陳貴兵

摘 要：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。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；操作系統(tǒng)；實(shí)時(shí)性；快速性

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)。

2 嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性分析

2.1 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。

2.2 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。

（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。

（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。

2.3 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(guò)程，必然是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，否則便不存在實(shí)時(shí)性問(wèn)題。對(duì)于任何動(dòng)態(tài)過(guò)程，由于時(shí)間的滯后，都不可能完成重現(xiàn)原過(guò)程，這之間的差異便是動(dòng)態(tài)過(guò)程的動(dòng)態(tài)誤差。

3 嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性問(wèn)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(guò)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(wèn)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。

3.2 嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性設(shè)計(jì)

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(wèn)題。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。

②通過(guò)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(wú)法滿足實(shí)時(shí)性要求，但通過(guò)實(shí)時(shí)性設(shè)計(jì)，可以滿足實(shí)時(shí)性要求的系統(tǒng)。

③通過(guò)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。

4 結(jié)束語(yǔ)

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(lái)越多。

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