Download - Informatique d'instrumentation
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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 :
Informatiqued’instrumentation
2009/2010
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Informatique d'instrumentation 2
INFORMATIQUE D’INSTRUMENTATIONINFORMATIQUE D’INSTRUMENTATION
Les chapitres du cours :
CH 1 : Contrôle d’instruments à distance
CH 2 : Architecture d’un 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.
IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Informatique d'instrumentation3
CH 1 CH 1 CONTRÔLE D’INSTRUMENTSCONTRÔLE D’INSTRUMENTS
Un instrument de mesures peut-être piloté par ordinateur
il est configuré par programme
il renvoie les résultats de mesures à l’ordinateur
Les deux standards de communication utilisés actuellement sont
la liaison GPIB
la liaison RS 232
Se développent également le contrôle via
l’USB et
l’Ethernet
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Informatique d'instrumentation 4
Commandes des appareils
Résultats de mesures
INSTRUMENT = appareil de mesure (ou source
de signal) muni d’un circuit d’interface lui
permettant d’être contrôlé par ordinateur.
Commandes et résultats sont
codés sous forme de
caractères
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1. Aspect matériel1. Aspect matériel1.1 Cas de la liaison GPIB
Instrument GPIB
Câble GPIB
Nécessité d’ajouter une carte
d’interface GPIB interne,
enfichable , ou un convertisseur
externe GPIB-USB.
Connecteurs GPIB
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Informatique d'instrumentation 6
GPIB : General Purpose Intrumentation Bus
Liaison conçue pour le contrôle d’instruments, 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 488.1 et le driver IEEE 488.2
Mise en œuvre facile, coût élevé.
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Caractéristiques :
liaison parallèle : les 8 bits d’un caractère sont envoyés simultanément
plusieurs appareils communiquent avec la même interface GPIB
chaque appareil possède une adresse, modifiable par l’utilisateur ( 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 l’ordinateur 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
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1.2 Cas de la liaison RS-232 (449, 422, 423)
Instrument RS 232
Câble RS 232
Port série disponible sur l’ordinateur,
pas de carte ou d’adaptateur à ajouter.
Utilisation d’un port par instrument.
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Informatique d'instrumentation 9
Liaison conçue pour la communication entre ordinateurs, « détournée » pour le contrôle d’instruments.
Norme moins précise que l’IEEE 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 d’un caractère sont envoyés bit par bit
Fonctionnement par port : 1 port série par instrument
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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 l’instrument
Liaison à 2 fils + masse au minimum, nombreuses autres possibilités utilisant jusqu’à 9 fils
Logique négative
0 [ 5 V ; 25 V ] Typ : 12 V1 [ - 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
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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 d’arrêt (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 s’exprime en
bauds. Valeurs normalisées : de 300 à 38 400 bauds.
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Exemple :
codage du caractère « m » sur 7 bits, parité impaire , 2 stop bit.
Bit de départ : 0
Codage du caractère « m » : 110 1101 sur 7 bits ( 6D )
Bit de parité : 0, parité impaire
2 stop bits :1
lsb
0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1
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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.
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2. Caractéristiques d’un instrument2. Caractéristiques d’un instrument
2.1 Adresse
Pour être reconnu sur un bus d’instrumentation, un instrument possède une adresse.
Le µo s’adresse par exemple à « Carte GPIB 0 : Instrument 10 »
Dans le cas d’une communication par port, il n’y a pas d’adresse, chaque instrument
est sur un port.
Le µo s’adresse par exemple à « Port série 1 : Instrument »
Instrument GPIB 10
Instrument GPIB 22
µo InterfaceGPIB n° 0
Instrument RS 232
Instrument RS 232
µo Port série1
Port série2
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2.2 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 d’écriture.
L’instrument envoie des résultats si
on lui demande ( ex : « *IDN? » = quel est ton nom)
le µP vient lire le résultat (opération de lecture)
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Langage
Langage commun proposé en 1992 :
Standard Commands for Programmable Instruments : SCPI
Le SCPI permet de changer d’instrument sans modifier le programme.
