Les Systèmes informatiques du point de vue de l'architecture

Installation informatique

Une installation informatique est utilisée dans un contexte : Bureautique, industriel, embarqué,  etc.. Le contexte a une incidence sur les éléments qui constituent l'installation et son architecture.

Une installation informatique est constituée d'un ensemble de machines informatiques qui traitent des données. Ces machines sont interconnectées par des réseaux, des liaisons, pour :

• réaliser des échanges de données,
• partager des ressources comme des données, des logiciels, des imprimantes...

Exemple d'une installation industrielle

• documentation sur l'installation au format PDF.

Le Contexte

Cette installation se situe dans une entreprise de fabrication de câbles.
Sont rôle est de conduire le processus de fabrication des granulés de P.V.C qui permettront de fabriquer les isolants des câbles électriques.

L'interconnexion des machines informatiques

L'ensemble des machines sont reliées par 2 familles de moyens :

• liaisons multi-points : deux réseaux l'un généraliste, Ethernet, et l'autre industrielle, JBUS.
• liaison point à point : une liaison RS 485 (liaison série utilisée en milieu industriel)
  

Organisation de l'installation

A bas niveau, proche de la partie opérative, reliés aux capteurs et actionneurs, se situent :

• les blocs de pesage pour acquérir les masses des différents produits P1 à P5. Un bloc de pesage acquiert la valeur d'une masse et met à disposition sa valeur sur le réseau industriel de type JBUS.
• le Rack 68302 pour contrôler le sous système 3. Il contrôle  le dosage des 2 produits qui permettent de mettre en forme le P.V.C sous la forme de granulés. Les informations d'entrées sont issues des jauges P6 et P7. Les informations de sorties permettent la commande des moteurs M7 et M8.

A haut niveau se situent :

• Un ordinateur Unix. Il est chargé de contrôler le produit : composer la recette qui permet d'élaborer le P.V.C à partir de 4 constituant, tenir le journal de bord ( volume fabriqué suivant qu'elle procédure), lancer la fabrication. Cette machine informatique gère l'aspect produit fabriqué.
• Un PC supervision permet de contrôler l 'installation (procès) : supervise, affiche le synoptique, donne l'état des actionneurs et des capteurs, permet le réglage et la maintenance en agissant de manière individuelle sur les actionneurs, gère les modes de marche. Cette machine informatique gère l'aspect procès (installation qui permet de fabriquer le produit)
• Remarque : Entre ces 2 niveaux se situent le PC industriel qui assure une fonction de dialogue. Il assure une passerelle entre le réseau Ethernet et le bas niveau.

Le système informatique

Un système informatique est constituée de 3 éléments (couches) : le matériel (hardware). le logiciel  du système d'exploitation SE (software). le logiciel de l'applicatif (software). La machine informatique est constituée de 2 éléments : la matériel et le système d'exploitation

Exemples :

• NTR noyau temps réel  comme  VTRX, LINX , OS9, VxWorks
• Basse de données comme  ORACLE, ACCES, DBASE, INFORMIX, INGRE

Organisation de la partie matérielle d'une machine informatique

Une machine informatique est modulaire pour répondre aux besoins de l'utilisateur.

Une machine informatique est organisée autour de cartes qui communiquent entre elles par un Bus.

Il y a au moins une carte CPU qui assure le traitement et gère le moyen de communication le bus. Elle peut comprendre plusieurs cartes qui permettent le dialogue entre la machine et l'extérieur. En fonction du besoin on implante les cartes : E/S Tout ou Rien -TOR, E/S analogique, vidéo,  traitement du son, réseau..

Principe de l'organisation matérielle

Cas de la machine PC standard

Elle est constituée d'une carte mère qui supporte le processeur de traitement (PENTIUM, Kxx x86) et des slots (connecteurs) sur lesquels viennent s'afficher les cartes.

On peut trouver un bus local (AGP), un bus PCI et un bus ISA.

Cas du Rack 68302 de l'exemple d'installation

La communication autour d'un bus et les architectures

Principe

Les éléments qui doivent échanger des données sont organisés autour du bus. Les éléments sont repérés pour permettre de définir qui communique avec qui (adresse). A partir du moment où, 2 éléments doivent échanger des données, il faut définir s'il va transmettre une donnée sur le bus (écrire) ou prélever une données sur le bus ((lire), c'est le sens de transfert.

Pour échanger des données, le bus doit être capable de véhiculer 3 sortes d'informations :

• le lieu du transfert, (adresse)
• sens de transfert, (lire/écrire), contrôle
• les données (objet source du transfert)

L'organisation du dialogue, l'architecture du bus

• Autour du bus le dialogue est organisé. A un instant donné, il ne peut y avoir qu'un seul élément qui place des données (écrit) sur le bus. Par contre, plusieurs éléments peuvent lire une donnée.
• L'élément qui définit le sens de transfert et le lieu de transfert est dit le maître. Il y a différentes organisations, architectures (Maître Esclave, Multi-maîtres, avec Contrôleur.
• La carte CPU d'une machine est le Maître du Bus.

