dun bus transporte un bit dinformation, matérialisé par une tension pouvant prendre uniquement deux valeurs. Un bus est caractérisé par Sa largeur : nombre de bits quil peut transmettre simultanément Sa fréquence : nombre de données envoyés par seconde Exemple : un bus de largeur 16 bits, de fréquence 133 MHz a un débit ou bande passante de 16 * = bits/secondes = 266 Mo/s.

46 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation 46 Les échanges de données sont orchestrés par des circuits appelés contrôleurs de bus, ponts, ou encore chipsets : les « super contrôleurs dentrée-sorties » Bus mémoire Microprocesseur Pont Mémoire centrale bus dentrées - sorties Périph 2 Périph 1 Bus local

47 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation Évolution des architectures Larchitecture des PC est constamment en évolution, notamment au niveau des bus et ponts utilisés. Voici le principaux bus qui ont été, seuls ou non, utilisés pour gérer les périphériques : 1.Bus ISA Bus ISA (pont sud) + Bus PCI 1992 (pont nord) 3.Bus AGP 1997 (Graphique) + Bus ATA (Disque) + Bus PCI (USB, SCSI…) 4. …+ PCI Express Que le PCI Express???

48 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation 48 bus mémoire Microprocesseur + Cache L1 + Cache L2 Pont Mémoire + E/S Mémoire centrale SCSI Bus local bus PCI Disque dur USB Lecteur graveur DVD Connecteurs pour carte PCI Contrôleur de disque Ecran CARTE GRAPHIQUE bus AGP bus IDE ATA ou SATA Configuration type 2000

49 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation 49 Evolutions en cours Les périphériques rapides sont de plus en plus nombreux et ne peuvent être tous connectés en direct sur le pont. Un nouveau bus PCI-Express remplace le bus AGP, et est amené à remplacer le bus PCI. Ce bus se généralise pour connecter tous les périphériques. Le pont est alors doté dun commutateur relié à chaque périphérique. Larchitecture ressemble à un réseau, les données sont transmises par paquets (en-tête + données) comme sur un réseau. bus mémoire Microprocesseur + cache(s) Pont + Commutateur Mémoire centrale bus local Contrôleur USB Contrôleur de disque Contrôleur graphique Autre… Intel® Core i7-950 Processor (8M Cache, 3.06 GHz, 4.80 GT/s Intel® QPI)

50 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation Caractéristiques de quelques bus BUS / PORT exemples Largeur (bits) Fréquenc e (MHz) Bande Passante (Mo/s) Rôle AGP 8X PCI Express 1X PCI Express 32X Mo/s 8 Go/s Cartes graphiques Devrait remplacer tous les autres bus /port IDE-ATA 133 Serial ATA 1 SCSI Ultra Disques durs / graveur lecteur CD PCI (32 bits) 3233Carte dextension : son, réseau, modem, acquisition… USB Périphériques lents FireWire 1800Périphériques vidéo Port série 1Anciens périphériques : appareils de mesures, modems… Port parallèle 8Anciens périphériques : scanner, imprimante…

51 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation Complément et conclusion 4.1 Matériel et …logiciel ! Au démarrage, la machine a besoin dinstructions pour pouvoir établir le dialogue avec lutilisateur via les périphériques de communication (clavier, écran, souris) gérer la mémoire centrale Les instructions de base sont stockées sur une mémoire permanente (non-volatile = ROM) sur la carte mère : le Basic Input Output System : BIOS. Ces instructions permettent également de se brancher sur le disque dur pour lancer le chargement du système dexploitation. Le système dexploitation est un programme dinterface, qui permet le fonctionnement de base de lordinateur ( interprétation des commandes clavier, souris…) Il existe actuellement deux choix pour un micro-ordinateur : Windows et Linux.

52 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation Micro-ordinateur et grappes Micro-ordinateurs On a parlé uniquement dans ce cours des micro-ordinateur de type PC. Les micro-ordinateur de type Macintosh ont une architecture et des fonctions similaires. Les ordinateurs de poche et les assistants personnels (PDA) sont encore basés sur la même architecture, mais tout y est plus petit. Serveurs Les serveurs sont des ordinateurs « dopés » : plus rapide, avec plus de mémoire, un disque plus gros, une connexion à très haut débit avec le réseau. Un serveur peut comporter plusieurs processeurs. Cluster - Grappes La solution actuelle pour multiplier vitesse et puissance de calcul est la connexion dordinateurs de type PC, par un réseau haut débit : les clusters ou grappes de stations de travail. Les gros serveurs Internet sont également des clusters de serveurs. Les super-ordinateurs sont remplacés par des clusters.

