嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性問題
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關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng) 實(shí)時(shí)性 快速性 操作系統(tǒng)
隨著后PC時(shí)代以及網(wǎng)絡(luò)、通信技術(shù)時(shí)代的到來，大量的計(jì)算機(jī)專業(yè)人員進(jìn)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(jī)的形式，應(yīng)用在傳統(tǒng)的電子技術(shù)領(lǐng)域中。因此，以計(jì)算機(jī)領(lǐng)域人員為主體的，遠(yuǎn)離對(duì)象系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)工程應(yīng)用模式，和以電子技術(shù)領(lǐng)域人員為主體，與對(duì)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(jì)算機(jī)工程應(yīng)用領(lǐng)域中作為一個(gè)新概念提出時(shí)，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(shí)時(shí)性”又是一例。
1 什么是電子系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性
任何一個(gè)電子系統(tǒng)都可看成是一個(gè)激勵(lì)-響應(yīng)系統(tǒng)。每個(gè)特定的電子系統(tǒng)都有一個(gè)從激勵(lì)輸入到響應(yīng)輸出的時(shí)間，即激勵(lì)-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(duì)象所規(guī)定的響應(yīng)時(shí)間ta要求，即T≤ta，這個(gè)系統(tǒng)便是實(shí)時(shí)的電子系統(tǒng)。
那末，什么是嵌入對(duì)象所要求的響應(yīng)時(shí)間ta呢？通常，不論哪一種電子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)象體系的控制管理要求，這些控制管理通常都會(huì)有一定的時(shí)間限制。例如，一個(gè)振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)振動(dòng)波形的檢測(cè)周期必須滿足采樣定理要求；飲料生產(chǎn)線上的計(jì)量、饈控制系統(tǒng)，必須在一個(gè)工位的移動(dòng)周期里完成秤量、封口的控制輸出；對(duì)于超市中使用的電子秤，在秤量時(shí)，希望能立即顯示出重量和計(jì)價(jià)金額；我們?nèi)粘Ｊ褂玫挠?jì)算機(jī)，在敲擊鍵盤時(shí)，也要求在顯示屏上快速地出現(xiàn)鍵盤輸入結(jié)果。因此，幾乎所有的電子系統(tǒng)都有一個(gè)客觀的響應(yīng)時(shí)間ta要求。這就電子系統(tǒng)普遍存在的實(shí)時(shí)性問題，即要求T≤ta。
2 三類電子應(yīng)用系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性
ta是電子系統(tǒng)具體應(yīng)用時(shí)，客觀應(yīng)用環(huán)境提出的具體響應(yīng)時(shí)間要求；不同類型電子系統(tǒng)的激勵(lì)-響應(yīng)時(shí)間T的不同，形成不同的實(shí)時(shí)性問題。我們可以按不同的激勵(lì)-響應(yīng)時(shí)間T的特點(diǎn)，將電子系統(tǒng)分為經(jīng)典電子系統(tǒng)、通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與嵌入式系統(tǒng)，來討論不同類型的電子應(yīng)用系統(tǒng)不同的實(shí)時(shí)性特點(diǎn)。
①經(jīng)典電子系統(tǒng)：不含計(jì)算機(jī)的純電子電路系統(tǒng)，例如，測(cè)量放大器、電子計(jì)數(shù)器、溫度指示器（由ADC、譯碼器、LED顯示器構(gòu)成）等，電路的動(dòng)態(tài)特性決定了系統(tǒng)響應(yīng)能力T的大小。經(jīng)典電子系統(tǒng)是一個(gè)激勵(lì)-響應(yīng)系統(tǒng)，從激勵(lì)到響應(yīng)的時(shí)間完全取決于電子在電路中的運(yùn)動(dòng)過程，因而，它具有極短的、相對(duì)固定不變的，從激勵(lì)到響應(yīng)的時(shí)間周期T。在大多數(shù)經(jīng)典電子應(yīng)用系統(tǒng)中，由電路的動(dòng)態(tài)特性決定了T值的大小。一般情況下，應(yīng)用系統(tǒng)的T遠(yuǎn)小于嵌入對(duì)象系統(tǒng)的響應(yīng)（ta）要求，因此，在經(jīng)典電子應(yīng)用領(lǐng)域中，應(yīng)用工程師的頭腦中沒有“實(shí)時(shí)性”名詞的概念，而對(duì)一些極快速響應(yīng)要求的應(yīng)用系統(tǒng)，如振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，它的實(shí)時(shí)性要求常常反映為電路系統(tǒng)的“頻率響應(yīng)”要求。
