L'interface homme-machine Java en couleur s'intègre dans un FPGA

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AFFICHAGE
L’interface homme-machine
Java en couleur s’intègre
dans un FPGA
Les qualités du langage Java le rendent
idéal pour la programmation d’interfaces
utilisateur en couleur. La société AED
présente un module optimisé capable de
gérer de manière autonome une IHM Java
pour les systèmes ayant peu de ressources
embarquées disponibles.
Selon la complexité d’un
automate ou système
électronique, le dialogue
avec l’utilisateur
se fait par le biais d’un panneau
de commande plus ou moins
perfectionné. Cette interface
homme-machine (IHM) peutêtre
aussi simple qu’un ensemble
de commutateurs et voyants
lumineux, ou aussi évoluée qu’un
logiciel exécuté sur une plateforme
informatique. C’est le cas
lorsque le système mobilise une
importante puissance de calcul,
requiert une gestion déportée en
réseau ou utilise des périphériques
standard (imprimante, lecteur
de cartes, vidéo…). Une solution
intermédiaire fait appel à
l’électronique embarquée, par
souci d’optimisation selon différents
critères (encombrement,
coût, volume, maintenance…).
Pour l’affichage de données
alphanumériques, la plupart des
appareils disposent d’un écran
LCD monochrome, très économique
et simple à piloter. Cependant,
ce type d’afficheur limite la
nature et la qualité des informations
transmises. En effet, l’absence
de couleur, la faible quan-
Des exemples de réalisations
d'IHM et des primitives que Java
permet de manipuler aisément.
On peut ainsi gérer l'incrustation
d'images vidéo, voire d'un jeu
compatible Java.
tité de points affichables (pixels)
et la rémanence ne permettent
pas l’affichage d’images nettes,
de courbes ou d’animations.
Il y a encore quelques années, le
passage d’un afficheur monochrome
à un écran couleur était
impensable car son intérêt ne
justifiait pas son prix. Entretemps,
l’accroissement des
volumes de production de dalles
couleur passives (CSTN) puis
actives (TFT), pour alimenter en
priorité le marché du PC portable
et de la photo-vidéo numérique,
a fait chuter les prix des
afficheurs couleur de toutes
dimensions, et ce de façon drastique.Au
point de démocratiser la
technologie TFT pour les moniteurs
de bureau, les téléphones
mobiles ou les téléviseurs. De fait,
l’affichage couleur devient un
standard incontournable, ne
serait-ce que pour une question
La carte comprenant
les mémoires, l’alimentation et
un FPGA flash d’Actel en boîtier
PQFP208 (jusqu’à 1 million de
portes) occupe 10x11cm.
d’esthétique ou d’image de marque.
Cette technologie a néanmoins
prouvé son efficacité. L’intégration
d’afficheurs LCD/TFT
couleur, largement reconnus et
bénéficiant aujourd’hui de prix
raisonnables, dans les systèmes
embarqués est inéluctable. Parallèlement,
l’encombrement des
moniteurs couleur à tube cathodique
ne se justifie que pour
quelques applications et cette
technologie a tendance à perdre
du terrain par rapport au LCD,
quelle que soit la taille de l’affichage
couleur.
Des IHM plus riches
Malheureusement, les systèmes
aptes à piloter un écran monochrome
sont bien souvent très
insuffisants pour contrôler un
34 Décembre 2004 n°153 - Electronique

afficheur couleur. En effet, la couleur
permet (voire impose) de
concevoir des IHM très riches en
termes de graphismes, d’animations,
etc., et demande donc des
traitements beaucoup plus gourmands
en puissance de calcul.
D’autre part, comme pour les
moniteurs à tube cathodique, la
couleur implique un flux de données
très important afin de rafraîchir
les trames vidéo. Le débit en
bits par seconde se donne en
effet par la formule: Résolution
H*V* log2 (nombre de couleurs
affichables)*fréquence de rafraîchissement
(30 à 80Hz).
A l’heure actuelle, seuls de puissants
systèmes, tels que des
cartes reposant sur un processeur
performant (32 bits de type
x86, PowerPC,Arm, SuperH), sont
capables de traiter des IHM couleur
et, en même temps, de gérer
le flux vidéo. Ces systèmes, par
exemple sur cartes PC104, sont
très souples et très génériques.
Cependant, dans le cadre d’une
IHM couleur, personne ne peut se
permettre de payer le prix d’un
système polyvalent pour une
application spécifique.