53 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation Évolution des microprocesseurs Cache Les performances des processeurs augmentent plus vite que la rapidité des accès mémoires. Ceci explique laugmentation des tailles des mémoires caches. Fréquence La consommation dynamique des microprocesseurs est dautant plus forte que la fréquence de travail est élevée (et que la tension dalimentation est élevée). La course aux fréquences élevées est actuellement arrêtée car, avec les moyens classiques, le refroidissement ne peut plus être amélioré. Intégration La consommation statique augmente avec les technologies CMOS avancées (< 90 nm) : les « fils » (traits) qui constituent les circuits du µP sont fins et proches et des courants de fuite apparaissent.

54 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation 54 Les architectures parallèles sont devenues la norme dans les PC… Pour augmenter les performances des processeurs sans augmenter la puissance dissipée, la solution du parallélisme – déjà utilisée dans les superordinateurs de calculs – est maintenant adoptée pour tous les micro-ordinateurs. Plusieurs « cœurs » travaillent simultanément au sein dune même puce. Chaque cœur doit donc posséder une architecture plus simple pour une meilleure gestion de sa consommation ce qui conduit à un réagencement des fonctions au sein de la puce.

55 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation 55 Electronique International / extraits des newsletters le 24/9/2009 à 13h48 Un quadricoeur pour les PC portables ! Ce processeur dIntel consomme nettement moins que son homologue dédié aux PC de bureau. Intel a profité de son forum des développeurs (IDF) qui se tient cette semaine à San Francisco pour y présenter ce quil considère comme le processeur pour PC mobile le plus puissant jamais réalisé. Ce circuit quadricœur de la famille Core i7 en reprend larchitecture Nehalem déjà à lœuvre dans les processeurs pour PC de bureau tout en en abaissant significativement la consommation. Il peut fonctionner à une fréquence de 3 GHz.

56 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation 56 Présentation des mémoires utilisées par un micro-ordinateur « TDK dévoile un prototype de disque optique de 320 Go Le disque inscriptible une fois stocke les données sur dix couches. Pierrick ArlotPierrick Arlot, Electronique International, le 02/10/2009 à 12h09 A loccasion du salon japonais CEATEC, qui se tient du 6 au 10 octobre à Chiba, TDK présentera un prototype de disque optique dune capacité totale de 320 Go répartie sur dix couches, contre 50 Go sur deux couches pour les DVD Blu-ray actuels. Les données sur le disque peuvent y être gravées et lues via un laser bleu-violet à la longueur donde de 405 nm et douverture numérique 0,85, caractéristiques similaires à celui utilisé dans les lecteurs Blu-ray. En 2006, TDK avait fabriqué un prototype de disque optique six couches de 200 Go de capacité totale. « CH 3. MEMOIRES

57 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation 57 1.Généralités Une mémoire est un dispositif capable denregistrer linformation, de la conserver (+ ou – longtemps), de la restituer à la demande Un micro-ordinateur utilise des mémoires de travail, proches du microprocesseur, pour mémoriser programmes et données, de manière temporaire (ou permanente) des mémoires de masse, éléments périphériques, pour sauver de manière permanente de grandes quantités de données. des mémoires tertiaires pour archiver des données : bandes, jukebox à disque optiques. Ce sont des mémoires peu chère, très lentes, non étudiées ici.

58 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation 58 bus mémoire Microprocesseur Pont Mémoire centrale bus dentrées - sorties Disque Dur Flash Mémoires caches Registres ROM CD DVD Mémoires de travail Mémoires de masse

59 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation 59 Une mémoire est caractérisée par sa capacité : exprimée en octets Ex : Disque dur de 40 Go son temps daccès : nécessaire pour effectuer une opération de lecture ou décriture Ex: mémoire Flash 10 ms son débit : nombre dinformations lues ou écrites par seconde, exprimé en octets par seconde. Ex : 1 à 8 Mo/s pour un CD. Registres Cache Mémoire centrale Mémoire de masse Capacité Rapidité

60 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation 60 Une mémoire peut être volatile : les informations stockées sont perdues à chaque coupure dalimentation, ou non-volatile à accès direct : on accède directement à une information stockée en connaissant son adresse, on parle aussi de mémoire à accès aléatoire (RAM) ou à accès séquentiel : on accède à une information après avoir parcouru toutes celles qui la précède, ou encore à accès semi-séquentiel (voir disque dur). Enfin, le coût par bit dune mémoire et son encombrement sont des éléments importants.