Ex : FREQ 5000 (9 caractères dont un blanc, codés ASCII)
règle à 5000 Hz la fréquence du signal d’un GBF (SCPI)
Coexistence d’instruction spécifiques à chaque marque ou instrument Ex : MEAS : VOLT : DC ?
demande une mesure de tension continue à un multimètre (non SCPI)
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2.3 Format des données
Chaque instrument renvoie ses résultats sous forme d’une chaîne de caractères.
Le format des résultats numériques est propre à chaque appareil.
Exemple (multimètre Agilent 34401A )
Type of Output DataNon-reading queries
Single reading (IEEE-488)Multiple readings (IEEE-488)
Single reading (RS-232)Multiple readings (RS-232)
Output Data Format< 80 ASCII character stringSD.DDDDDDDDESDD<nl>SD.DDDDDDDDESDD,...,...,<nl>SD.DDDDDDDDESDD<cr><nl>SD.DDDDDDDDESDD,...,...,<cr><nl>S Negative sign or positive signD Numeric digitsE Exponent<nl> newline character<cr> carriage return character
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Résultat d’une mesure unique en liaison GPIB : chaîne de 15 caractères codés sur 8
bits :
SD.DDDDDDDDESDD : +1.12345678E-03
Pour traiter ces données ( calculs, affichage…), il faut transformer la chaîne de
caractères en nombre réel : voir TP.
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Informatique d'instrumentation 19
3. Programmation3. 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 d’écriture et de lecture commun aux 2 liaisons
VI driver d’instruments : VI fourni par le constructeur de l’instrument 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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Nous utiliserons
Un VI « bas niveau » pour initialiser la liaison : Série ou GPIB
Initialisation d’un port série RS 232 et détermination du protocole
Initialisation d’un périphérique GPIB
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Des V.I Visa pour la communication, quelle que soit la liaison
Ecriture d’une commande ( chaîne de caractères)
Rq : Une chaîne de caractères se termine par deux caractères spéciaux pour la liaison RS 232.
Lecture d’un résultat (chaîne de caractères)
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3.2 Étapes de programmation
Pour une programmation efficace (et professionnelle) d’un instrument à distance, il faut
respecter certaines étapes :
1.Le placer dans un état connu, unique et identifié : l’état à la mise sous-tension, prévu par le constructeur.
Rq : Par défaut, un appareil Agilent se met, à la mise sous tension, dans l’état appelé « état à la mise sous tension et à la réinitialisation »
Sur certains appareils Agilent, on peut activer une option qui force l’appareil 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 l’état initial, pour connaître parfaitement l’état de départ de l’instrument, et le rendre ainsi interchangeable.
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EX :
Multimètre 34401 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 …
L’adresse de l’instrument 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….
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Informatique d'instrumentation 25
2.Effacer tous les registres précédemment utilisés, en particulier celui qui mémorise les erreurs. (* CLS)
3.Configurer l’instrument par modification des paramètres qui diffèrent de ceux par défaut (après la réinitialisation).
Dans le cas d’un 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, c’est-à-dire la transférer de la mémoire de l’instrument vers celle de l’ordinateur.
6.Traiter les données, c’est-à-dire dans un premier temps transformer la chaîne de caractères en un nombre réel.
