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嵌入式系統(tǒng)是嵌入到對(duì)象體系中的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，與對(duì)象系統(tǒng)交互，在實(shí)現(xiàn)對(duì)象系統(tǒng)某些任務(wù)過(guò)程時(shí)，對(duì)應(yīng)用系統(tǒng)會(huì)提出響應(yīng)時(shí)間的限定要求。由于應(yīng)用系統(tǒng)中軟件運(yùn)行的時(shí)間耗費(fèi)，常常不能滿足限定的時(shí)間響應(yīng)要求，由此而產(chǎn)生了嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性問(wèn)題。本文粗淺地歸納嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的諸多問(wèn)題，希望引起大家關(guān)注。
隨著后PC時(shí)代以及網(wǎng)絡(luò)、通信技術(shù)時(shí)代的到來(lái)，大量的計(jì)算機(jī)專(zhuān)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(wú)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(pán)時(shí)，也要求在顯示屏上快速地出現(xiàn)鍵盤(pán)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(wèn)題，即要求T≤ta。
2 三類(lèi)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(lèi)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(wèn)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(lái)討論不同類(lèi)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(guò)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(méi)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(wú)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。
�、矍度胧较到y(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(guò)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(wèn)題。
綜上所述，經(jīng)典電子系統(tǒng)應(yīng)用中，沒(méi)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(méi)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(wèn)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(wèn)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。快速性只反映了系統(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(lái)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(guò)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(pán)輸入等過(guò)程。這些過(guò)程往往是在不同的時(shí)間與空間上進(jìn)行，而且不同過(guò)程的實(shí)時(shí)性要求是不同的。鍵盤(pán)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(guò)程環(huán)節(jié)，滿足每一個(gè)過(guò)程環(huán)節(jié)和整個(gè)系統(tǒng)的最佳實(shí)時(shí)要求。
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