61 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation Mémoires de travail Ce sont des mémoires électroniques à semi conducteurs. On distingue : Les RWM Read Wrire Memory, dans lesquelles on peut écrire ou lire une information. On les appelle RAM, car elles sont à accès aléatoire et pour des raisons historiques. Les ROM Read Only Memory dans lesquelles linformation est stockée à la fabrication : on peut lire linformation, lécriture est impossible, ou sous des conditions bien spécifiques.

62 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation Description Les registres sont de petites zones mémoire intégrées au µP, constituées de bascules, daccès extrêmement rapide. Chaque registre ( = 1 ou 2 octets) est destiné à une utilisation particulière. La mémoire cache est une mémoire tampon placée entre le µP et la mémoire centrale pour accélérer les échanges. La mémoire cache permet de stocker temporairement des instructions et données (cache I et cache D) qui ont toutes les chances dêtre appelées par le µP, quand le µP les demande, elles sont daccès + rapide quen mémoire centrale. Elle permet dadapter le débit des instructions et des données à la vitesse de fonctionnement du processeur.

63 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation 63 La mémoire centrale Cest la mémoire principale de lordinateur ( voir ch 2) Des modules de circuits mémoires sont disponibles (SIMM puis DIMM) pour être enfichés sur la carte mère en complément de la mémoire existante ( cf TD). La mémoire morte contient des informations permanentes nécessaires au démarrage de lordinateur (de + en + remplacée par de la mémoire flash…)

64 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation Technologie Les registres sont constitués de transistors agencés en bascules. La mémoire cache est réalisée en RAM statique : SRAM. ( statique = pas besoin de rafraîchir) Un bit en mémorisé en sortie dune bascule. Chaque bascule est composée de deux portes (NOR), chacune réalisée à partir de deux transistors, en technologie bipolaire ou MOS. Chaque bit mémoire utilise donc 4 transistors (ou 6). La mémoire centrale est réalisée en RAM dynamique (DRAM par exemple SDRAM ou DDR2, DDR3) Un bit est mémorisé par la charge ou la décharge dun condensateur, à laide dun transistor, le tout en technologie MOS. Chaque point mémoire doit être régulièrement rafraîchi pour compenser la décharge du condensateur.

65 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation 65 La mémoire morte ROM (Read Only Memory) Un bit est matérialisé par un « interrupteur » ouvert ou fermé. Le choix (1 ou 0) est effectué par le constructeur grâce à un masque et est irréversible. Les composants sont en technologie MOS ou bipolaire.

66 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation 66 De la ROM à la Flash La mémoire PROM est une ROM programmable une seule fois par lutilisateur (interrupteur = fusible, ouvert ou claqué). La mémoire EPROM est une PROM effaçable à laide dun faisceau UV. La mémoire EEPROM est une PROM effaçable électriquement. La mémoire Flash est une EEPROM, elle supporte effacements. Non volatile RWM ou Vive ( où lon peut écrire) et non ROM ! Prix de revient en baisse, utilisation également en mémoire de masse : clef USB…

67 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation Quelques propriétés et ordres de grandeur RegistreMémoire cacheMémoire centrale Mémoire morte TypeBascules SRAM Statique DRAM Dynamique EEPROM / Flash Capacitéqq octetsMoGo qq 100 octets Temps daccès 1 ns5 ns10 ns Débit5 à 10 Go/s1 Go/s VolatilitéOui Non / Pile RqRapide Chère Volumineuse + lente, moins chère, plus compacte que SRAM Pas Read Only !

68 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation MEMOIRES DE MASSE Ce sont des mémoires de stockage. Les données y sont stockées sous forme de fichiers (voir ch 4). Elles sont plus grandes, moins chères, plus lentes que la mémoire centrale (vive, RAM) permanentes : linformation est conservée quand lordinateur est éteint. Les données à stocker sont codées de manière à utiliser au mieux le support. Chaque bit nest pas matérialisé, il existe des techniques plus performantes, matérialisant les transition 1-0 ou 0-1 au cours dune succession de bits. 3.1 Mémoire flash Mémoire de type électronique : voir ROM du § précédent

