淺談嵌入式系統(tǒng)的實時性問題

陳貴兵

摘 要：嵌入式系統(tǒng)是嵌入到對象體系中的計算機應(yīng)用系統(tǒng)，與對象系統(tǒng)交互，在實現(xiàn)對象系統(tǒng)某些任務(wù)過程時，對應(yīng)用系統(tǒng)會提出響應(yīng)時間的限定要求。由于應(yīng)用系統(tǒng)中軟件運行的時間耗費，常常不能滿足限定的時間響應(yīng)要求，由此而產(chǎn)生了嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的實時性問題。本文粗淺地歸納嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)實時性的諸多問題，希望引起大家關(guān)注。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；操作系統(tǒng)；實時性；快速性

隨著后PC時代以及網(wǎng)絡(luò)、通信技術(shù)時代的到來，大量的計算機專業(yè)人員進入了嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域；然而，有大量的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用是以單片機的形式，應(yīng)用在傳統(tǒng)的電子技術(shù)領(lǐng)域中。因此，以計算機領(lǐng)域人員為主體的，遠離對象系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)的計算機工程應(yīng)用模式，和以電子技術(shù)領(lǐng)域人員為主體，與對象系統(tǒng)緊耦合的電子技術(shù)應(yīng)用模式產(chǎn)生了概念上的碰撞。許多電子技術(shù)應(yīng)用模式熟視無睹、習(xí)以為常的概念，在計算機工程應(yīng)用領(lǐng)域中作為一個新概念提出時，常常使電子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域中的人員感到莫明其妙。以前的“嵌入式系統(tǒng)”概念是其一，而今“嵌入式系統(tǒng)的實時性”又是一例。

1 什么是電子系統(tǒng)的實時性

任何一個電子系統(tǒng)都可看成是一個激勵-響應(yīng)系統(tǒng)。每個特定的電子系統(tǒng)都有一個從激勵輸入到響應(yīng)輸出的時間，即激勵-響應(yīng)周期T，它表現(xiàn)為系統(tǒng)的響應(yīng)能力。如果系統(tǒng)的響應(yīng)能力T能滿足嵌入對象所規(guī)定的響應(yīng)時間ta要求，即T≤ta，這個系統(tǒng)便是實時的電子系統(tǒng)。

2 嵌入式系統(tǒng)的實時性分析

2.1 嵌入式系統(tǒng)實時性的出發(fā)點

嵌入式系統(tǒng)由于是嵌入到對象體系中的一個電子系統(tǒng)，與對象系統(tǒng)密切相關(guān)。而形形色色的對象系統(tǒng)會有不同的響應(yīng)時間ta要求，如動態(tài)信號的采集系統(tǒng)、生產(chǎn)線的控制單元等，有嚴格的響應(yīng)時間要求；超市的秤重、計量、收銀機只要求有盡快的響應(yīng)時間；在同樣的動態(tài)信號采集系統(tǒng)中系統(tǒng)的響應(yīng)時間與信號的動態(tài)特性有關(guān)。這些不同的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的不同響應(yīng)要求，表現(xiàn)了嵌入對象響應(yīng)要求（ta）的多樣性。

2.2 嵌入式系統(tǒng)的實時性分析

（1）實時性與快速性

嵌入式系統(tǒng)的實時性不是一個快速性概念，而是一個等式概念，即能否滿足ts≤ta的要求。因而，快速系統(tǒng)不一定能滿足系統(tǒng)的實時性要求，而某些情況下滿足實時性要求時，系統(tǒng)的運行速度并不高。

（2）系統(tǒng)的最佳實時

快速性是系統(tǒng)實時能力的表現(xiàn)。當系統(tǒng)不能滿足實時性要求時，必須提高系統(tǒng)的運行速度，然而，運行速度的提高必然帶來系統(tǒng)的一些負面效應(yīng)，如導(dǎo)致系統(tǒng)功耗加大、電磁兼容性下降。

（3）系統(tǒng)的實時性分配

在一個嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中，有許多過程環(huán)節(jié)。例如，一個典型的智能儀表就有信號采集、數(shù)據(jù)處理、結(jié)果顯示、鍵盤輸入等過程。這些過程往往是在不同的時間與空間上進行，而且不同過程的實時性要求是不同的。

2.3 實時系統(tǒng)的動態(tài)誤差

當我們研究嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的實時性時，與對象系統(tǒng)相關(guān)的過程，必然是一個動態(tài)過程，否則便不存在實時性問題。對于任何動態(tài)過程，由于時間的滯后，都不可能完成重現(xiàn)原過程，這之間的差異便是動態(tài)過程的動態(tài)誤差。

3 嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的實時性設(shè)計

3.1 系統(tǒng)的實時性問題分析

由于嵌入式系統(tǒng)是嵌入到對象體系中的專用計算機應(yīng)用系統(tǒng)，實現(xiàn)對象體系的智能化控制，因此，都存在著對象體系對控制過程的時間要求，與嵌入式系統(tǒng)能否滿足這一要求的實時性問題。在很多情況下，應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計中沒有涉及實時性設(shè)計，這是因為目前計算機已有可觀的運行速度，在大多數(shù)應(yīng)用系統(tǒng)中，都能滿足T≈ts≤ta，因此，在一般應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計中，實時性設(shè)計并不突出。

3.2 嵌入式系統(tǒng)的實時性設(shè)計

嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，并不是所有的應(yīng)用系統(tǒng)都要求是實時系統(tǒng)，只有當系統(tǒng)中對任務(wù)有嚴格時間限定時，才有系統(tǒng)的實時性問題。嵌入式系統(tǒng)的實時性設(shè)計通常會有以下幾種情況。

①本質(zhì)性實時系統(tǒng)。在這一類應(yīng)用系統(tǒng)中，系統(tǒng)總體及任務(wù)的時限要求ta都不高，常規(guī)的軟硬件技術(shù)都能滿足ts≤ta要求。

②通過實時性設(shè)計實現(xiàn)的實時系統(tǒng)。這種嵌入式系統(tǒng)在常規(guī)設(shè)計下，無法滿足實時性要求，但通過實時性設(shè)計，可以滿足實時性要求的系統(tǒng)。

③通過實時性設(shè)計實現(xiàn)的系統(tǒng)的任務(wù)實時。在系統(tǒng)有實時要求的情況下，系統(tǒng)能滿足實時性要求時，系統(tǒng)設(shè)計是成功的；但系統(tǒng)不能滿足實時性要求時，我們常常會放棄它。

4 結(jié)束語

嵌入式系統(tǒng)的實時性設(shè)計要根據(jù)具體的系統(tǒng)，具體分析、具體設(shè)計，并不是所有的嵌入式系統(tǒng)都有實時性要求。嵌入式系統(tǒng)的實時性與快速性有關(guān)，在滿足ts≤ta時并不是越快越好。考慮到系統(tǒng)的功耗及可靠性，應(yīng)在滿足ts≤ta條件下，越慢越好。隨著嵌入式系統(tǒng)運行速度，以及操作系統(tǒng)實時能力的提高，本質(zhì)實時性的應(yīng)用系統(tǒng)會越來越多。

參考文獻

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