Brevet FR3013865A1 — publié le 20150529

La présente invention concerne un calculateur embarqué pour équipements à forte capacité de traitement et de ressources. Plus précisément, l'invention propose un calculateur dont la conception permet de fournir des capacités de traitement importantes et de répondre aux contraintes de résistance aux chocs, aux vibrations et aux températures de fonctionnement exigées dans le domaine des équipements industriels du transport et de la défense. Aujourd'hui, la puissance de traitement d'un calculateur embarqué est liée à sa capacité à dissiper la chaleur produite par son électronique. Au cours des dernières années, la miniaturisation des circuits et l'augmentation des capacités des composants ont mené à l'accroissement de la densité de puissance de l'électronique. Cette augmentation de densité de puissance augmente la température générée par les cartes électroniques et donc le besoin de leur refroidissement sous peine d'un mauvais fonctionnement. Malheureusement les contraintes auxquelles est soumis un système embarqué limitent les possibilités de refroidissement de son électronique. Ces contraintes sont : - la température ambiante de fonctionnement du calculateur : plus la température ambiante de fonctionnement d'un calculateur est haute et plus est réduit le gradient de température qui permet la dissipation de la chaleur produite par son électronique (la dissipation de puissance sous forme de chaleur étant proportionnelle au gradient de température), - les dimensions réduites du calculateur qui interdisent les systèmes de refroidissement actifs, comme ceux basés sur la circulation forcée d'un liquide caloriporteur (système de climatisation, système de refroidissement par eau ...), et minimisent les surfaces et volumes disponibles pour la dissipation de la chaleur par phénomènes de conduction et de convection (forcée ou non), - la limitation de la puissance consommée du système qui réduit le recours à des systèmes actifs gourmands en énergie mais peu efficaces de part leur faible rendement, - la résistance aux chocs et aux vibrations, comme les critères de fiabilité qui minimisent l'utilisation de dispositifs à pièces mobiles, La première conséquence de ces difficultés à dissiper l'énergie thermique d'un calculateur est donc bien de limiter sa puissance. L'autre conséquence est son évolutivité. L'une des caractéristiques essentielle d'un calculateur pour répondre aux contraintes auxquelles il est soumis, est l'association faite entre son module d'alimentation, son module électronique et son module de refroidissement. Plus les contraintes auxquelles il est soumis sont fortes et plus l'interdépendance entre ces trois modules est importante. Faire évoluer l'un implique obligatoirement de modifier les 2 autres. Un calculateur ne peut donc acquérir de nouvelles capacités sans être remis en cause, c'est-à-dire sans que repasser un cycle complet de tests. Contrairement à ce qui se passe au niveau logiciel pour une nouvelle fonction, un calculateur embarqué ne peut pas recevoir un nouveau module électronique sans évolution de son module d'alimentation, de son système de refroidissement et de sa mécanique existante. Toute évolution demande l'étude et la réalisation d'un nouveau calculateur matériel. L'invention a pour but de proposer un calculateur embarqué propre à fournir et à augmenter ses capacités de calcul et de traitement dans des environnements à fortes contraintes de température, d'encombrement et de fiabilité. Selon l'invention, le calculateur embarqué a pour caractéristique de répartir sa densité de puissance électronique entre plusieurs entités matérielles distinctes réunies en une seule et unique entité logique. Avantageusement, la capacité du calculateur peut être augmentée en rajoutant une entité matérielle qui deviendra partie intégrante de l'entité logique déjà présente. Au sens de l'invention, on parle d'agrégation de ressources. Les dessins annexés illustrent l'invention : Figure 1 : vue schématique d'un calculateur existant. Calculateur logique (1) et calculateur matériel (2) confondus. Figure 2 : vue schématique d'un calculateur selon l'invention. Calculateur logique (1) formé par une entité matérielle Traitements & Contrôles (3) et une entité matérielle Ressources (4) Figure 3 : description suivant la couche physique (5) et la couche logiciel (6) d'un calculateur selon l'invention. Figure 4: vue schématique d'un calculateur selon l'invention composée d'une entité matérielle de Traitements & Contrôles (3) et quatre entités matérielles Ressources (4) Figure 5 : schéma bloc d'une entité matérielle Traitements & Contrôles (3) associée à une entité matérielle Ressources (4). La figure 1 représente un exemple de calculateur existant dont l'entité logique appelée calculateur logique (1) et l'entité matérielle correspondant à son boîtier (2) sont confondues. Un seul et unique boîtier regroupe un module alimentation (11), un module de dissipation thermique (12), un module Processeur (13), des modules électroniques pour étendre les capacités du calculateur (14), un module de paramétrage et de stockage des données (16) et dans certain cas un module de communication et d'affichage (16'). Selon l'invention et en référence à la figure 2, le calculateur se présente sous la forme d'au moins 2 boîtiers