69 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation Disque dur Enregistrement magnétique Une couche de matériau ferromagnétique, composée de mini domaines magnétisables, est déposée sur un support rigide (aluminium). En écriture, la tête qui survole la piste est parcourue par un courant + I ou – I qui magnétise le domaine dans un sens ou dans lautre : En lecture, un courant est induit dans la tête, dont le signe dépend de lorientation des domaines. Ce courant est très faible. Pour une meilleure détection, on utilise des têtes de lecture magnéto résistives : on ne mesure plus le courant électrique induit par le champ magnétique mais la modification de résistance électrique (GMR : découverte par Albert Fert et lAllemand Peter Grünberg prix Nobel Physique 2007) I Tête de lecture Disque dur

70 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation 70 Quelques dimensions… Distance tête de lecture-écriture, couche magnétique pour un disque dur : 0,2 à 1 µm. (Cheveu 50 µm, empreinte digitale : 5 µm…) Couche magnétique : 0,2 à 4 µm Largeur dun bit : 0,1 à 0,2 µm Largeur dune piste : 1 à 2 µm

71 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation 71 Le lecteur de disque dur contient, sous vide, Un empilement de plateaux rigides double-face avec tête de lecture écriture sur chaque face (jusquà 20 sur un serveur) Chaque plateau est divisé en cercles concentriques : les pistes (de 10 à 1000), chaque piste est divisée en secteurs ou blocs (4 à 64), un secteur permet de mémoriser 32 à 4096 octets (512 en général). Un ensemble de têtes de lecture/écriture (peigne). Il ny a pas de contact tête – plateau, la tête plane sur le plateau, elle est rétractée ou parquée à larrêt. Un cylindre est lensemble des pistes de même diamètre, un cylindre est lu sans déplacer le peigne de têtes. Un mécanisme asservi extrêmement précis (contrôleur).

72 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation 72

73 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation Disques optiques Les informations binaires sont enregistrées le long dune spirale sur un support rigide de type disque. Les information sont transcrites en modifiant - ou non - une propriétés dun matériau déposé sur le disque. Un faisceau laser concentré éclaire chaque zone du matériau, la lumière est plus ou moins réfléchie selon que la propriété du matériau est ou nest pas modifiée. Le photo détecteur mesure donc deux luminosité différentes, correspondant aux deux informations binaires.

74 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation 74 Surface réfléchissante Matériau à propriété modifiée (dye) Substrat en poly carbonate lentille prisme diode laser photo détecteur Laque de protection

75 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation 75 CD-ROM (Read Only Memory) Mémoire de type ROM : enregistrée en usine et non modifiable Des dépressions sont crées par moulage dans le polycarbonate : les micro cuvettes ou pits. Les zones planes sont appelées lands. Chaque transition pit-land ou land-pit correspond à un « 1 ». Micro-cuvettes aluminium Laque de protection Zones planes /4

76 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation 76 A la lecture dun « 0 », la lumière se réfléchit sur le disque et revient en éclairant uniformément le photo détecteur. A la lecture dun « 1 », la lumière qui se réfléchit au fond de la cuvette interfère avec la lumière qui est tombée à coté de la cuvette. La profondeur dune cuvette étant de lordre de/4, la différence de marche des deux faisceaux est de /2 et linterférence est destructive. Le photo détecteur est toujours éclairé uniformément, mais avec une intensité beaucoup plus faible.

77 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation 77 CD-R (Read) Mémoire enregistrable une fois par lutilisateur. Une couche de matière colorée est présente entre le substrat et la surface réfléchissante : le dye. Au départ, elle est transparente et laisse passer le rayon laser. A lécriture, le rayon laser est réglé sur une forte puissance : il modifie en certains points la structure moléculaire du dye qui devient sombre. A la lecture, le photo détecteur distingue les zones sombres et les zones transparentes du dye. Or puis Aluminium Matière colorée Substrat en poly carbonate Laque de protection

78 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation 78 CD-RW Mémoire réinscriptible (Read and Write) La couche de matière colorée du CD-R est remplacée par un alliage dont les états amorphe et cristallin possèdent une réflectivité différente. (cristallin :forte, amorphe : faible) Le faisceau laser possède trois intensité : Forte : lalliage retourne dans son état amorphe effacement Moyenne : lalliage passe dans son état cristallin, création de léquivalent des pits écriture Faible : interprétation par le détecteur de la différence de réflectivité du laser lecture.