②通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)：是一個(gè)人機(jī)交互的激勵(lì)-運(yùn)行-響應(yīng)系統(tǒng)。它的激勵(lì)-響應(yīng)時(shí)間T表現(xiàn)為電路系統(tǒng)的激勵(lì)-響應(yīng)時(shí)間tc與軟件運(yùn)行時(shí)間ts，而電路系統(tǒng)的激勵(lì)-響應(yīng)時(shí)間與軟件運(yùn)行時(shí)間相比為高階小量，因而軟件運(yùn)行時(shí)間形成了T的主要成份，T=tc+ts≈ts。由于通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)只使用在人機(jī)交互環(huán)境中，對(duì)象（人）提出的響應(yīng)時(shí)間ta要求，只是一個(gè)期望值（盡量快），而這種欲望一方面表現(xiàn)為永無止盡，另一方面又表現(xiàn)出現(xiàn)實(shí)的可容忍性。因此，通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)非實(shí)時(shí)的電子系統(tǒng)，而快速性成為通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)展的永恒主題。
③嵌入式系統(tǒng)：由于計(jì)算機(jī)的嵌入，嵌入式系統(tǒng)也是一個(gè)激勵(lì)-運(yùn)行-響應(yīng)的電子系統(tǒng)。但是，它與嵌入對(duì)象體系交互時(shí)，要滿足事件交互過程的響應(yīng)要求。一方面，由于計(jì)算機(jī)的嵌入，嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)有十分可觀的激勵(lì)-響應(yīng)時(shí)間ts，導(dǎo)致系統(tǒng)實(shí)時(shí)能力的降低；另一方面，由于嵌入對(duì)象體系的多樣性、復(fù)雜性，不同的對(duì)象體系會(huì)提出不同的響應(yīng)時(shí)間ta要求。因此，在嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)中，必須考慮系統(tǒng)中每一個(gè)任務(wù)運(yùn)行時(shí)，能否滿足ts≤ta的要求，這就是嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性問題。
綜上所述，經(jīng)典電子系統(tǒng)應(yīng)用中，沒有顯出實(shí)時(shí)性的概念，是因?yàn)殡娮酉到y(tǒng)的激勵(lì)-響應(yīng)時(shí)間T極短，絕大多數(shù)電子系統(tǒng)都能滿足T≤ts要求；通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用中，沒有實(shí)時(shí)性概念，是因?yàn)閠a只有期望要求；而嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用中，必須考慮實(shí)時(shí)性問題，是因?yàn)檐浖\(yùn)行的時(shí)間耗費(fèi)ts，會(huì)使系統(tǒng)的激勵(lì)-響應(yīng)時(shí)間T巨額增加，而不能滿足嵌入對(duì)象系統(tǒng)提出的響應(yīng)時(shí)間ta要求，現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性問題。
3 嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性分析
3.1 嵌入式系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的出發(fā)點(diǎn)
嵌入式系統(tǒng)由于是嵌入到對(duì)象體系中的一個(gè)電子系統(tǒng)，與對(duì)象系統(tǒng)密切相關(guān)。而形形色色的對(duì)象系統(tǒng)會(huì)有不同的響應(yīng)時(shí)間ta要求，如動(dòng)態(tài)信號(hào)的采集系統(tǒng)、生產(chǎn)線的控制單元等，有嚴(yán)格的響應(yīng)時(shí)間要求；超市的秤重、計(jì)量、收銀機(jī)只要求有盡快的響應(yīng)時(shí)間；在同樣的動(dòng)態(tài)信號(hào)采集系統(tǒng)中系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間與信號(hào)的動(dòng)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(duì)象響應(yīng)要求（ta）的多樣性。
嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的激勵(lì)-運(yùn)行-響應(yīng)特性，形成了以軟件運(yùn)行時(shí)間ts為主要內(nèi)容的系統(tǒng)響應(yīng)能力T。而軟件運(yùn)行時(shí)間ts與指令速度、編程技巧、程序優(yōu)化等有關(guān)，是一個(gè)在應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)中可以改變的參數(shù)，它表現(xiàn)了嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)時(shí)能力的可變更性。
因此，ta的多樣性要求與響應(yīng)時(shí)間ts的可調(diào)整性，是嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性分析的基本出發(fā)點(diǎn)。根據(jù)嵌入對(duì)象ta的不同要求，調(diào)整、變更ts大小，以實(shí)現(xiàn)ts的最佳化，是嵌入式系統(tǒng)實(shí)時(shí)性設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。
3.2 嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性分析