reliés par un câble et jusqu'à 5 boîtiers reliés en étoile. Au sens de l'invention, un boîtier est aussi appelé entité matérielle. Chaque entité matérielle possède son propre module d'alimentation (11) et son propre module de dissipation thermique (12) dimensionnés pour assurer le bon fonctionnement des modules électroniques (13) (14) qui la compose dans les conditions d'environnement voulues. Un calculateur se compose au minimum de 2 entités matérielles distinctes reliées par un câble. - l'entité matérielle Traitements & Contrôles (3) qui comporte les caractéristiques suivantes : - un ou plusieurs modules processeurs (13) propres à exécuter des fonctions opérationnelles conformément à la configuration du calculateur embarqué, - des moyens de paramétrage du calculateur et de stockage des données (16), - un module de transmission de données (17) qui permet la communication entre une ou plusieurs entités matérielles avec les caractéristiques suivantes : o transmission de données de type série, point à point en mode full-duplex, o transmission immune au bruit o distance jusqu'à 300 mètres entre deux entités, - un module de gestion de la mise oeuvre de l'entité matérielle appelé au sens de l'invention Gestionnaire de Calculateur (18). Si nécessaire, l'entité Traitements & Contrôles comprend aussi des moyens de communication et d'affichage (16'). - L'entité matérielle Ressources (4) qui comporte : une carte de type fond de panier (19) pour l'installation de un ou plusieurs modules électroniques (14) appelés au sens de l'invention Ressources. Ces modules Ressources correspondent à des cartes électroniques peuvent être de toute nature comme par exemple, et de manière non exhaustive, des cartes de traitement mono ou multi processeurs CPU, GPGPU, FPGA, DSP, des cartes de stockage mémoire, des cartes d'acquisition et ou d'émission de signaux, des cartes de communication, des cartes graphiques, des cartes propriétaires, ... - un module de transmission de données (17) qui permet la communication entre une ou plusieurs entités matérielles avec les caractéristiques suivantes : o transmission de données de type série, point à point en mode full-duplex, o transmission immune au bruit o distance jusqu'à 300 mètres entre deux entités, - un module de gestion de la mise oeuvre de l'entité matérielle appelé au sens de l'invention Gestionnaire de Calculateur (18'). Le paramétrage des modules de transmission (17) de chaque entité matérielle (3)(4) permet à l'ensemble du système de fonctionner au sens logique comme un unique calculateur (1). D'un point de vue de l'application, il n'existe qu'un seul et unique calculateur (1). En référence à la figue 3, la communication (21) entre les entités matérielles Traitements & Contrôles (3) et Ressources (4) se fait au niveau de la couche physique (5). L'utilisateur n'a aucun paramétrage à réaliser ni aucun changement applicatif à effectuer. La mise en place et le fonctionnement de la transmission sont totalement transparents du point de vue de l'utilisateur. Quand la communication (21) est établie, l'entité Traitements & Contrôles (3) dispose en plus de ses propres capacités, des capacités de l'entité Ressources (4) qui lui est connectée. En référence à la figue 4, de façon avantageuse le calculateur peut posséder jusqu'à quatre entités matérielles ressources (4)(4')(4") et (4'"). La communication (21) s'établie avec chacune d'elles et l'entité Traitement & Contrôle (3) dispose en plus de ses propres capacités, des capacités des entités Ressources (4) (4') (4") (4-) qui lui sont connectées. Au sens de l'invention on parle d'agrégation de ressources. En référence à la figure 5, le module de transmission (22) se compose de deux parties fonctionnelles. Une partie 1 (23) qui assure la liaison avec la fonction CPU (13) dans le cas de l'entité Traitements & Contrôles ou, la liaison avec la carte fond de panier (19) dans le cas de l'entité Ressources d'un part, et d'autre part, l'initialisation des échanges et le traitement des données en transmission et en réception avant leur envoi à une autre entité. L'autre partie, partie 2 (24) assure le conditionnement physique de l'ensemble des signaux transmis par le câble (25) reliant les deux entités matérielles. Par ailleurs, le démarrage du calculateur, selon l'invention, s'effectue sous le contrôle du gestionnaire de calculateur qui équipe chaque entité. Les gestionnaires de calculateur sont alimentés dès que l'entité matérielle à laquelle ils appartiennent est mise sous tension. Ils commencent alors la séquence suivante : dès que le gestionnaire de calculateur de l'entité Ressources (18') est alimenté, il commande la mise sous tension de la carte fond de panier et des parties 1 et 2 du module de transmission. dès que le gestionnaire de calculateur de l'entité Traitements & Contrôles (18) est alimenté, il commande uniquement la mise sous tension de la partie 2 (24) du module de transmission. le gestionnaire de calculateur de l'entité Traitements & Contrôles se met en attente d'un signal de confirmation de la mise sous tension de l'entité Ressources (Power ON Ressources). Ce signal est envoyé par la partie 2 (24) du module de transmission de l'entité Ressources et reçu par la partie 2 (24) du module de transmission de l'entité Traitements & Contrôles. dès que le gestionnaire de