Sim­pli­fier la ges­tion d’éner­gie dans les noeuds IoT au ni­veau lo­gi­ciel

Electronique S - - Mise En Oeuvre -

L’In­ter­net des ob­jets et sa co­horte de cap­teurs et d’ac­tion­neurs ali­men­tés sur bat­te­ries placent la ges­tion de la consom­ma­tion d’éner­gie au coeur des pré­oc­cu­pa­tions des uti­li­sa­teurs de mi­cro­con­trô­leurs: le dé­ve­lop­pe­ment lo­gi­ciel doit être en me­sure d’ap­puyer les avan­cées ma­té­rielles de ces cir­cuits.

L’avè­ne­ment de l’In­ter­net des ob­jets (IoT) est à l’ori­gine d’un dé­ploie­ment mas­sif de cap­teurs et d’ac­tion­neurs à faible coût. De nom­breux sec­teurs sont concer­nés, de la do­mo­tique à l’éner­gie en pas­sant par le trans­port et les ap­pli­ca­tions in­dus­trielles. Dans nombre de cas d’ap­pli­ca­tion, comme ce­lui des cap­teurs d’hu­mi­di­té des sols culti­vés, il faut pou­voir comp­ter sur des cap­teurs et des ac­tion­neurs (noeuds IoT) ca­pables de res­ter en ser­vice pen­dant des mois, voire des an­nées, avec pour source d’éner­gie une pile bou­ton ou des piles AA. L’ef­fi­ca­ci­té éner­gé­tique re­pré­sente un dé­fi consi­dé­rable pour les dé­ve­lop­peurs. Sur les or­di­na­teurs de bu­reau et les smart­phones, l’OS (sys­tème d’ex­ploi­ta­tion) contrôle les ac­ti­vi­tés d’éco­no­mie d’éner­gie, telles que la di­mi­nu­tion de la lu­mi­no­si­té de l’af­fi­chage et la désac­ti­va­tion du disque dur après des pé­riodes d’in­ac­ti­vi­té. En rai­son de la ca­pa­ci­té li­mi­tée de la mé­moire des puces, l’OS uti­li­sé sur ces ap­pa­reils (qu’il s’agisse de Win­dows, Li­nux ou An­droid) ne peut pas fonc­tion­ner sur des mi­cro­con­trô­leurs d’en­trée de gamme uti­li­sés dans des ap­pa­reils re­liés à l’In­ter­net des ob­jets. Il im­porte au­jourd’hui de mettre en oeuvre sur les noeuds IoT ba­sés sur des mi­cro­con­trô­leurs des fonc­tion­na­li­tés d’éco­no­mie d’éner­gie si­mi­laires à celles exis­tant sur les smart­phones et les or­di­na­teurs, al­liant fa­ci­li­té d’uti­li­sa­tion et ef­fi­ca­ci­té éner­gé­tique, et ce à plu­sieurs titres : - la tech­no­lo­gie de concep­tion ba­sée sur le si­li­cium des der­nières gé­né­ra­tions de mi­cro­con­trô­leurs oc­ca­sionne une perte de puis­sance su­pé­rieure à celle ob­ser­vée sur les com­po­sants Cmos plus an­ciens. Afin de sa­tis­faire aux cri­tères d’ef­fi­ca­ci­té éner­gé­tique des noeuds IoT, les fa­bri­cants de se­mi- conduc­teurs se doivent de conce­voir des fonc­tion­na­li­tés d’éco­no­mie d’éner­gie plus éla­bo­rées qui né­ces­sitent da­van­tage d’ap­pren­tis­sage pour les dé­ve­lop­peurs. - pour par­ve­nir à une ef­fi­ca­ci­té éner­gé­tique op­ti­male, il im­porte dé­sor­mais de re­cou­rir à des modes veille plus com­plexes, ca­pables de désac­ti­ver puis de ré­ac­ti­ver de nom­breuses com­po­santes du mi­cro­con­trô­leur telles que le coeur, les pé­ri­phé­riques et la mé­moire. - de nom­breux dé­ve­lop­peurs d’ap­pli­ca­tions IoT manquent d’ex­pé­rience en ma­tière de dé­ve­lop­pe­ment de pro­grammes em­bar­qués. Ils ont be­soin d’un pa­ra­digme de ges­tion de l’éner­gie beau­coup plus proche de ce qui est pro­po­sé sous Win­dows ou Li­nux, où l’uti­li­sa­teur peut sé­lec­tion­ner un mode veille spé­ci­fique ou confier la ges­tion de l’éner­gie au sys­tème d’ex­ploi­ta­tion. Or il est pos­sible de mettre en oeuvre une struc­ture de ges­tion de l’éner­gie im­plé­men­tée sur un sys­tème d’ex­ploi­ta­tion em­bar­qué. Cette struc­ture (que nous ap­pel­le­rons « ges­tion­naire d’éner­gie de l’OS ») au­to­ma­tise presque toutes les dé­ci­sions re­la­tives à la ges­tion de l’éner­gie et per­met de conce­voir des noeuds IoT ef­fi­cients, et ce sans avoir à se fa­mi­lia­ri­ser avec les fonc­tion­na­li­tés ma­té­rielles de ges­tion de l’éner­gie. L’in­té­gra­tion d’un ges­tion­naire d’éner­gie dans l’OS étant ce­pen­dant dé­pen­dante de ces fonc­tion­na­li­tés, il est né­ces­saire de se fa­mi­lia­ri­ser d’abord avec celles pou­vant être pré­sentes sur les mi­cro­con­trô­leurs à basse consom­ma­tion.

Fonc­tion­na­li­tés ma­té­rielles de ges­tion de l’éner­gie

Le ges­tion­naire d’éner­gie de l’OS doit ex­ploi­ter les fonc­tion­na­li­tés ma­té­rielles fon­da­men­tales pour as­su­rer une ges­tion ef­fi­cace de l’éner­gie. Il est donc très utile de connaître les bases de ces res­sources ma­té­rielles : - clock ga­ting: le clock ga­ting (désac­ti­va­tion du si­gnal d’hor­loge) per­met de désac­ti­ver l’arbre d’hor­loge d’un pé­ri­phé­rique spé­ci­fique, ré­dui­sant ain­si sa consom­ma­tion d’éner­gie. - do­maine de puis­sance: si le clock ga­ting per­met d’éli­mi­ner la plus grande par­tie de la consom­ma­tion d’éner­gie, le pro­ces­sus peut oc­ca­sion­ner une consom­ma­tion de cou­rant liée à une fuite. Pour évi­ter ce­la, le mi­cro­con­trô­leur peut im­plé­men­ter des do­maines de puis­sance afin de mettre un cir­cuit spé­ci­fique en­tiè­re­ment hors ten­sion. - gé­né­ra­tion de ré­veil : dans les modes de consom­ma­tion ul­tra-basse, le pro­ces­seur, ain­si que vir­tuel­le­ment tous les pé­ri­phé­riques, sont désac­ti­vés. Dans ces condi­tions, au­cune in­ter­rup­tion ne peut nor­ma­le­ment at­teindre le pro­ces­seur. Il est donc né­ces­saire de mettre en place une fonc­tion lo­gique « al­ways on » sup­plé­men­taire afin

Nick Lethaby tra­vaille sur les so­lu­tions IoT et cloud au sein de la fi­liale de dé­ve­lop­pe­ment lo­gi­ciel de Texas Ins­tru­ments. Di­plô­mé en in­for­ma­tique de l’Uni­ver­si­té de Londres, il s’ap­puie sur plus de 25 ans d’ex­pé­rience en lo­gi­ciel em­bar­qué (no­tam­ment...

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