Plan de cours

École de technologie supérieureDépartement de génie électriqueResponsable(s)du cours :Bruno De KelperCrédits : 3ELE784ORDINATEURS ET PROGRAMMATION SYSTÈMEPréalable(s) : AucunPLAN DE COURS – SESSION AUTOMNE 20131. Coordonnées de l’enseignantGroupe 01: Bruno De Kelper (Bruno.DeKelper@etsmtl.ca)2. Descriptif officiel du coursÉtudier la structure fonctionnelle d’un ordinateur et le fonctionnement de ses diversescomposantes, avec un accent sur l’interaction matériel-logiciel en s’appuyant sur laprogrammation de bas niveau en langage évolué.Architecture de base d’un ordinateur. Architecture fonctionnelle d’un processeur génériqueet de quelques processeurs spécialisés tels que les microcontrôleurs et les DSP. Modèle« machine » d’un programme et notions de compilation, comprenant les méthodesd’optimisation. Périphériques d’entrée/sortie : leur intégration dans le système et lesnotions de pilote d’interface. Notions de base d’un noyau de système d’exploitation.Séances de laboratoire effectuées en langage évolué et visant la familiarisation avec ledéveloppement de micro-noyaux et de pilotes d’interface (PCI, USB, etc.) ainsi quel’utilisation des ressources du système (DMA, APIC, etc.).3. Objectifs spécifiques du coursÀ la fin de ce cours, l’étudiant(e) sera capable de :- Comprendre les systèmes d’exploitation (OS) multitâches modernes tel que Linux.- Concevoir et de réaliser des pilotes d’interfaces dans le contexte des OS modernes.- Utiliser la synchronisation des tâches et les interruptions du matériel.- Évaluer et mesurer la performance d’un programme ou un morceau de programme.- Optimiser le code d’un programme en lien avec les capacités du processeur et de lamémoire.- Comprendre et utiliser à bon escient la mémoire cache et le pipeline du système.4. Stratégies pédagogiques utilisées- Un cours magistral par semaine.- Laboratoires : douze (12) séances de 2 heuresSession automne 2013 ELE784 – ORDINATEURS ET PROGRAMMATION SYSTÈME 1

5. Contenu du coursDate Contenus traités dans le cours Heures1. Introduction – OS multitâches3 heures- Système d’exploitation Linux.- Espaces usager, noyau et interruption.- Notion de préemption et de changement de contexte.- Appels système, interruptions matériel et logiciel.- Notions de processus, fil d’exécution et de tranche detemps.2. Synchronisation dans un OS multitâches3 heures- Région critique, opérations atomiques et conditions decourse.- Verrouillage et inter-blocage.- Sémaphores, mutexes et spinlocks.- Sémaphores et spinlocks « lecteur / écrivain ».3. Introduction aux pilotes d’interfaces3 heures- Notions de pilote et types de pilote.- Un pilote simple – le « char driver ».- Structures de données importantes.- Déclaration d’un pilote.4. Notions plus avancées de pilote3 heures- Le IOCTL.- Les I/O bloquants.- Recenser et sélectionner un matériel.- Notification asynchrone.5. Communication avec le matériel3 heures- Les ports I/O et les ports mémoire.- L’utilisation de ports I/O et de ports mémoire.6. Le traitement des interruptions- Installation d’un gestionnaire d’interruption,activation/désactivation d’interruptions.- Implémentation d’un gestionnaire d’interruption.- La moitié haute et la moitié basse d’un gestionnaired’interruption.- Le partage d’interruption.- Les I/O pilotés par interruption.7. Le pilote PCI et le pilote USB- L’interface PCI et les autres buses d’un PC.- Les buses SBus, NuBus et externes.- Les bases des appareils USB.- Le pilote USB et Sysfs, les USB Urbs.- Écrire un pilote USB et les transferts USB sans Urbs.3 heures3 heuresSession automne 2013 ELE784 – ORDINATEURS ET PROGRAMMATION SYSTÈME 2