calculateur de l'entité Traitements & Contrôles (18) acquiert les consignes Power ON Ressources et Power ON, il commande la mise sous tension du module CPU (13) et de la partie 1 (22) du module de transmission. le module CPU (13) lance sa séquence d'initialisation et la partie 1 (22) du module de transmission de l'entité Traitements & Contrôles initie la transmission de données entre les entités. A la fin de l'initialisation du module CPU (13), le calculateur, selon l'invention, est opérationnel. Il se compose de 2 entités physiques pour une seule entité logique. L'arrêt du calculateur, selon l'invention, s'effectue aussi au travers du gestionnaire de calculateur (18) et (18') des entités physiques. Après réception d'une demande d'arrêt en provenance du module CPU (13), le gestionnaire de calculateur de l'entité Traitements & Contrôles initie la séquence suivante : envoi commande Power OFF par la partie 2 (24) du module de transmission (22). réception de l'instruction Power OFF par le gestionnaire de calculateur de l'entité Ressources (18') via la partie 2 (24) de son module de transmission (22). commande par le gestionnaire de calculateur de l'entité Ressources (18') de la mise hors tension de la carte fond de panier (19) et de la partie 1 (23) de son module de transmission (22). Envoi par le gestionnaire de calculateur de l'entité Ressources (18') du signal Power Off Ressources via la partie 2 (24) de son module de transmission, réception par le gestionnaire de calculateur de l'entité Traitements & Contrôles (18) du signal Power Off Ressource, commande de la mise hors tension du module CPU (13), de la partie 1 (23) de son module de transmission (22) et envoi de l'instruction SHUT DOWN à l'entité Ressources. - réception par le gestionnaire de calculateur de l'entité Ressources (18') de l'instruction SHUT DOWN et commande de la mise hors tension de la partie 2 (24) de son module de transmission (22). Après temporisation, le gestionnaire de calculateur de l'entité Traitements & Contrôles (18) met hors tension la partie 2 (24) de son module de transmission (22) et envoie instruction à l'utilisateur que il peut couper l'alimentation du calculateur (des 2 entités physiques) (11). Avantageusement un calculateur peut se composer d'une entité Traitements & Contrôles et jusqu'à 4 entités Ressources. Selon l'invention, comme avec deux entités physiques, les 5 entités physiques ne forment qu'une seule entité logique. Avantageusement, le câble de liaison entre les entités physiques est relié au module de transmission de données de chaque entité par un dispositif solidaire de leurs boîtiers. Pour garantir la fiabilité du système de transmission, les contraintes mécaniques qui peuvent être appliquées au câble de liaison ne sont pas répercutées au module de transmission mais au boîtier. Avantageusement, une entité Ressources peut-être partagée par plusieurs entités Traitements & Contrôles. Dans ce cas, il y a création d'autant d'entités logiques qu'il y a d'entités Traitements & Contrôles. On parle de partage de Ressources. Une entité Ressources peut-être partagée par au maximum 4 entités Traitements & Contrôles. Ainsi, l'invention permet la réalisation de calculateurs capables de fournir de grandes capacités de traitements et d'importantes ressources jusqu'à aujourd'hui incompatibles avec les contraintes du monde de l'embarqué de par la trop grande puissance à dissiper qui était générée. L'invention permet aussi la réalisation de calculateurs dont les capacités de traitement ou les ressources peuvent être augmentées sans aucune modification du matériel existant. . REVENDICATIONS1/ Calculateur embarqué composé de au moins deux boîtiers distincts reliés par une transmission filaire et caractérisé en ce que : - un des boîtiers (3) comporte au minimum un module d'alimentation (11), un module de dissipation thermique (12), un module processeur (13), des moyens de paramétrage et de stockage des données (16), un gestionnaire de calculateur (18) et un module de transmission de données (17) pour la mise en oeuvre d'une ou plusieurs communications filaires (21) de type série, point à point en mode full-duplex, immunes au bruit et efficaces jusqu'à 300 mètres, - le ou les autres boîtiers (4) comportent chacun au minimum un module d'alimentation (11), un gestionnaire de calculateur (18'), une carte fond de panier (19) pouvant accueillir une ou plusieurs cartes électroniques (14) et un module de transmission de données (17) pour la mise en oeuvre d'une ou plusieurs communications filaires (21) de type série, point à point en mode full-duplex, immunes au bruit et efficaces jusqu'à 300 mètres, - le calculateur composé de deux boîtiers (3) (4) ou plus ne forme que un seul et unique calculateur logique (1). 2/ Calculateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que un ou plusieurs de ses boîtiers (4) comportant au minimum un module d'alimentation (11), un gestionnaire de calculateur (18'), une carte fond de panier (19) pouvant accueillir une ou plusieurs cartes électroniques (14) et, un module de transmission de données (17) pour la mise en oeuvre d'une ou plusieurs communications filaires (21) de type série, point à point en mode full-duplex, immunes au bruit et efficaces jusqu'à 300 mètres, peuvent être partagés avec un ou plusieurs autres calculateurs.