Evaluation de la consommation en énergie des programmes

Promotion 2013/2014
N° d’ordre : ……………………………………
UNIVERSITE MOHAMMED BOUDIAF-M’SILA
FACULTE DE TECHNOLOGIE
DEPARTEMENT D’ELECTRONIQUE
MEMOIRE
Présenté pour obtenir le diplôme de
MAGISTER
EN ELECTRONIQUE
Par
BENDIB AHMED
Option : Commande des systèmes électro-énergétiques
SUJET
Soutenu publiquement le : 15/12/2014 Devant le jury composé de :
Pr. CHIKOUCHE Djamel Prof. Univ M’sila Président
Pr. BOUAMAR Mohamed Prof. Univ M’sila Rapporteur
Dr. HOCINI Abdeslam MCA Univ M’sila Examinateur
Dr. KHEDROUCHE Djamel MCA Univ M’sila Examinateur
Evaluation de la consommation en énergie des
programmes implantés dans les systèmes
embarqués à base de microprocesseurs DSPs

REMERCIEMENTS
Je tiens à remercier premièrement mon encadreur, Monsieur le Pr. BOUAMAR
Mohamed, Professeur à l’université de M’sila pour avoir accepté de m'encadrer et de me
suivre tout au long de la réalisation de ce mémoire, pour son caractère de noblesse
incomparable, pour sa générosité et sa grande patience dont il a su faire preuve malgré ses
charges académiques et professionnelles. Je pourrai cordialement lui exprimer mes profonds
remerciements pour son soutien et sa présence dans les moments les plus pénibles. Qu’il
trouve ici l’expression de ma gratitude pour la confiance qu’il m’a faite.
Je remercie Monsieur le Pr. CHICOUCHE Djamel, Professeur à l’université de M’sila
pour l’honneur qu’il me fait en présidant ce jury, et par son esprit scientifique de haut niveau,
pour m’avoir orienté vers le plus approprié.
J’adresse également mes très sincères remerciements à l’ensemble des membres pour
l’honneur qu’ils m’ont fait pour avoir accepter de faire partie de ce jury en acceptant
d’examiner et d’évaluer ce travail. J’exprime mes vifs respects au Dr. HOCINI Abdeslam,
Maître de conférences (A) à l’université de M’sila et au Dr. KHEDROUCHE Djamel, Maître
de conférences (A) à l’université de M’sila. Soyez assurés messieurs les membres du jury de
ma profonde reconnaissance de l’attention que vous avez portée à ce mémoire et pour le
temps que vous avez consacré à son évaluation.
Finalement, je remercie tous mes amis, particulièrement KHERBACHI Abdelhammid
ainsi que toutes les personnes qui ont contribué de près ou de loin à ce modeste travail.

Résumé :
Les processeurs de traitement numérique du signal (DSPs), essentiellement à virgule fixe, ont
acquis depuis quelques années un intérêt particulier dans les applications embarquées. Un domaine où
la consommation d'énergie des dispositifs conçus doit être maîtrisée et minimisée. Leur utilisation est
courante dans différents domaines, spécialement dans l’industrie, la commande de processus, le
multimédia, les techniques spatiales, les techniques de navigation, ainsi que dans les nouvelles
technologies de l'information et de la communication.
L’objectif recherché dans le cadre de ce mémoire, est l’étude, l’évaluation et l’optimisation des
performances de programmes implantés dans les DSPs, en vue de minimiser leur consommation en
énergie. L’optimisation de l’énergie, contrainte majeure des systèmes embarqués, est à montrer à
travers une application en assembleur basée sur le calcul FFT dans un processeur DSP à virgule fixe.
Mots clés : Applications embarqués, Consommation d’énergie, Processeurs DSPs, DSP à virgule fixe,
Assembleur, Optimisation d’énergie.
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Abstract:
The digital signal processors (DSPs), essentially with fixed-point, have acquire a particular interest
in the last years in the embedded applications. A domain where the power consumption of the
conceived devices must be mastered and minimized. Their use is current in different domains,
especially in industry, the control of process, the multimedia, space techniques, navigation techniques,
as well as the new technologies of information and communication.
The objective being searched in the frame of this memoire is the study, the evaluation and the
optimization of the performances of programs implanted in the DSPs, in order to minimize their
consumption of energy. Energy optimization, the major constraint of embedded systems, is to be
shown by an application in the assembly language based on the calculation of FFT in a fixed-point
DSP processor.
Key words: Embedded systems, Energy consumption, DSP processors, Fixed point DSP, Assembly
language, Energy optimization