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Informatique d'instrumentation 26
4. Évolutions en contrôle d’instrument4. Évolutions en contrôle d’instrument
Il existe actuellement plus de 10 millions d’instruments GPIB…
L’Ethernet ( 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 l’entreprise,
la passerelle vers internet existe en général
c’est une solution peu couteuse
Inconvénients
cette solution nécessite quelques connaissance en réseau ( masque, adresse IP…)
elle n’est pas spécifique au test et à la mesure
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L’USB
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
c’est une solution peu couteuse
Inconvénients
cette solution n’est pas spécifique au test et à la mesure
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Présentation générale des composants principaux d’un 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. CH 2. ARCHITECTURE ET COMPOSANTSARCHITECTURE ET COMPOSANTSD’UN ORDINATEURD’UN ORDINATEUR
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1.1.Ordinateur et périphériquesOrdinateur et périphériques
1.1 Organisation
Les principaux éléments fonctionnels d’un
ordinateur sont :
Le microprocesseur (3)
La mémoire centrale (5)
Les périphériques et leur système d’interface (1, 6, 8, 9, 10, 11)
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bus
Microprocesseur
Chipsets
Mémoire centrale
Périphériques
bus
Horloge
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Le boîtier comprend essentiellement
La carte mère (2) munie d’éventuelles cartes d’interface pour périphériques (6)
Le bloc d’alimentation (7)
Certains périphériques de stockage : périphériques internes (8, 9)
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Informatique d'instrumentation 32
1.2 La carte mère
La carte mère est un circuit imprimé qui supporte et interconnecte les composants
électroniques de l’ordinateur :
Le microprocesseur (socket) : A
La mémoire centrale (et d’autres 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 d’extension (graphique, d’acquisition…): D
- pour les alimentations : G
Certains périphériques (carte son, modem)
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Informatique d'instrumentation 33
Sourc
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Inte
l® D
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D
97
5X
BX
2
Tech
nic
al Pro
duct
Speci
fica
tion
B
C
D
E
F
GEE
E
Connecteurs de la carte mère
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Informatique d'instrumentation 34
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Informatique d'instrumentation 35
1.3 Les connecteurs
L’interconnexion 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
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Informatique d'instrumentation 36
2. Microprocesseur et mémoire2. Microprocesseur et mémoire
2.1 Microprocesseur
Le µP exécute les instructions élémentaires des programmes situés en mémoire centrale :
Chargement de l’instruction lue en mémoire
Décodage grâce à un jeu d’instructions
Exécution
Les principaux éléments du µP sont :
L’unité de commande, qui lit et décode l’instruction
L’unité 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 d’exécution.
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Informatique d'instrumentation 37
Le µP est caractérisé par
La cadence à laquelle il exécute les instructions : sa fréquence d’horloge (en simplifiant à l’extrême, un µP 1 GHz effectue 1 milliard d’opérations 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 l’unité de commande
qui permet d’accélérer 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….)
Microprocesseur
Mémoire centraleMémoires
caches
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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
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Informatique d'instrumentation 39
(Données janvier 2008 : deux produits parmi de nombreuses offres…)
Produit AMD Athlon 64X2 6400
Produit
Intel Core2Duo
T7770
Prix 170 € Prix 280 €
Fréquence (GHz)
3.2 Fréquence
(GHz) 2,4
Bus interne (MHz)
- Bus interne
(MHz) 800
Taille Cache L1 (en Ko)
- Taille Cache
L1 (en Ko) -
Taille Cache L2
2X1 Mo Taille Cache
L2 4 Mo
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Informatique d'instrumentation 40
2.2 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 éteint, les données sont perdues : mémoire 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 d’adresser 2m mots mémoire.
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Informatique d'instrumentation 41
Exemple :
Une mémoire comportant des mots de 32 bits adressée sur 16 bits comporte
216 32 bits = 216 4 octets = 65 536 * 4 = 262 144 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.
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Informatique d'instrumentation 42
3. Périphériques3. 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
WifiDisque dur
Clef USB
Lecteur CD / DVD
Haut parleur
Imprimante
WebCam
Microprocesseur
Mémoire centrale
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Informatique d'instrumentation 43
Les circuits périphériques peuvent se trouver
à l’extérieur 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 d’interface situés sur la carte mère.
… un mélange …
Selon le périphérique, on parle de contrôleur, de carte, d’adaptateur, de circuit d’interface,
de carte d’interface…
Au niveau du langage, on utilise parfois le terme périphérique pour nommer
le circuit d’interface ou encore
l’ensemble (périphérique + interface) … ce que je fais par la suite dans ce chapitre…
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Informatique d'instrumentation 44
Process
Ecran
Microprocesseur
Mémoire centrale
Carte graphique
Haut parleur
Instrument de mesure
Carte GPIB
Carte d'acquisition
Périphériques avec carte d’interface
Micro
Carte son
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Informatique d'instrumentation 45
3.2 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 d’un bus transporte un bit d’information, matérialisé par une tension pouvant prendre uniquement deux valeurs.