（1）實(shí)時(shí)性與快速性
嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性不是一個(gè)快速性概念，而是一個(gè)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(shí)時(shí)性要求，而某些情況下滿足實(shí)時(shí)性要求時(shí)，系統(tǒng)的運(yùn)行速度并不高。例如，滿足溫度采集實(shí)時(shí)性要求的嵌入式系統(tǒng)，運(yùn)行速度并不高；而許多高速運(yùn)行的系統(tǒng)，未必能滿足沖擊振動(dòng)的信號(hào)采集的實(shí)時(shí)性要求?？焖傩灾环从沉讼到y(tǒng)的實(shí)時(shí)能力而已。
（2）系統(tǒng)的最佳實(shí)時(shí)
快速性是系統(tǒng)實(shí)時(shí)能力的表現(xiàn)。當(dāng)系統(tǒng)不能滿足實(shí)時(shí)性要求時(shí)，必須提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度，然而，運(yùn)行速度的提高必然帶來系統(tǒng)的一些負(fù)面效應(yīng)，如導(dǎo)致系統(tǒng)功耗加大、電磁兼容性下降。因此，在設(shè)計(jì)一個(gè)具體的嵌入式系統(tǒng)時(shí)，在保證能滿足實(shí)時(shí)性要求的條件下，應(yīng)使系統(tǒng)的運(yùn)行速度降到最低，以滿足系統(tǒng)在功耗、可靠性、電磁兼容性方面獲得最佳的綜合品質(zhì)。
（3）系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性分配
在一個(gè)嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中，有許多過程環(huán)節(jié)。例如，一個(gè)典型的智能儀表就有信號(hào)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(shí)間與空間上進(jìn)行，而且不同過程的實(shí)時(shí)性要求是不同的。鍵盤輸入、結(jié)果顯示是與人交互的，要滿足人機(jī)交互的實(shí)時(shí)性要求；信號(hào)采集與對(duì)象系統(tǒng)領(lǐng)帶的動(dòng)態(tài)性密切相在，必須滿足由動(dòng)態(tài)信號(hào)采集的實(shí)時(shí)性要求；而數(shù)據(jù)處理則會(huì)形成從動(dòng)態(tài)信號(hào)采集到結(jié)果顯示的時(shí)間延遲，影響到結(jié)果顯示的實(shí)時(shí)性要求。因此一個(gè)優(yōu)秀的實(shí)時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，必須研究系統(tǒng)中的每一個(gè)過程環(huán)節(jié)，滿足每一個(gè)過程環(huán)節(jié)和整個(gè)系統(tǒng)的最佳實(shí)時(shí)要求。
3．3 實(shí)時(shí)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)誤差
當(dāng)我們研究嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性時(shí)，與對(duì)象系統(tǒng)相關(guān)的過程，必然是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，否則便不存在實(shí)時(shí)性問題。對(duì)于任何動(dòng)態(tài)過程，由于時(shí)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(dòng)態(tài)過程的動(dòng)態(tài)誤差。例如，對(duì)于一個(gè)動(dòng)態(tài)信號(hào)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集時(shí)，在時(shí)間點(diǎn)t上啟動(dòng)采集命令，由于要執(zhí)行一系列控制指令，產(chǎn)生Δtm滯后；另外，A/D轉(zhuǎn)換器有一個(gè)轉(zhuǎn)換過程，產(chǎn)生Δtc滯后。由于這些時(shí)間滯后，致使在時(shí)間點(diǎn)t上采集的數(shù)據(jù)，實(shí)際上是時(shí)間點(diǎn)t+Δtm+Δtc上的信號(hào)數(shù)據(jù)，兩者之差便是系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集的動(dòng)態(tài)誤差。在A/D轉(zhuǎn)換中，常常會(huì)加入一個(gè)采樣/保持電路，就是為了在Δtc窗口上，使動(dòng)態(tài)信號(hào)值保持在Δtc的初始時(shí)間點(diǎn)上不變，便利信號(hào)值的變化只滯后t+Δtm，以減少動(dòng)態(tài)誤差。