8. Les techniques de déverminage d’un pilote- Le support de déverminage du noyau.- Déverminage par impression, par interrogation et parobservation.- Déverminage des fautes du système.- Les outils de déverminage.9. Introduction au matériel- Le matériel (processeur / mémoires / périphériques).- L’architecture des processeurs et le processeur Y86.- Notions générales de pipeline.- Le pipeline du processeur Y86.10. Optimisation des performances d’un programme- Capacités et limitations d’optimisation des compilateurs.- Mesurer et exprimer les performances d’un programme.- Méthodes et techniques d’optimisation.- Identification et élimination des goulets de performance.3 heures3 heures6 heures11. Hiérarchies de mémoire6 heures- Les technologies de stockage de données.- Le principe de localité et les hiérarchies de mémoire.- La mémoire cache.- Écrire un programme « gentil » pour la mémoire cache.- Impact de la mémoire cache sur les performances d’unprogramme.- Exploiter la localité dans un programme.Total 396. Laboratoires ou travaux pratiquesDate Description HeuresLe laboratoire consiste à développer un pilote USB pour une 24 heurespetite caméra Web mobile ainsi qu’un programme qui utilise cepilote pour communiquer avec la caméra. Dans un premiertemps, il s’agit de configurer et de compiler le noyau Linux quisera utilisé sur le système. Ensuite, le cœur du pilote USB seraconçu, auquel s’ajoutera des fonctionnalités de plus haut niveauet qui seront fournies. Finalement, l’application sera développéepour utiliser ce pilote. Cette application sera entièrementoptimisée tant au niveau du code que de son utilisation dumatériel (processeur, mémoire, etc.).Total 247. Utilisation d’outils d’ingénierie- QuickCam® Orbit MP de LogitechSession automne 2013 ELE784 – ORDINATEURS ET PROGRAMMATION SYSTÈME 3

8. Évaluation –Activité Description %Date deremiseExamen périodiques 30 % 30 octobreExamen final 30 %Projet 40 %9. Documentation recommandéeCorbet, J., Rubini, A., Kroah-Hartman, G., Linux Device Drivers, 3rd Edition, O’Reilly Media,2005.10. Ouvrages de référenceBryant, R.E., O’Hallaron, D.R., Computer Systems – A Programmer’s Perspective, PrenticeHall, 2003.Love, R., Linux Kernel Development, 2nd Edition, Novell Press, 2005.Session automne 2013 ELE784 – ORDINATEURS ET PROGRAMMATION SYSTÈME 4

ELE784 – ORDINATEURS ET PROGRAMMATION SYSTÈMEANNEXE I1. Caractéristiques du cours – Information fixe / rappel• Responsable(s) du cours : Bruno De Kelper• Coordonnées de l’enseignant :Groupe 01: Bruno De Kelper (Bruno.DeKelper@etsmtl.ca)• Préalables :Aucun• Crédits : 32. Descriptif officiel du coursÉtudier la structure fonctionnelle d’un ordinateur et le fonctionnement de ses diversescomposantes, avec un accent sur l’interaction matériel-logiciel en s’appuyant sur laprogrammation de bas niveau en langage évolué.Architecture de base d’un ordinateur. Architecture fonctionnelle d’un processeur génériqueet de quelques processeurs spécialisés tels que les microcontrôleurs et les DSP. Modèle «machine » d’un programme et notions de compilation, comprenant les méthodesd’optimisation. Périphériques d’entrée/sortie : leur intégration dans le système et lesnotions de pilote d’interface. Notions de base d’un noyau de système d’exploitation.Séances de laboratoire effectuées en langage évolué et visant la familiarisation avec ledéveloppement de micro-noyaux et de pilotes d’interface (PCI, USB, etc.) ainsi quel’utilisation des ressources du système (DMA, APIC, etc.).3. Répartition des unités d’agrément du BCAPGMathsSciencesnaturellesÉtudescomplémentairesScience dugénieConceptionen ingénierieTotal0,0 0,0 0,0 29,4 29,4 58,84. Qualités (Qx) et compétences (Cy) enseignées et ou évaluéesQualitéAnalyse de problèmesCapacité d’utiliser les connaissances et lesprincipes appropriés pour identifier, formuler,analyser et résoudre des problèmesd’ingénierie complexes et en arriver à desconclusions étayées.CompétenceÉtablir le contexte et les paramètres des problèmes,incluant les problèmes mal définis;Choisir un modèle ou une méthode utilisé pourrésoudre un problème, incluant les notions, lesconcepts ou les relations physiques pour identifierdes pistes de solution;Session automne 2013 ELE784 – ORDINATEURS ET PROGRAMMATION SYSTÈME 5