Un bus est caractérisé par
Sa largeur : nombre de bits qu’il 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 * 133 106 = 2128 106 bits/secondes = 266 Mo/s.
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Informatique d'instrumentation 46
Les échanges de données sont orchestrés par des circuits appelés contrôleurs de bus,
ponts, ou encore chipsets : les « super contrôleurs d’entrée-sorties »
Bus
mémoireMicroprocesseur Pont Mémoire
centrale
bus d’entrées -
sorties
Périph
2
Périph
1
Bus
local
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Informatique d'instrumentation 47
3.3 Évolution des architectures
L’architecture 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 1981
2.Bus ISA (pont sud) + Bus PCI 1992 (pont nord)
3.Bus AGP 1997 (Graphique) + Bus ATA (Disque) + Bus PCI (USB, SCSI…)
4. …+ PCI Express 2002
5. Que le PCI Express???
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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
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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 d’un
commutateur relié à chaque périphérique.
L’architecture 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…
Inte
l® C
ore
™ i7-9
50 P
rocessor
(8M
Cach
e,
3.0
6 G
Hz,
4.8
0 G
T/s
In
tel®
QP
I)
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Informatique d'instrumentation 50
3.4 Caractéristiques de quelques bus
BUS / PORT
exemples
Largeur (bits)
Fréquence
(MHz)
Bande
Passante
(Mo/s)
Rôle
AGP 8X
PCI Express 1X
PCI Express 32X
32
1
533
2000
64 000250 Mo/s
8 Go/s
Cartes graphiques
Devrait remplacer tous les autres bus /port
IDE-ATA 133
Serial ATA 1
SCSI Ultra4
16
1
16
66
180
80 320
Disques durs / graveur lecteur CD
PCI (32 bits) 32 33 Carte d’extension : son, réseau, modem, acquisition…
USB 2 1 480 Périphériques lents
FireWire 1 800 Périphériques vidéo
Port série 1 Anciens périphériques : appareils de mesures, modems…
Port parallèle 8 Anciens périphériques : scanner, imprimante…
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Informatique d'instrumentation 51
4. Complément et conclusion4. Complément et conclusion
4.1 Matériel et …logiciel !
Au démarrage, la machine a besoin d’instructions pour pouvoir
établir le dialogue avec l’utilisateur 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 d’exploitation.
Le système d’exploitation est un programme d’interface, qui permet le fonctionnement de
base de l’ordinateur ( interprétation des commandes clavier, souris…)
Il existe actuellement deux choix pour un micro-ordinateur : Windows et Linux.
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Informatique d'instrumentation 52
4.2 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
d’ordinateurs 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.
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Informatique d'instrumentation 53
4.3 Évolution des microprocesseursCache
Les performances des processeurs augmentent plus vite que la rapidité des accès
mémoires. Ceci explique l’augmentation des tailles des mémoires caches.
Fréquence
La consommation dynamique des microprocesseurs est d’autant plus forte que la fréquence
de travail est élevée (et que la tension d’alimentation 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.
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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 d’une 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.
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Informatique d'instrumentation 55
Electronique International / extraits des newsletters
le 24/9/2009 à 13h48
Un quadricoeur pour les PC portables !
Ce processeur d’Intel 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 qu’il considère comme le
processeur pour PC mobile le plus puissant jamais réalisé.
Ce circuit quadricœur de la famille Core i7 en reprend l’architecture
Nehalem déjà à l’œuvre dans les processeurs pour PC de bureau tout en en
abaissant significativement la consommation. Il peut fonctionner à une
fréquence de 3 GHz.
IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Informatique d'instrumentation56
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 Arlot, Electronique International, le 02/10/2009 à 12h09
A l’occasion du salon japonais CEATEC, qui se tient du 6 au 10 octobre à Chiba, TDK
présentera un prototype de disque optique d’une 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 d’onde
de 405 nm et d’ouverture 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.CH 3.MEMOIRESMEMOIRES
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Informatique d'instrumentation 57
1.1.GénéralitésGénéralitésUne mémoire est un dispositif capable
d’enregistrer l’information,
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.
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Informatique d'instrumentation 58
bus
mémoire
MicroprocesseurPont Mémoire
centrale
bus d
’entré
es - so
rties
Disque Dur
Flash
Mémoires caches
Registres
ROM
CD
DVD
Mémoires de travail
Mémoires de masse
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Informatique d'instrumentation 59
Une mémoire est caractérisée par
sa capacité : exprimée en octets Ex : Disque dur de 40 Go
son temps d’accès : nécessaire pour effectuer une opération de lecture ou d’écriture Ex: mémoire Flash 10 ms
son débit : nombre d’informations 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
Capaci
té
Rapid
ité
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Informatique d'instrumentation 60
Une mémoire peut être
volatile : les informations stockées sont perdues à chaque coupure d’alimentation, 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 d’une mémoire et son encombrement sont des éléments
importants.
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Informatique d'instrumentation 61
2. Mémoires de travail2. 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 l’information est stockée à la fabrication : on peut lire l’information, l’écriture est impossible, ou sous des conditions bien spécifiques.
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Informatique d'instrumentation 62
2.1 Description
Les registres sont de petites zones mémoire intégrées au µP, constituées de bascules,
d’accès 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 d’être appelées par le µP, quand le µP les demande,
elles sont d’accès + rapide qu’en mémoire centrale. Elle permet d’adapter le débit des
instructions et des données à la vitesse de fonctionnement du processeur.
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Informatique d'instrumentation 63
La mémoire centrale
C’est la mémoire principale de l’ordinateur ( 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
l’ordinateur (de + en + remplacée par de la mémoire flash…)
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Informatique d'instrumentation 64
2.2 TechnologieLes 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 d’une 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 d’un condensateur, à l’aide d’un
transistor, le tout en technologie MOS.
Chaque point mémoire doit être régulièrement rafraîchi pour compenser la décharge du
condensateur.
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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.
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Informatique d'instrumentation 66
De la ROM à la Flash
La mémoire PROM est une ROM programmable une seule fois par l’utilisateur (interrupteur
= fusible, ouvert ou claqué).
La mémoire EPROM est une PROM effaçable à l’aide d’un faisceau UV.
La mémoire EEPROM est une PROM effaçable électriquement.
La mémoire Flash est une EEPROM, elle supporte 100 000 effacements.
Non volatile
RWM ou Vive ( où l’on peut écrire) et non ROM !
Prix de revient en baisse, utilisation également en mémoire de masse : clef USB…
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Informatique d'instrumentation 67
2.3 Quelques propriétés et ordres de grandeur
Registre Mémoire cache Mémoire centrale Mémoire
morte
Type Bascules SRAM
Statique
DRAM
Dynamique
EEPROM / Flash
Capacité qq octets Mo Go qq 100 octets
Temps
d’accès
1 ns 5 ns 10 ns
Débit 5 à 10 Go/s 1 Go/s
Volatilité Oui Oui Oui Non / Pile
Rq Rapide Chère
Volumineuse
+ lente, moins chère, plus
compacte que SRAM
Pas Read Only !
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Informatique d'instrumentation 68
3. MEMOIRES DE MASSE3. MEMOIRES DE MASSECe 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 : l’information est conservée quand l’ordinateur est éteint.
Les données à stocker sont codées de manière à utiliser au mieux le support.
Chaque bit n’est pas matérialisé, il existe des techniques plus performantes,
matérialisant les transition 1-0 ou 0-1 au cours d’une succession de bits.