由于系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)過程中控制的滯后，形成了某個(gè)任務(wù)環(huán)節(jié)上的動(dòng)態(tài)誤差，這個(gè)動(dòng)態(tài)誤差在對(duì)象系統(tǒng)的具體動(dòng)態(tài)過程確定后，與動(dòng)態(tài)過程的變化速率有關(guān)。在對(duì)象系統(tǒng)一個(gè)具體的動(dòng)態(tài)過程確定之后，應(yīng)根據(jù)對(duì)象動(dòng)態(tài)過程的變化率和允許的動(dòng)態(tài)誤差值，估算出系統(tǒng)的允許滯后時(shí)間，這一時(shí)間就是應(yīng)用系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)該動(dòng)態(tài)過程實(shí)時(shí)性要求的響應(yīng)時(shí)間ta。例如，在某一個(gè)動(dòng)態(tài)電壓信號(hào)數(shù)據(jù)采集中，信號(hào)的最大變化速率為0.1V/ms，只考慮采集控制滯后的誤差因素時(shí)，如該信號(hào)電壓給定的誤差應(yīng)為1mV，就可以最粗略地估算出滿足實(shí)練數(shù)據(jù)采集任務(wù)的響應(yīng)時(shí)間ta要求，ta=1mV/(100mV/1ms)=0.01ms。如果系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集時(shí)間耗費(fèi)ts能滿足ts≤ta這一要求，系統(tǒng)就能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。
4 嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性設(shè)計(jì)
4.1 系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性問題分析
由于嵌入式系統(tǒng)是嵌入到對(duì)象體系中的專用計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)象體系的智能化控制，因此，都存在著對(duì)象體系對(duì)控制過程的時(shí)間要求，與嵌入式系統(tǒng)能否滿足這一要求的實(shí)時(shí)性問題。在很多情況下，應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)中沒有涉及實(shí)時(shí)性設(shè)計(jì)，這是因?yàn)槟壳坝?jì)算機(jī)已有可觀的運(yùn)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(jì)中，實(shí)時(shí)性設(shè)計(jì)并不突出。
通常，由于嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的是對(duì)象系統(tǒng)的全面智能化控制，系統(tǒng)中會(huì)有許多相關(guān)的任務(wù)與過程。例如，一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不只是要實(shí)現(xiàn)對(duì)對(duì)象系統(tǒng)環(huán)境參數(shù)的采集，還要對(duì)采得的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對(duì)處理結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示，或?qū)崿F(xiàn)對(duì)外部環(huán)境的控制輸出，在這些進(jìn)程中，還可能有人工的外界干預(yù)等。因此，一個(gè)實(shí)時(shí)的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)，應(yīng)該在所有的過程中都能滿足T≈ts≤ta要求。由于系統(tǒng)中每個(gè)過程所要求的響應(yīng)時(shí)間ta不同，例如，對(duì)對(duì)象系統(tǒng)環(huán)境參數(shù)采集時(shí)，時(shí)間響應(yīng)要求決定于被采集參數(shù)的動(dòng)態(tài)特性；控制輸出時(shí)則取決了被控對(duì)象的控制品質(zhì)要求；信號(hào)數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)，雖然表現(xiàn)為快速響應(yīng)的期望要求，但占用了從激勵(lì)輸入到響應(yīng)輸出的中間環(huán)節(jié)。對(duì)這些環(huán)節(jié)的響應(yīng)時(shí)間要求，必須納入相關(guān)的任務(wù)中考慮。
因此，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性設(shè)計(jì)首先體現(xiàn)在應(yīng)用系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)中，要在總體設(shè)計(jì)中列出有實(shí)時(shí)性要求的任務(wù)，以及這些任務(wù)所要求的響應(yīng)時(shí)間ta（如果所有任務(wù)的響應(yīng)時(shí)間要求都是期望要求，則該應(yīng)用系統(tǒng)不是一個(gè)實(shí)時(shí)的應(yīng)用系統(tǒng)），然后考慮應(yīng)用系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)這些任務(wù)時(shí)，必須耗費(fèi)的時(shí)間ts。如果應(yīng)用系統(tǒng)中所有的任務(wù)過程都能滿足ts≤ta，則該應(yīng)用系統(tǒng)是一個(gè)本質(zhì)性實(shí)時(shí)系統(tǒng)。由于在考慮每個(gè)任務(wù)所必須耗費(fèi)的時(shí)間ts時(shí)，與使用的程序設(shè)計(jì)語言（是匯編還是高級(jí)語言）、程序應(yīng)用環(huán)境（是否使用操作系統(tǒng)）、硬件環(huán)境（時(shí)鐘系統(tǒng)、指令系統(tǒng)、CPU時(shí)序等）有關(guān)，因此本質(zhì)性實(shí)時(shí)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性與所系統(tǒng)使用的軟硬件平臺(tái)有關(guān)。