Table des matières
TABLE DES MATIERES
Introduction Générale
Introduction Générale .............................................................................................................................. 1
Chapitre I
Consommation d'énergie dans les systèmes embarqués
1. Introduction ...................................................................................................................................... 4
2. Les systèmes embarqués ................................................................................................................. 5
2.1. Introduction .............................................................................................................................. 5
2.2. Caractéristiques principales ...................................................................................................... 5
2.3. Architecture des systèmes embarqués ...................................................................................... 7
2.3.1. Les systèmes embarqués de première génération ............................................................. 7
2.3.2. Les systèmes embarqués de deuxième génération ........................................................... 8
2.3.3. Les systèmes embarqués de troisième génération ........................................................... 9
2.4. Utilisations des systèmes embarqués...................................................................................... 11
2.5. Contraintes des systèmes embarqués...................................................................................... 11
2.5.1. Temps réel et Activités .................................................................................................... 11
2.5.2. Consommation énergétique ............................................................................................. 12
2.5.3. Mémoire .......................................................................................................................... 12
2.5.4. Tolérance aux fautes ........................................................................................................ 12
2.5.5. Hétérogénéité .................................................................................................................. 13
3. La consommation d’énergie dans les systèmes embarqués .......................................................... 13
3.1. La consommation dans les architectures électroniques .......................................................... 13
3.1.1. Consommation dans les circuits CMOS ......................................................................... 13
3.1.1.1. Consommation dynamique ........................................................................................ 15
3.1.1.2. Consommation statique ............................................................................................. 16
3.2. Les techniques d’évaluation et d’optimisation de la consommation ...................................... 17
3.2.1. Évaluation et gestion de la consommation au niveau transistor ...................................... 17
3.2.1.1. Techniques et outils d’évaluation de la consommation au niveau transistor ............ 17
3.2.1.2. Méthodes de gestion de la consommation au niveau transistor ................................ 18
3.2.2. Évaluation et gestion de la consommation au niveau RTL .............................................. 19

Table des matières
3.2.3. Évaluation et gestion de la consommation au niveau système ......................................... 20
3.2.3.1. Techniques et outils d’évaluation de la consommation au niveau système .............. 21
3.2.3.2. Méthodes de gestion de la consommation au niveau système .................................. 24
4. Les Processeurs dans les systèmes embarqués ............................................................................... 26
4.1. Architectures embarquées ..................................................................................................... 27
4.1.1. Les processeus DSPs ....................................................................................................... 27
4.1.2. Les circuits FPGAs .......................................................................................................... 28
4.1.3. Les circuits ASICs ........................................................................................................... 28
4.2. Estimation de la consommation de puissance de processeurs au niveau système .................. 29
4.2.1. Niveau fonctionnel ......................................................................................................... 29
4.2.2. Niveau instruction .......................................................................................................... 30
4.2.3. Hybride ........................................................................................................................... 31
5. Conclusion ..................................................................................................................................... 32
Chapitre II
Les Processeurs DSP à virgules fixe et flottante
1. Introduction .................................................................................................................................... 33
2. Généralités sur les processeurs DSPs ............................................................................................. 33
2.1. Introduction ............................................................................................................................ 33
2.2. Spécificités des DSPs ............................................................................................................. 35
2.2.1. Principale distinction entre un microprocesseur et un DSP ........................................... 35
2.2.1.1. L'opération MAC ...................................................................................................... 35
2.2.1.2. L'accès à la mémoire ................................................................................................. 36
2.5. Performances des DSPs ........................................................................................................ 36
2.5.1. Mesure de vitesse de calcul ............................................................................................. 37
2.5.2. Mesure du temps d’exécution (« Benchmark ») .............................................................. 38
3. Critères de choix d’un processeur DSP .......................................................................................... 39
3.1. Arithmétique de calcul ........................................................................................................... 40
3.2. Dynamique des mots .............................................................................................................. 40
3.3. Vitesse de calcul ..................................................................................................................... 41
3.4. Organisation de la mémoire ................................................................................................... 41
3.5. Facilité de développement ...................................................................................................... 42
3.6. Appui multiprocesseur ........................................................................................................... 42
3.7. Consommation d’énergie ....................................................................................................... 43