3.1 Mémoire flash
Mémoire de type électronique : voir ROM du § précédent
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Informatique d'instrumentation 69
3.2 Disque durEnregistrement 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 l’autre :
En lecture, un courant est induit dans la tête, dont le signe dépend de l’orientation 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 l’Allemand Peter Grünberg prix
Nobel Physique 2007)
I Tête de lecture
Disque dur
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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 d’un bit : 0,1 à 0,2 µm
Largeur d’une piste : 1 à 2 µm
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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 (jusqu’à 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 n’y a pas de contact tête – plateau, la tête plane sur le plateau, elle est rétractée ou parquée à l’arrêt.
Un cylindre est l’ensemble des pistes de même diamètre, un cylindre est lu sans déplacer le peigne de têtes.
Un mécanisme asservi extrêmement précis (contrôleur).
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Informatique d'instrumentation 72
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Informatique d'instrumentation 73
3.3 Disques optiques
Les informations binaires sont enregistrées le long d’une spirale sur un support rigide de
type disque.
Les information sont transcrites en modifiant - ou non - une propriétés d’un 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 n’est pas modifiée. Le photo détecteur
mesure donc deux luminosité différentes, correspondant aux deux informations binaires.
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Informatique d'instrumentation 74
Surface réfléchissante
Matériau à propriété modifiée (dye)
Substrat en poly carbonate
lentille
prisme
diode laser
photo détecteur
Laque de protection
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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
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Informatique d'instrumentation 76
A la lecture d’un « 0 », la lumière se réfléchit sur le disque et revient en éclairant
uniformément le photo détecteur.
A la lecture d’un « 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 d’une cuvette étant de l’ordre
de /4, la différence de marche des deux faisceaux est de /2 et l’interférence est
destructive. Le photo détecteur est toujours éclairé uniformément, mais avec une intensité
beaucoup plus faible.
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Informatique d'instrumentation 77
CD-R (Read)
Mémoire enregistrable une fois par l’utilisateur.
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 l’écriture, 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
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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 : l’alliage retourne dans son état amorphe effacement
Moyenne : l’alliage passe dans son état cristallin, création de l’équivalent des pits écriture
Faible : interprétation par le détecteur de la différence de réflectivité du laser lecture.
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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 d’onde plus faible (650 nm contre 780 nm)
Ainsi, la capacité d’un DVD est 7 fois plus grande que celle d’un CD : 4,7 Go,
Soit 133 minutes de vidéo compressée.
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Informatique d'instrumentation 80
En superposant deux couches, et en focalisant le laser sur l’une ou l’autre, 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
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Informatique d'instrumentation 81
Schémas : http://iram.fr/~dumontro/doc/CD/techno/Techno-optique.htm
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Informatique d'instrumentation 82
3.4 Quelques propriétés et ordres de grandeur
Disque dur CD R
CD RW
DVD R
DVD RW
Flash
Type Magnétique Optique Optique EEPROM
Capacité 100 Go 650 Mo 4,7 Go à 17,7
Go
qq Go
Temps
d’accès
10 ms 100 ms 100 ms 10 ms
Débit qq 10 à qq 100
Mo/s
qq Mo/s qq Mo/s qq 10 Mo/s
Rq Fragile
mécaniquementUn lecteur de CD 20X peut lire à une vitesse de 20X150 ko/s (taux du CD Audio) = 3 Mo/s
Peu consommatrice
Robuste
Compacte
IUT ANNECY MPh-MC/2009-2010 Informatique d'instrumentation83
Stockage de résultats de mesure en mémoire : fichiers
Transferts de résultats de mesures en mémoire : entrées-sorties
CH 4CH 4FICHIERS & FICHIERS & GESTION DES ENTREES-SORTIESGESTION DES ENTREES-SORTIES
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Informatique d'instrumentation 84
1. FICHIERS1. 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 d’information stockée et au codage de
cette information (codage = règle utilisée pour convertir l’information en 0 et 1)
4 500 4000
35000
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
35000
1 page detexte (ASCII)
1 imagecouleur
1 minute audioCD
1 miniute videoDVD
kilooctets
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Informatique d'instrumentation 85
Un fichier possède un nom et une extension permettant de reconnaître son type.