79 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation 79 DVD (Digital Versatile Disk) Les DVD sont des CD améliorés, on retrouve les mêmes familles (ROM, R, RW) : Les micro cuvettes ou équivalents sont plus petits La spirale plus serrée, donc plus longue Le laser a une longueur donde plus faible (650 nm contre 780 nm) Ainsi, la capacité dun DVD est 7 fois plus grande que celle dun CD : 4,7 Go, Soit 133 minutes de vidéo compressée.

80 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation 80 En superposant deux couches, et en focalisant le laser sur lune ou lautre, on peut augmenter la capacité de stockage : 8,5 Go Enfin, en collant dos à dos deux DVD, on peut encore augmenter la capacité : 9,4 Go en simple couche et 17,7 en double face double couche. Surface réfléchissante Surface semi- réfléchissante

81 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation 81 Schémas :

82 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation Quelques propriétés et ordres de grandeur Disque dur CD R CD RW DVD R DVD RW Flash TypeMagnétiqueOptique EEPROM Capacité100 Go650 Mo 4,7 Go à 17,7 Go qq Go Temps daccès 10 ms100 ms 10 ms Débit qq 10 à qq 100 Mo/s qq Mo/s qq 10 Mo/s RqFragile mécaniquement Un lecteur de CD 20X peut lire à une vitesse de 20X150 ko/s (taux du CD Audio) = 3 Mo/s Peu consommatrice Robuste Compacte

83 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation 83 Stockage de résultats de mesure en mémoire : fichiers Transferts de résultats de mesures en mémoire : entrées-sorties CH 4 FICHIERS & GESTION DES ENTREES-SORTIES

84 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation FICHIERS 1.1 Généralités Les données sont stockées sur les mémoires de masse (CD, disque dur, mémoire flash) sous forme de fichiers. Il existe différents types de fichiers adaptés au type dinformation stockée et au codage de cette information (codage = règle utilisée pour convertir linformation en 0 et 1)

85 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation 85 Un fichier possède un nom et une extension permettant de reconnaître son type. Exemples dextensions :.txt fichier texte.pdfformat universel d'échange de document PDF.docfichier pour le traitement de texte Microsoft Word.giffichier image au format GIF.mp3fichier audio MP3.xlstableau Microsoft Excel XLS.htm fichier HTML (ou.html) En informatique dinstrumentation, on est amené à stocker des valeurs numériques issues de léchantillonnage dun signal ( acquisition de données). Il existe deux formats principaux pour stocker une série de valeurs numériques : les fichiers textes et les fichiers binaires.

86 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation Formats pour fichiers de mesures Fichier texte : format ASCII (.txt ou.asc) Toutes les données, et en particulier les nombres, sont convertis en chaînes de caractères. Les informations contenues dans un tel fichier peuvent être consultées ou créées à partir d'un éditeur quelconque. Les informations de type mesures sont aisément transférables à des logiciels de calculs statistiques, des tableurs, ou bases de données.

87 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation 87 Fichier binaire : format binaire (.bin) Les éléments sont représentés par leur code binaire comme en mémoire vive : un entier de type « int » occupera 4 octets en mémoire. Les données ne peuvent être lues ou écrites que par programme. Ce format permet un stockage plus compact et plus rapide des données. Fichier tableur Il s'agit d'un stockage de type fichier texte, mais organisé de manière à être directement lisible par un logiciel de type tableur : les nombres sont séparés par des caractères de saut de ligne ou de colonne. Dans la plupart des tableurs, des tabulations séparent les colonnes et des caractères de fin de ligne (EOL) séparent les lignes.

88 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation 88 Pour résumer, un fichier texte est "traduit" en langage intelligible un fichier binaire est stocké en langage "brut". Les opérations sur un fichier binaire sont donc beaucoup plus rapides que sur un fichier texte (transfert, accès direct possible). Ce type de fichier doit être préféré pour le traitement de grandes quantités de données. Les fichiers texte restent les plus courants.

