Découvrir le système sur une puce

Dans les premiers ordinateurs, le processeur était entouré d’une multitude de périphériques. Le principal inconvénient était la place occupée par ceux-ci : la taille d’une grosse armoire.

Il faut attendre les années 1980 pour réduire les tailles, avec la commercialisation du premier microprocesseur Intel 4004 : toutes les fonctions sont intégrées sur un seul et unique circuit intégré.

Ces technologies sont basées sur l’architecture de Von Neumann : les programmes et les données sont stockés dans une même zone mémoire.

Modélisation simplifiée
de l’architecture de Von Neumann

Depuis les années 1990, on miniaturise les différents composants. La carte mère comprend donc le microprocesseur mais aussi une carte vidéo, une carte réseau et les ports IO.

Les smartphones ont accéléré cette tendance, il faut ainsi avoir des composants de plus en plus petits et qui intègrent de plus en plus de composants.

Exemple – SoC d’un smartphone

Ce SoC a été conçu par la société Broadcom : il contient un CPU, de la RAM, les circuits graphiques, des bus, etc.

Le principal avantage d’un système sur une puce par rapport à un ordinateur est le gain de place qui permet une plus grande portabilité, puisque tous les composants sont miniaturisés pour tenir sur un même circuit.

Il y a un autre avantage non négligeable : la consommation électrique. Si un seul composant est capable d’effectuer plusieurs opérations en même temps, on économise de l’énergie.

De plus, si les composants sont proches les uns des autres, les informations transitent plus vite, on augmente ainsi les performances et les fonctionnalités.

Le défaut principal d’un système sur une puce est sa non-évolution : on peut en effet faire évoluer un ordinateur en ajoutant de la mémoire, en changeant une carte graphique, une carte réseau, etc.

Le système sur une puce (SoC) ne peut par contre pas être modifié, donc la seule possibilité est la mise à jour logiciel. En cas de panne, on change donc le SoC et parfois même la carte mère sur laquelle le SoC est fixé.

On trouve généralement les composants suivants dans les SoC.

• Un processeur qui exécute les instructions données par l’OS.
• Remarque
  Un processeur peut comporter un ou plusieurs processeurs appelés cœurs. Dans le cas où il y a plusieurs processeurs, on dit que le processeur est multi-core, il sera donc capable de gérer plusieurs tâches en même temps.
• De la mémoire (statique (SRAM), dynamique, flash, ROM, etc.) pour sauvegarder les instructions, les fichiers, etc.
• Des circuits radio (WiFi, Bluetooth) pour communiquer.
• Des processeurs graphiques pour gérer l’affichage à l’écran et les images HD ou 3D.
• Des capteurs (accéléromètres, magnétomètres, etc.) pour pouvoir interagir avec l’utilisateur ou l’extérieur.

Les fabricants de SoC mettent à disposition le diagramme de blocs fonctionnels.

Exemple – Diagramme de blocs fonctionnels du SoC ESP32

On retrouve toutes les fonctions de communication Radio, Bluetooth et Wifi.

On constate que ce SoC a la possibilité d’utiliser des données cryptées (RSA, SH, AES et RNG).

On identifie le nom du microprocesseur Xtensa LX6, et on remarque qu’il y a de la ROM ainsi que de la SRAM.

Ce SoC possède aussi des périphériques (« Peripheral interfaces »), avec un capteur de température (« Temperature sensor »), un port ethernet (« ETH »), etc.

Les SoC utilisent généralement une architecture différente de la Von Neumann : l’architecture d'Harvard.

L'accès à ces mémoires s’effectue donc par des bus différents. Les processeurs qui ont une architecture mémoire de type Harvard utilisent un jeu d’instructions réduit, que l’on nomme RISC (en anglais Reduce Instruction Set Computer).

Modélisation simplifiée
de l’architecture d'Harvard

Les performances sont plus élevées par rapport à l’architecture de Von Neumann, car l’accès aux données se fait par un bus et l’accès aux instructions se fait par un autre bus.

La structure interne est par contre beaucoup plus complexe puisqu’elle utilise des bus différents pour les données et les instructions.

On prend la carte Arduino qui possède un SoC très simple à utiliser, il s’agit de l’ATMEGA328P.

SoC ATMEGA328P sur la carte Arduino Uno

Il est facile de trouver la documentation technique de ce SoC sur le site du constructeur.

En cas de panne, il est facile de changer ce SoC de l’arduino (moins de 2 euros le SoC).

La carte mère (carte Arduino) sur laquelle est fixé le SoC comprend l’alimentation et différentes connectiques.

On peut ajouter des fonctionnalités en ajoutant ce qu’on appelle des shields, par exemple pour ajouter la Wifi, ou encore pour avoir un accéléromètre.

Pour la portabilité, il existe même des cartes mini ATMEGA328P.

SoC ATMEGA328P sur la carte Arduino Nano