Exemples d’extensions :
.txt fichier texte
.pdf format universel d'échange de document PDF
.doc fichier pour le traitement de texte Microsoft Word
.gif fichier image au format GIF
.mp3 fichier audio MP3
.xls tableau Microsoft Excel XLS
.htm fichier HTML (ou .html)
En informatique d’instrumentation, on est amené à stocker des valeurs numériques issues
de l’échantillonnage d’un signal ( acquisition de données).
Il existe deux formats principaux pour stocker une série de valeurs numériques : les fichiers
textes et les fichiers binaires.
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Informatique d'instrumentation 86
1.2 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.
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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.
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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.
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Informatique d'instrumentation 89
1.3 Fichiers sous LabView
Différents V.I permettent la création, l’ouverture, l’écriture ou la lecture, la fermeture de
fichiers de type binaire ou texte.
Se reporter aux exemples sous LabView.
Exemple : écrire dans un fichier binaire :
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Informatique d'instrumentation 90
On est souvent amené à vouloir stocker (puis relire) un résultat de mesures disponible sous
Labview sous forme d’une 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
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Informatique d'instrumentation 91
1.4 Intérêt des fichiers : exemple
Traitement temps réel
Utilisation d’un fichier
Pour stocker l’information
Pour traiter l’information en temps différé
Pour simuler des résultats de mesures et tester un traitement du signal
…
mesures traitement de la mesure
manip résultat
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Informatique d'instrumentation 92
Stockage
mesures
Fichier de mesures réelles
Fichier de simulation
Manipsimulée
Fichier de mesures simulées
Manip
Calcul
traitement de la mesure résultat
FichierFichier
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Informatique d'instrumentation 93
2. Transferts mémoire2. 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
mémoireMicroprocesseur Pont Mémoire
centrale
bus d’entrées -
sorties
Périph
2
Périph
1
Bus
local
?
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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
L’accès 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.
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Informatique d'instrumentation 95
2.1 Les entrées-sorties programmées (scrutation ou polling)
données prêtes ?
lecture et sauvegarde
non
oui
Le périphérique positionne un indicateur (drapeau – flag) lorsqu’il veut communiquer
Le µP vérifie constamment l’état de l’indicateur, dans une boucle
Le µP lit et sauve les données quand elles sont disponibles
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Informatique d'instrumentation 96
Cas d’un CAN
Capteur + conditionneur
µP
Mémoire centrale
Carte d’acquisition
: CAN
1
2
3
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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
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Informatique d'instrumentation 98
2.2 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 utilisateurarrivée
interruption
traitement de l'interruption : lecture et sauvegarde
nécessité de mémoriser l'endroit, les variables….
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Informatique d'instrumentation 99
Cas d’un CAN
µP
Mémoire centrale
Carte d’acquisition
: CAN
Capteur + conditionneur
1
2
3
IRQ
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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
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Informatique d'instrumentation 101
2.3 Accès direct à la mémoire
Le périphérique envoie une demande de DMA lorsqu’un paquet de données est prêt.
Le µP envoie au circuit contrôleur de DMA l’adresse mémoire de début des données, la longueur des données, le sens du transfert.
Le contrôleur de DMA (inclus dans le chipset) gère alors l’échange de données, directement du périphérique à la mémoire sans intervention du µP, avec priorité sur le bus.
Cas d’un CANµP
Mémoire centrale
Carte d’acquisition
: CAN
Capteur + conditionneur
1
2DRQ / OK
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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
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Informatique d'instrumentation 103
2.4 Limitations - évolutions
Les cartes d’acquisition sont généralement limitées non pas par leur vitesse d’acquisition 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 d’autres tâches simultanément.
La carte anciennement utilisée en TP (PCI 6024E) dispose d’un seul canal DMA : si deux opérations avec transfert de données sont réalisées simultanément, l’une doit utiliser un transfert par interruption.
Les nouvelles cartes d’acquisition de National Instrument, série M, possèdent 6 canaux DMA, donc peuvent supporter jusqu’à 6 opérations de transfert pleine vitesse, simultanément.