89 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation Fichiers sous LabView Différents V.I permettent la création, louverture, lécriture ou la lecture, la fermeture de fichiers de type binaire ou texte. Se reporter aux exemples sous LabView. Exemple : écrire dans un fichier binaire :

90 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation 90 On est souvent amené à vouloir stocker (puis relire) un résultat de mesures disponible sous Labview sous forme dune Waveform. Plusieurs options sont possible pour le stockage (puis la récupération) de données Waveform : utiliser les V.I d'écriture et de lecture de Waveform dans un fichier de type binaire : seul Labview peut relire le fichier. utiliser les V.I de lecture et d'écriture de Tableaux dans des fichiers de type Tableur, après transformation de la Waveform en Tableau (X, Y) : le fichier est directement exploitable sous Excel

91 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation Intérêt des fichiers : exemple Traitement temps réel Utilisation dun fichier Pour stocker linformation Pour traiter linformation en temps différé Pour simuler des résultats de mesures et tester un traitement du signal … mesurestraitement de la mesure maniprésultat

92 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation 92 Stockage mesures Fichier de mesures réelles Fichier de simulation Manip simulée Fichier de mesures simulées Manip Calcul traitement de la mesure résultat Fichier

93 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation Transferts mémoire Comment un périphérique transfert-il ses données en mémoire ? Les principes décrits sont valables également pour le transfert de données de la mémoire vers un périphérique) Bus mémoire Microprocesseur Pont Mémoire centrale bus dentrées - sorties Périph 2 Périph 1 Bus local ?

94 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation 94 Il existe trois techniques : La scrutation (polling, entrées sortie programmées) : le µP surveille constamment le périphérique Les interruptions : le périphérique « appelle » le µP quand il veut communiquer un résultat Laccès direct à la mémoire : DMA ( direct memory access) : le périphérique transfert directement ses données dans la mémoire, sans faire appel au µP, grâce à un circuit spécialisé.

95 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation Les entrées-sorties programmées (scrutation ou polling) données prêtes ? lecture et sauvegarde non oui Le périphérique positionne un indicateur (drapeau – flag) lorsquil veut communiquer Le µP vérifie constamment létat de lindicateur, dans une boucle Le µP lit et sauve les données quand elles sont disponibles

96 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation 96 Cas dun CAN Capteur + conditionneur µP Mémoire centrale Carte dacquisition : CAN 1 2 3

97 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation 97 Avantage : c'est simple : le programme gère tout (technique synchrone) Inconvénient : la scrutation consomme tout le temps du µP peu réactif lorsque plusieurs périphériques sont gérés par scrutation

98 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation Interruptions Le périphérique demande au µP d'arrêter sa tâche en cours grâce à une ligne spécialisée : IRQ = interrupt request Le µP sauvegarde le contexte Le µP traite l'interruption en exécutant des lignes de programme : lecture et stockage des données Le µP récupère le contexte et continue sa tâche initiale programme utilisateur arrivée interruption traitement de l'interruption : lecture et sauvegarde nécessité de mémoriser l'endroit, les variables….

99 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation 99 Cas dun CAN µP Mémoire centrale Carte dacquisition : CAN Capteur + conditionneur IRQ

100 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation 100 Avantage : le programme utilisateur n'est arrêté que pendant le temps de transfert des informations Inconvénient : utilisation d'une ligne (matérielle) de demande d'interruption pour chaque périphérique nécessité de gérer la priorité des interruptions temps de stockage / déstockage des adresses et valeurs en cours d'utilisation

101 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation Accès direct à la mémoire Le périphérique envoie une demande de DMA lorsquun paquet de données est prêt. Le µP envoie au circuit contrôleur de DMA ladresse mémoire de début des données, la longueur des données, le sens du transfert. Le contrôleur de DMA (inclus dans le chipset) gère alors léchange de données, directement du périphérique à la mémoire sans intervention du µP, avec priorité sur le bus. Cas dun CAN µP Mémoire centrale Carte dacquisition : CAN Capteur + conditionneur 1 2 DRQ / OK

102 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation 102 Avantage permet le transfert de grandes quantités de données (blocs) sans passer par le µP Inconvénient utilisation d'un canal DMA, programmation délicate

103 IUT ANNECY MPh-MC/ Informatique d'instrumentation Limitations - évolutions Les cartes dacquisition sont généralement limitées non pas par leur vitesse dacquisition mais par la vitesse à laquelle elles peuvent transférer les données dans la mémoire du PC La technique DMA est la plus rapide : elle permet de faire circuler des données à haute vitesse en laissant le µP libre pour réaliser dautres tâches simultanément. La carte anciennement utilisée en TP (PCI 6024E) dispose dun seul canal DMA : si deux opérations avec transfert de données sont réalisées simultanément, lune doit utiliser un transfert par interruption. Les nouvelles cartes dacquisition de National Instrument, série M, possèdent 6 canaux DMA, donc peuvent supporter jusquà 6 opérations de transfert pleine vitesse, simultanément.


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