Ces systèmes sont conçus pour
répondre à un maximum de
besoins et possèdent un grand
nombre de fonctionnalités qui ne
sont d’aucun intérêt pour la réalisation
de la seule IHM. D’autre
part, leur caractère générique les
rend encombrants (nombreux
connecteurs, alimentations),
gourmands et coûteux. Ils sont
de plus loin d’être utilisables tels
quels. En effet, afin d’être opérationnels,
il est nécessaire de
leur intégrer un système d’exploitation
et des outils de développement.
Outre le surcoût qu’ils
entraînent, ces éléments sont difficilement
maîtrisables par une
société dont l’informatique et les
systèmes embarqués ne sont pas
le cœur de métier.
C’est pourquoi AED a conçu un
système peu encombrant, bas
coût et prêt à l’emploi, nommé
Bornéo, afin de répondre aux
besoins très spécifiques des IHM
embarquées couleur.
Une solution Java clés
en main
Capable de gérer une large
gamme de résolution (du 128 x
128 au 800x600), Bornéo est particulièrement
bien adapté aux
marchés des bornes interactives,
Electronique - Décembre 2004 n°153
des équipements industriels,
d’instrumentation, ou encore des
systèmes mobiles ou des produits
blancs ou bruns intelligents.
Bornéo est tout d’abord très
simple à programmer. Il se base
sur le langage Java, le plus adapté
et le plus utilisé pour développer
des IHM. En effet, de nombreuses
interfaces graphiques de
divers outils de développement,
dont la plus connue est probablement
Eclipse, sont développées
en Java. Sa portabilité commence
même à l’imposer dans
les téléphones mobiles ou les
cartes à puce multiapplications.
Une solution prête à l’emploi
b)
a)
Java
Application Java
La nature objet du langage Java
s’applique parfaitement bien au
développement d’interfaces graphiques.
Une IHM peut ainsi être
conçue telle une hiérarchie d’objets
graphiques. AED offre une
API (Application programming
interface) contenant les primitives
permettant de dessiner des
formes de base telles les lignes,
cercles, rectangles, etc. Elle fournit
aussi des objets graphiques
fréquemment utilisés dans les
IHM embarquées: jauges, boutons,
graphiques, afficheur numérique,
etc. De même, l’API per-
met le décodage des formats
d’image les plus utilisés (JPG,
PNG, etc.) et contient aussi une
bibliothèque d’animations telles
que les glissements d’écran, les
fondus enchaînés et le défilement
d’images permettant d’animer
une IHM afin de la rendre
plus agréable d’utilisation. Les
fichiers Java et toutes les données
nécessaires à l’exécution du
programme peuvent être sauvegardés
dans la mémoire persistante
du système (mémoire
flash), ou dynamiquement transférés
via le lien de communication.
Bornéo est ainsi à même
Moteur Java Application
Débogueur Java Vérifier
Native
Byte-codes de haut niveau Ramasse-miettes
Sécurité
Application graphique Java
Application Java
API Animation
Système d'exploitation JOS/Pilotes
Processeur JAP/Accélérateur graphique
Contrôleur LCD/TFT
Solution Bornéo
Méthodes Natives
Chargeur de classes
Système d’exploitation
Système de fichiers Mémoire Gestionnaire de processus E/S
JAP
FIGURE 1
Bornéo comprend la partie matérielle avec processeur, accélérateur
graphique et contrôleur d’affichage, mais également le système
d’exploitation et une API pour la programmation Java (a). Le
système d’exploitation intègre le moteur Java pour le processeur
JAP et autorise l’exécution d’applications natives compilées à partir
du C ainsi que l’exécution directe du byte-code Java (b)
JOS
d’être utilisé dans des systèmes
autonomes ou connectés, par
exemple en tant que terminal
standard qui télécharge à la
demande l’interface Java d’un
équipement quel qu’il soit, via
une liaison filaire (Ethernet, USB)
ou radio (Bluetooth,Wi-Fi).
Autre point fort de ce système:
il est immédiatement opérationnel.
En effet, Bornéo intègre le
système d’exploitation JOS dédié
à l’exécution de programmes Java
sur le processeur JAP (figure 1).
Sa couche basse fournit les fonctions
de base permettant de
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manipuler les processus et le système
de fichiers, gérer la
mémoire et les entrées/sorties.