L'architecture Maître-Esclave

Un seul élément est maître, les autres sont des esclaves. Cette architecture se rencontre lorsque l'on a, sur un bus, une carte CPU  et des cartes E-S (esclaves).

L'élément 1 peut lire ou écrire avec les 2 autres éléments. Les éléments 2 et 3 ne peuvent pas échanger des données directement.Il faudra alors échanger les données via le maître. Ceci nécessite 2 cycles bus : Es -> M puis M -> autre Es, et peut être pénalisant si l'on doit transmettre des blocs de données entre 2 esclaves.

Remarques :  Pour échanger des données directement entre 2 esclaves, il faut réaliser un accès direct mémoire DMA. Ceci nécessite l'utilisation d'un contrôleur de DMA contrôlant le bus à la place du maître (CPU).

L'architecture Multi-maîtres

Plusieurs éléments ont la fonctionnalité "Maître". A l'instant d'un dialogue, il ne peut y avoir qu'un seul maître et les autres sont esclaves. Cette architecture se rencontre lorsque l'on a au moins 2 cartes CPU sur un même bus.

Plusieurs éléments ont la fonctionnalité maître et la potentialité de prendre le contrôle du bus quand ils en ont besoin. Si un élément qui veut accéder au bus (devenir maître), il en fait la demande à l'arbitre qui gère les accès concurrents.

• Exemple 1 : l'élément 2 veut le bus pour échanger des données

• Exemple 2 : l'élément 3 veut le bus pour échanger des données

Remarques

• A un instant donné, plusieurs éléments peuvent demander un accès au bus à l'arbitre. Il dispose d'une loi d'arbitrage qui lui permet d'élire qu'un seul maître pour prendre la controler du bus.

• Une loi d'arbitrage est utilisée comme : une hiérarchie entre les différents maîtres, un tirage au sort, une permutation circulaire, etc..Différentes solutions peuvent êtres utilisées pour réaliser l'arbitre. Ce peut être une solution intégrée dans la couche physique, une solution matérielle, ou une solution utilisant une carte CPU.

• Une machine construite autour d'un bus VME, avec au moins 2 cartes CPU et des cartes E-S (esclaves), relèvent de cette architecture. L'arbitre est hébergé dans une des cartes CPU qui doit disposer d'une fonction superviseur de bus. Cette carte est mise à l'emplacement A1, premier slot en partant de la gauche.

L'architecture avec contrôleur de bus

Un bloc fonctionnel, le contrôleur de bus, gère qui peut écrire sur le bus. Un élément ne peut écrire que s'il est désigné par le contrôleur. Hors des périodes de transfert chaque élément "écoute le bus" pour savoir s'il sera désigné pour écrire sur le bus. La séquence pour définir qui écrit sur le bus est détenue et fixée par le contrôleur.

Pour une application, le contrôleur exécute un programme. Il définit des séquences qui organisent le dialogue des éléments autour du bus. Cette organisation est figée par le programme du contrôleur. Afin de traiter les événements qui peuvent se produire, les éléments peuvent émettre un message ou une demande d'interruption.

Cette architecture est utilisée par le bus d'instrumentation HPIB et le bus de terrain FIP.

Le protocole

Le protocole est la manière d'échanger les données. Il y a deux types de protocole :

• synchrone au temps
• asynchrone avec poignée de main.

Le protocole synchrone

L'échange des données est séquencé par une horloge. C'est le type de protocole utilisé par exemple :

• dans la liaison Clavier-PC,
• le bus I2C,
• les processeurs 68xx et 8086.

Un élément caractéristique est la fréquence de l'horloge qui définit la vitesse de transfert. Il faut que les 2 éléments concernés par transfert soit capables de fonctionner à la même vitesse.

Exemple : la liaison clavier, PC.

Le protocole asynchrone avec poignée de main

Les 2 éléments qui dialoguent, utilisent une poignée de main pour séquencer l'échange.

Le maître du transfert signifie qu'il débute l'échange et celui qui subit l'échange signifie qu'il s'est acquitté des données. C'est le type de protocole utilisé dans la liaison Centronics, le bus d'instrumentation HPIB, le bus VME, les processeur 68xxx.

L'élément qui définit la vitesse du transfert est celui qui s'acquitte des données. Les 2 éléments peuvent avoir des "vitesses" de transfert différentes.
Ce protocole peut devenir bloquant si l'information d'acquittement n'est pas produite. Il est associé un système de surveillance de la durée d'un transfert (cycle bus) assuré par un chien de garde.

• Exemple : la liaison Centronics

Les informations de la poignée de main sont : Strobe, marque le début de l'échange Acknowledge, marque l'acquittement des données.	Dans l'exemple d'une liaison Centronics, qui interconnecte un PC et une imprimante, le PC met une Donnée sur la liaison, il active Strobe pour signifier le début du transfert, puis il "attend" que l'imprimante valide Acknowledge pour terminer le cycle de transfert.
Protocole avec poignée de main impulsionnel