InvestigationCapacité d’étudier des problèmes complexes aumoyen de méthodes mettant en jeu laréalisation d’expériences, l’analyse etl’interprétation des données et la synthèse del’information afin de formuler des conclusionsvalides.ConceptionCapacité de concevoir des solutions à desproblèmes d’ingénierie complexes et évolutifset de concevoir des systèmes, des composantsou des processus qui répondent aux besoinsspécifiés, tout en tenant compte des risquespour la santé et la sécurité publiques, desaspects législatifs et réglementaires, ainsi quedes incidences économiques,environnementales, culturelles et sociales.Utilisation d’outils d’ingénierieCapacité de créer et de sélectionner destechniques, des ressources et des outilsd’ingénierie moderne et de les appliquer, deles adapter et de les étendre à un éventaild’activités simples ou complexes, tout encomprenant les contraintes connexes.Travail individuel et en équipeCapacité de fonctionner efficacement en tantque membre ou chef d’équipe, de préférencedans un contexte de travail multidisciplinaire.CommunicationHabileté à communiquer efficacement desconcepts d’ingénierie complexes, au sein de laprofession et au public en général, notammentlire, rédiger, parler et écouter, comprendre etrédiger de façon efficace des rapports et de ladocumentation pour la conception, ainsiqu’énoncer des directives claires et y donnersuite.ProfessionnalismeCompréhension des rôles et des responsabilitésde l’ingénieur dans la société, y compris le rôleessentiel de protection du public et l’intérêtpublic.Appliquer le modèle ou la méthode en vue derésoudre le problème.Planifier l’ensemble du processusd’expérimentation;Appliquer les méthodologies d’expérimentationéprouvées;Interpréter les résultats en tenant compte ducontexte et des hypothèses de travail en vue deformuler des conclusions valides.Développer des concepts en se basant sur lesprincipes de l’ingénierie;Intégrer les concepts pour la réalisation de lasolution en fonction des contraintes identifiéespréalablementAppliquer les outils et techniques dans des projetsd’ingénierie;Créer des applications par l’intégration des outils ettechniques existants.Propose différentes idées ou solutions enincorporant le feedback des membres de l’équipe;Supporte le leader de l’équipe et assure leleadership si nécessaire.Rédiger des rapports techniques documentantefficacement un travail d'ingénierie;Citer correctement ses sources de référence dans untravail.Délimiter les responsabilités de l'ingénieur dans desmises en situation concrètes;Mettre en pratique ses compétencesprofessionnelles en situations de travail réel eningénierie.Session automne 2013 ELE784 – ORDINATEURS ET PROGRAMMATION SYSTÈME 6

Apprentissage continuCapacité à cerner et à combler ses propresbesoins de formation dans un monde enconstante évolution, et ce, de façon à maintenirsa compétence et à contribuer à l’avancementdes connaissances.Identifier ses forces et ses faiblesses;Faire le bilan des progrès réalisés.5. ÉvaluationAbsence à un examenDans les cinq (5) jours ouvrables suivant la tenue de son examen, l’étudiant devra justifierson absence d’un examen durant le trimestre auprès de la coordonnatrice – Affairesdépartementales qui en référera au directeur du département. Pour un examen final,l’étudiant devra justifier son absence auprès du Bureau du registraire. Toute absence nonjustifiée par un motif majeur (maladie certifiée par un billet de médecin, décès d’un parentimmédiat ou autre) à un examen entraînera l’attribution de la note zéro (0).Plagiat et fraudeLes clauses du « Chapitre 10 : Plagiat et fraude » du « Règlement des études de 1 er cycle »s’appliquent dans ce cours ainsi que dans tous les cours du département. Afin de sesensibiliser au respect de la propriété intellectuelle, tous les étudiants doivent consulter lapage Citer, pas plagier ! http://www.etsmtl.ca/Etudiants-actuels/Cycles-sup/Realisationetudes/Citer-pas-plagierSession automne 2013 ELE784 – ORDINATEURS ET PROGRAMMATION SYSTÈME 7