Sur cette couche repose le moteur
Java. Il prend en charge les spécifications
complexes de la
machine virtuelle Java telles que
le ramasse-miettes, les exceptions,
le débogueur, etc. Destiné à
être utilisé dans des applications
embarquées, le système d’exploitation
JOS est totalement préemptif.Ainsi,
toutes ses fonctions
peuvent être interrompues à
n’importe quel moment afin de
traiter un événement extérieur
urgent. Le JOS est composé de
différents modules pouvant être
intégrés ou non en fonction de
l’application ciblée, afin d’obtenir
une empreinte mémoire minimale.
La version Bornéo du JOS
pèse moins d’une centaine de
kilo-octets (50ko dans sa version
minimale).
L’encombrement du système destiné
aux équipements embarqués
est très réduit. Outre le circuit
Bornéo, le système n’utilise que
trois composants: une mémoire
de travail (SDram) où le processeur
manipule la majorité des
informations; une mémoire vidéo
(SDram) permettant de travailler
les animations et de gérer l’émission
des pixels à l’écran sans
perturber le processeur ; une
mémoire flash pour la sauvegarde
des données importantes
telles que l’OS et les applications,
qui rend le système autonome.
La taille de la mémoire vidéo doit
être suffisante pour stocker plusieurs
écrans afin de profiter des
fonctions d’accélération DMA
(2,3Mo environ par écran 1024
par 768 en mode couleurs réelles
avec 1 octet pour chaque composante,
rouge, vert, bleu). Seule
une mémoire dynamique permet
de stocker de telles masses de
données (exclusivement des
images) pour un coût minimal.
Actuellement, les deux mémoires
SDram ont une taille de 16 Mo
chacune, qui pourrait être étendue
à 32 Mo (voire 64 pour la
vidéo) sur la prochaine génération
capable de traiter des résolutions
de 1024x768 pixels.
La faible quantité de composants
permet d’obtenir une carte de
faible encombrement. Par
exemple, la carte d’évaluation,
complètement autonome (alimentation
comprise pour une
consommation de 400 mA sous
35

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5V), mesure 100mm par 110mm
pour un circuit imprimé quatre
couches. Il est naturellement possible
d’intégrer les composants
Bornéo sur sa propre carte (voire
dans un système sur puce), afin
d’en minimiser un peu plus l’encombrement.
Des périphériques
spécialisés pour l’affichage
Le traitement graphique et la gestion
vidéo requièrent une importante
puissance de calcul. La performance
est assurée par
l’intégration d’unités spécialisées
dans le composant Bornéo. Tout
d’abord le processeur Java dispose
de la puissance nécessaire
à l’exécution des programmes
Java mais également d’applications
natives. Bilingue C/Java et
nommé JAP, il a été élaboré en
collaboration avec le CEA (voir
encadré). Son jeu d’instructions
natif lui assure la rapidité nécessaire
à l’exécution de sections
critiques telles que le système
d’exploitation, compilées à partir
du langage C. L’interprétation
directe et rapide du «byte-code»
Java lui donne accès à toutes les
ressources du langage (souplesse,
sécurité,API, etc.). Le byte-code
Java est ce que fournit le compilateur
Java (dans les fichiers d’extension
«.class»). Le processeur
JAP possède de la logique câblée
pour la majorité des byte-codes.
Seuls quelques-uns sont interprétés
de manière logicielle
(moteur Java) car trop complexes
à réaliser matériellement (allocation
d’objet, gestion des exceptions…).
Une unité d’accélération graphique
à deux dimensions prend
en charge le traitement des primitives
graphiques telles que le
déplacement d’image, le remplissage
de zones, le clipping, la
gestion de transparence, etc. Elle
est essentiellement constituée
d’une interface d’accès direct à
la mémoire (DMA), libérant le
processeur des tâches de déplacement
mémoire fréquemment
utilisées. La DMA travaille essentiellement
dans la mémoire vidéo,
ce qui permet au processeur de
continuer l’exécution du programme
en parallèle. Si la DMA
fonctionnait dans la mémoire de
travail pour alimenter la mémoire
vidéo, elle monopoliserait la première
et ralentirait le processeur:
ce dernier ne fonctionne qu’à
➜ La société Advanced
Electronic Design a été
fondée en 1997 par Alain
Houelle et Nicolas Vaucher,
docteurs de l’université
parisienne Pierre et Marie
Curie. Spécialisée dans la
conception de circuits
intégrés VLSI, la société a
débuté par la conception de
systèmes de traitement du
signal pour des applications
militaires. Par la suite, l’étude
et le développement d’un
système programmable
performant, capable de
garantir la pérennité et la
6,25 MHz dans la version présentée
ici, alors que l'accélérateur
vidéo opère sous 50 à
60MHz selon la résolution traitée.