如果系統(tǒng)中有一些任務(wù)無法滿足ts≤ta要求，則必須進(jìn)行系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性設(shè)計(jì)。
4.2 嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性設(shè)計(jì)
根據(jù)系統(tǒng)的T≈ts≤ta要求，在一個(gè)具體的有實(shí)時(shí)性要求的應(yīng)用系統(tǒng)中，當(dāng)系統(tǒng)的任務(wù)確定以后，就可以估算出每個(gè)任務(wù)的時(shí)間響應(yīng)要求ta，在不考慮電路系統(tǒng)的中動(dòng)態(tài)過程時(shí)，嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性設(shè)計(jì)的中心任務(wù)是通過軟、硬件設(shè)計(jì)加快任務(wù)的運(yùn)行過程，以達(dá)到ts≤ta要求。然而，加快系統(tǒng)的運(yùn)行速度全帶來其它問題，應(yīng)在實(shí)時(shí)性設(shè)計(jì)中一并考慮。
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(shí)時(shí)系統(tǒng)，只有當(dāng)系統(tǒng)中對(duì)任務(wù)有嚴(yán)格時(shí)間限定時(shí)，才有系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性問題。例如，對(duì)打印機(jī)這樣一個(gè)嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)，人們并沒有嚴(yán)格的時(shí)間限定，只有一個(gè)“盡可能快的”期望要求，因此，這樣 的系統(tǒng)不是實(shí)時(shí)系統(tǒng)。
嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性設(shè)計(jì)通常會(huì)有以下幾種情況。
①本質(zhì)性實(shí)時(shí)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(shí)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。因此，這種應(yīng)用系統(tǒng)往往不必要考慮系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性設(shè)計(jì)。例如，一個(gè)溫度測(cè)量系統(tǒng)，由于溫度的大慣量特性，滿足一定動(dòng)態(tài)誤差條件下的溫度采集、數(shù)據(jù)處理、實(shí)時(shí)顯示與打印的響應(yīng)時(shí)間要求ta值很大，不必采取任何特殊的實(shí)時(shí)設(shè)計(jì)方法，就能滿足ts≤ta要求，因此，它是一個(gè)本質(zhì)性實(shí)時(shí)系統(tǒng)。
②通過實(shí)時(shí)性設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的實(shí)時(shí)系統(tǒng)。這種嵌入式系統(tǒng)在常規(guī)設(shè)計(jì)下，無法滿足實(shí)時(shí)性要求，但通過實(shí)時(shí)性設(shè)計(jì)，可以滿足實(shí)時(shí)性要求的系統(tǒng)。例如，一個(gè)倉儲(chǔ)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，要巡回監(jiān)測(cè)100點(diǎn)的入侵事件。從應(yīng)用要求的可靠性出發(fā)，要求系統(tǒng)對(duì)于任何一點(diǎn)入侵事件的響應(yīng)速度（ta）不得大于1s；而系統(tǒng)對(duì)單個(gè)入侵事件的采集、處理、輸出控制的實(shí)際激勵(lì)-響應(yīng)時(shí)間為0.2s。但在常規(guī)的巡回監(jiān)測(cè)方式下，對(duì)某一點(diǎn)監(jiān)測(cè)的時(shí)間間隔為ts=0.2100=20s。ts遠(yuǎn)大于ta,是一個(gè)非實(shí)時(shí)系統(tǒng)。但 這個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性是可以改變的，如果將每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)入侵事件的輸入激勵(lì)的查詢方式變?yōu)橹袛噍斎敕绞剑鼓骋槐O(jiān)測(cè)點(diǎn)的激勵(lì)-響應(yīng)的操作處理時(shí)間（ts）降到0.25s以內(nèi)，滿足ts≤ta要求，系統(tǒng)能實(shí)時(shí)地處理任何一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)上入侵事件，而成為一個(gè)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
