嵌入式系統(tǒng)實時性的問題

如果系統(tǒng)中有一些任務無法滿足ts≤ta要求，則必須進行系統(tǒng)的實時性設(shè)計。

4.2 嵌入式系統(tǒng)的實時性設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)的T≈ts≤ta要求，在一個具體的有實時性要求的應用系統(tǒng)中，當系統(tǒng)的任務確定以后，就可以估算出每個任務的時間響應要求ta，在不考慮電路系統(tǒng)中的動態(tài)過程時，嵌入式系統(tǒng)的實時性設(shè)計的中心任務是通過軟、硬件設(shè)計來加快任務的運行過程，以達到ts≤ta要求。然而，加快系統(tǒng)的運行速度會帶來其它問題，應在實時性設(shè)計中一并考慮。

嵌入式系統(tǒng)的應用領(lǐng)域十分廣泛，并不是所有的應用系統(tǒng)都要求是實時系統(tǒng)，只有當系統(tǒng)中對任務有嚴格時間限定時，才有系統(tǒng)的實時性問題。例如，對打印機這樣一個嵌入式應用系統(tǒng)，人們并沒有嚴格的時間限定，只有一個“盡可能快的”期望要求，因此，這樣的系統(tǒng)不是實時系統(tǒng)。

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)。在這一類應用系統(tǒng)中，系統(tǒng)總體及任務的時限要求ta都不高，常規(guī)的軟硬件技術(shù)都能滿足ts≤ta要求。因此，這種應用系統(tǒng)往往不必要考慮系統(tǒng)的實時性設(shè)計。例如，一個溫度測量系統(tǒng)，由于溫度的大慣量特性，滿足一定動態(tài)誤差條件下的溫度采集、數(shù)據(jù)處理、實時顯示與打印的響應時間要求ta值很大，不必采取任何特殊的實時設(shè)計方法，就能滿足ts≤ta要求，因此，它是一個本質(zhì)性實時系統(tǒng)，

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)。例如，一個倉儲監(jiān)測系統(tǒng)，要巡回監(jiān)測100點的入侵事件。從應用要求的可靠性出發(fā)，要求系統(tǒng)對于任何一點入侵事件的響應速度(ta)不得大于1s；而系統(tǒng)對單個入侵事件的采集、處理、輸出控制的實際激勵-響應時間為0.2s。但在常規(guī)的巡回監(jiān)測方式下，對某一點監(jiān)測的時間間隔為ts=0.2×100=20s。ts遠大于 ta，是一個非實時系統(tǒng)。但這個系統(tǒng)的實時性是可以改變的，如果將每個監(jiān)測點入侵事件的輸入激勵的查詢方式變?yōu)橹袛噍斎敕绞?，使某一監(jiān)測點的激勵-響應的操作處理時間(ts)降到0.25s以內(nèi)，滿足ts≤ta要求，系統(tǒng)能實時地處理任何一個監(jiān)測點上入侵事件，而成為一個實時監(jiān)測系統(tǒng)。

③ 通過實時性設(shè)計實現(xiàn)的系統(tǒng)的任務實時。在系統(tǒng)有實時性要求的情況下，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。例如，衛(wèi)星發(fā)射時，控制大廳墻面上，顯示衛(wèi)星軌跡的衛(wèi)星運行監(jiān)測系統(tǒng)，實時地采集衛(wèi)星運行參數(shù)，經(jīng)處理后，在大屏幕上實時地顯示出來，這是一個實時系統(tǒng)。但是，無法實現(xiàn)衛(wèi)星發(fā)射過程中意外事件的實時顯示。只能當衛(wèi)星發(fā)射出現(xiàn)意外事故(如運載火箭爆炸)時，出現(xiàn)衛(wèi)星軌跡的中斷。但是，作為彌補，我們可以實現(xiàn)一個意外事故的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，高速、實時地采集與存儲火箭運行狀態(tài)參數(shù)，并在火箭失事瞬間，將數(shù)據(jù)發(fā)回控制中心，實現(xiàn)意外事故監(jiān)測系統(tǒng)中，事故數(shù)據(jù)采集任務的實時性。對于一個沖擊振動的譜分析系統(tǒng)，要求有振動波形的采集、時域信號的頻譜分析、頻譜的圖形顯示等。由于沖擊振動的信號過程時間極短，譜分析處理耗時過多，不可能實現(xiàn)整個系統(tǒng)的實時性(振動頻譜的實時顯示)要求，這時可以考慮將整個系統(tǒng)的操作過程分成一些獨立的部分。例如，將沖擊振動譜分析系統(tǒng)的全部操作分成沖擊振動信號的波形采集、數(shù)據(jù)存儲與波形信號的譜分析及其后續(xù)操作的兩個獨立部分，實現(xiàn)振動信號采集、存儲關(guān)鍵任務的實時性要求。

4.3 關(guān)于嵌入式操作系統(tǒng)

在系統(tǒng)的實時性設(shè)計中，核心的問題是降低軟件運行時間。除了普遍的提高CPU指令運行速度、采用高速 I/O口、計數(shù)器的捕獲/比較、多機并行操作等軟、硬件措施外，就是程序設(shè)計技巧。而在系統(tǒng)程序中使用操作系統(tǒng)支持時，由于操作系統(tǒng)介入操作管理帶來的額外開銷，以及對任務的靈活調(diào)度管理，成為系統(tǒng)實時性設(shè)計的重要問題。

嵌入式操作系統(tǒng)使用在嵌入式應用系統(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，如可靠性、可裁剪性、“實時性”等。前兩者是嵌入式應用環(huán)境所要求的，而“實時性”則是為了滿足系統(tǒng)實時性要求的內(nèi)容。在一些文章中提到某些嵌入式操作系統(tǒng)時，常常冠以“實時操作系統(tǒng)”，但它只是表現(xiàn)為該操作系統(tǒng)具有較好的實時能力。在沒有置身在一個具體嵌入式應用系統(tǒng)中時，不存在實時性結(jié)論。不同的嵌入式操作系統(tǒng)比較時，可以有實時能力上的不同。任何一個嵌入式操作系統(tǒng)都應有滿足系統(tǒng)實時性設(shè)計的內(nèi)容(表現(xiàn)為任務的快速調(diào)度、快速運行等)，實時能力強的嵌入式操作系統(tǒng)能更容易地實現(xiàn)應用系統(tǒng)的實時性。

結(jié) 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?？紤]到系統(tǒng)的功耗及可靠性，應在滿足ts≤ta條件下，越慢越好。