Le contrôleur vidéo, paramétrable
et capable de piloter tous types
d’écrans CRT/LCD travaillant en
phase avec l’accélérateur graphique,
gère le flux constant et
soutenu des pixels de la mémoire
vidéo vers l’écran (figure 2).
Un FPGA flash
Des unités annexes peuvent être
ajoutées en fonction des besoins
de l’application. En effet, afin de
La plate-forme IHM Bornéo
Accélérateur
graphique
2D
Processeur Java
JAP
Circuit Bornéo
L’historique du processeur Java
Principale
SDram
Contrôleurs
SDram
sécurité des applications
pour le compte du CEA/DAM,
ont fortement orienté les
activités d’AED: ce projet
a donné naissance à une
plate-forme Java, nommée
JAP, adaptée aux applications
embarquées et basée sur
un système d’exploitation et
un processeur dédiés.
L’intérêt pour cette plateforme
a crû très rapidement.
Elle a été adaptée au
domaine spatial par EADS/
Astrium.
Consciente du potentiel d’un
tel système, la société AED a
répondre aux nombreux besoins
du marché, la solution se doit
d’être fortement configurable :
nombre de compteurs, de liens
de communication, interface pour
dalle tactile, contraintes de sécurité,
watchdog, timers, codecs
multimédias… Le choix du composant
cible pour l’intégration
s’est donc naturellement porté
sur un circuit programmable de
type FPGA. Parmi les offres du
marché, nous avons opté pour la
famille ProAsic Plus d’Actel. Sa
technologie flash répond précisément
aux contraintes imposées
Mémoires
Vidéo
SDram
Contrôleurs
SDram
Flash
Contrôleur
CRT/TFT
Persistante
par les systèmes Bornéo et Jexar.
D’une part au niveau de l’encombrement,
car un tel FPGA ne
nécessite pas de flash de configuration
externe. Le système de
démarrage s’en trouve simplifié
et totalement fiable.
D’autre part, la protection de la
configuration du FPGA, cœur
même du système, est aussi une
priorité pour la société AED qui
a développé une culture de marchés
sensibles tels que militaire et
spatial. La technologie flash d’Actel
permet de verrouiller la configuration
à l’intérieur même du
circuit. Il n’y a donc plus de transactions
externes vulnérables aux
tentatives de «reverse engineering».
Cette protection concerne
donc non seulement les blocs de
la solution Bornéo, mais également
les périphériques propriétaires
que l’utilisateur souhaite
intégrer dans le FPGA.
La gamme des composants Actel
est disponible en boîtier PQFP208,
compatibles broche à broche, ce
qui a permis de minimiser les
coûts de fabrication. En effet, la
conception d’une seule et même
carte suffit pour être compatible
avec toute la gamme des circuits.
Il est alors possible, en fonction
de la complexité et de l’application
et du volume des blocs IP
introduits par l’utilisateur, de
choisir simplement le composant
en boîtier PQFP208 le plus
adapté, pour des complexités
allant de 75 000 à 1 million de
portes systèmes. La solution Bornéo
standard, présentée dans cet
article, occupe environ 250 000
portes Asic (15000 tuiles sur un
Actel APA600).
ALAIN HOUELLE (AED)
36 Décembre 2004 n°153 - Electronique
Timers
Uart
Boot
Flash
FIGURE 2
Le circuit Bornéo intègre le processeur JAP, les contrôleurs mémoire et
LCD, ainsi qu’un accélérateur graphique 2D. Etant donné sa réalisation
en logique programmable, un certain nombre de liens de communication
et fonctions matérielles autres peuvent être envisagés.
signé un accord d’exploitation
exclusive avec le CEA afin de
commercialiser la solution
Java pour des applications
civiles grand public.
En plus du système Bornéo
ici présenté, AED commercialise
une seconde solution Java
clés en main sous le label
Jexar, également déclinée de
la plate-forme JAP et dédiée
aux applications embarquées.
Jexar est spécialisée pour les
applications fortement calculatoires
et a été développée
pour les applications
spatiales et militaires. En sus
Affichage
couleur
du processeur Java, elle
comprend une unité dédiée au
calcul arithmétique flottant
(compatible IEEE-754).
Autre déclinaison de la plateforme
JAP, Bornéo est
spécialisée pour l’exécution
d’IHM couleur embarquées ou
déportées. Elle est applicable
à tout système embarqué doté
d’un écran.
Sur le Web…
Pour plus d’informations
sur le processeur JAP
www.a-e-d.com