③通過實(shí)時(shí)性設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)的任務(wù)實(shí)時(shí)。在系統(tǒng)有實(shí)時(shí)要求的情況下，系統(tǒng)能滿足實(shí)時(shí)性要求時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)是成功的；但系統(tǒng)不能滿足實(shí)時(shí)性要求時(shí)，我們常常會(huì)放棄它。例如，衛(wèi)星發(fā)射時(shí)，控制大廳墻面上，顯示衛(wèi)星軌跡的衛(wèi)星運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)地采集衛(wèi)星運(yùn)行參數(shù)，經(jīng)處理后，在大屏幕上實(shí)時(shí)地顯示出來，這是一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)。但是，無法實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星發(fā)射過程中意外事件的實(shí)時(shí)顯示。只能當(dāng)衛(wèi)星發(fā)射出現(xiàn)意外事故（如運(yùn)載火箭爆炸）時(shí)，出現(xiàn)衛(wèi)星軌跡的中斷。但是，作為彌補(bǔ)，我們可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)意外事故的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，高速、實(shí)時(shí)地采集與存儲(chǔ)火箭運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，并在火箭失事瞬間，將數(shù)據(jù)發(fā)回控制中心，實(shí)現(xiàn)意外事故監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，事故數(shù)據(jù)采集任務(wù)的實(shí)時(shí)性。對(duì)于一個(gè)沖擊振動(dòng)的譜分析系統(tǒng)，要求有振動(dòng)波形的采集、時(shí)域信號(hào)的頻譜分析、頻譜的圖形顯示等。由于沖擊振動(dòng)的信號(hào)過程時(shí)間極短，譜分析處理耗時(shí)過多，不可能實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性（振動(dòng)頻譜的實(shí)時(shí)顯示）要求，這時(shí)可以考慮將整個(gè)系統(tǒng)的操作過程分成一些獨(dú)立的部分。例如，將沖擊振動(dòng)譜分析系統(tǒng)的全部操作分成沖擊振動(dòng)信號(hào)的波形采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與波形信號(hào)的譜分析及其后續(xù)操作的兩個(gè)獨(dú)立的部分，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)采集、存儲(chǔ)關(guān)鍵任務(wù)的實(shí)時(shí)性要求。
4.3 關(guān)于嵌入式操作系統(tǒng)
在系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性設(shè)計(jì)中，核心的問題是降低軟件運(yùn)行時(shí)間。除了普遍的提高CPU指令運(yùn)行速度、采用高速I/O口、計(jì)數(shù)器的捕獲/比較、多機(jī)并行操作等軟、硬件措施外，就是程序設(shè)計(jì)技巧。而在系統(tǒng)程序中使用操作系統(tǒng)支持時(shí)，由于操作系統(tǒng)介入操作管理帶來的額外開銷，以及對(duì)任務(wù)的靈活調(diào)度管理，成為系統(tǒng)實(shí)時(shí)性設(shè)計(jì)的重要問題。
嵌入式操作系統(tǒng)使用在嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中。與通用操作系統(tǒng)相比，嵌入式操作系統(tǒng)有許多特點(diǎn)，如可靠性、可裁剪性、“實(shí)時(shí)性”等。前兩者是嵌入式應(yīng)用環(huán)境所要求的。，而“實(shí)時(shí)性”則是為了滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求的內(nèi)容。在一些文章中提到某些嵌入式操作系統(tǒng)時(shí)，常常冠以“實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)”，但它只是表現(xiàn)為該操作系統(tǒng)具有較好的實(shí)時(shí)能力。在沒有置身在一個(gè)具體嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中時(shí)，不存在實(shí)時(shí)性結(jié)論。不同的嵌入式操作系統(tǒng)比較時(shí)，可以有實(shí)時(shí)能力上的不同。任何一個(gè)嵌入式操作系統(tǒng)都應(yīng)有滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性設(shè)計(jì)的內(nèi)容（表現(xiàn)為任務(wù)的快速調(diào)度、快速運(yùn)行等），實(shí)時(shí)能力強(qiáng)的嵌入式操作系統(tǒng)能更容易地實(shí)現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。
結(jié)語
嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性設(shè)計(jì)要根據(jù)具體的系統(tǒng)，具體分析、具體設(shè)計(jì)，并不是所有的嵌入式系統(tǒng)都有實(shí)時(shí)性要求。嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性與快速性有關(guān)，在滿足ts≤ta時(shí)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(yùn)行速度，以及操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)能力的提高，本質(zhì)實(shí)時(shí)性的應(yīng)用系統(tǒng)會(huì)越來越多。
評(píng)論