嵌入式系統實(shí)時(shí)性的問(wèn)題

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

1 什么是電子系統的實(shí)時(shí)性

任何一個(gè)電子系統都可看成是一個(gè)激勵-響應系統。每個(gè)特定的電子系統都有一個(gè)從激勵輸入到響應輸出的時(shí)間，即激勵-響應周期T，它表現為系統的響應能力。如果系統的響應能力T能滿(mǎn)足嵌入對象所規定的響應時(shí)間ta要求，即T≤ta，這個(gè)系統便是實(shí)時(shí)的電子系統。

那末，什么是嵌入對象所要求的響應時(shí)間ta呢? 通常，不論哪一種電子系統，都要嵌入到一個(gè)對象體系中，成為一個(gè)電子應用系統，實(shí)現對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)監測系統，對振動(dòng)波形的檢測周期必須滿(mǎn)足采樣定理要求；飲料生產(chǎn)線(xiàn)上的計量、包裝控制系統，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價(jià)金額；我們日常使用的計算機，在敲擊鍵盤(pán)時(shí)，也要求在顯示屏上快速地出現鍵盤(pán)輸入結果。因此，幾乎所有的電子系統都有一個(gè)客觀(guān)的響應時(shí)間ta要求。這就是電子系統普遍存在的實(shí)時(shí)性問(wèn)題，即要求T≤ta。

2 三類(lèi)電子應用系統的實(shí)時(shí)性

ta是電子系統具體應用時(shí)，客觀(guān)應用環(huán)境提出的具體響應時(shí)間要求；不同類(lèi)型電子系統的激勵-響應時(shí)間T的不同，形成了不同的實(shí)時(shí)性問(wèn)題。我們可以按不同的激勵-響應時(shí)間T的特點(diǎn)，將電子系統分為經(jīng)典電子系統、通用計算機系統與嵌入式系統，來(lái)討論不同類(lèi)型的電子應用系統不同的實(shí)時(shí)性特點(diǎn)。

① 經(jīng)典電子系統：不含計算機的純電子電路系統，例如，測量放大器、電子計數器、溫度指示器(由ADC、譯碼器、LED顯示器構成)等，電路的動(dòng)態(tài)特性決定了系統響應能力T的大小。經(jīng)典電子系統是一個(gè)激勵-響應系統，從激勵到響應的時(shí)間完全取決于電子在電路中的運動(dòng)過(guò)程，因而，它具有極短的、相對固定不變的，從激勵到響應的時(shí)間周期T。在大多數經(jīng)典電子應用系統中，由電路的動(dòng)態(tài)特性決定了T值的大小。一般情況下，應用系統的T遠小于嵌入對象系統的響應(ta) 要求，因此，在經(jīng)典電子應用領(lǐng)域中，應用工程師的頭腦中沒(méi)有“實(shí)時(shí)性”名詞的概念，而對一些極快速響應要求的應用系統，如振動(dòng)測量系統，它的實(shí)時(shí)性要求常常反映為電路系統的“頻率響應”要求。

② 通用計算機系統：是一個(gè)人機交互的激勵-運行-響應系統。它的激勵-響應時(shí)間T表現為電路系統的激勵-響應時(shí)間tc與軟件運行時(shí)間ts，而電路系統的激勵 -響應時(shí)間與軟件運行時(shí)間相比為高階小量，因而軟件運行時(shí)間形成了T的主要成份，T=tc+ts≈ts。由于通用計算機系統只使用在人機交互環(huán)境中，對象 (人)提出的響應時(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為永無(wú)止盡，另一方面又表現出現實(shí)的可容忍性。因此，通用計算機系統是一個(gè)非實(shí)時(shí)的電子系統，而快速性成為通用計算機系統發(fā)展的永恒主題。

③ 嵌入式系統：由于計算機的嵌入，嵌入式系統也是一個(gè)激勵-運行-響應的電子系統。但是，它與嵌入對象交互，與嵌入對象的事件過(guò)程相關(guān)，在與嵌入對象體系交互時(shí)，要滿(mǎn)足事件交互過(guò)程的響應要求。一方面，由于計算機的嵌入，嵌入式應用系統有十分可觀(guān)的激勵-響應時(shí)間ts，導致系統實(shí)時(shí)能力的降低；另一方面，由于嵌入對象體系的多樣性、復雜性，不同的對象體系會(huì )提出不同的響應時(shí)間ta要求。因此，在嵌入式應用系統的具體設計中，必須考慮系統中每一個(gè)任務(wù)運行時(shí)，能否滿(mǎn)足ts≤ta的要求，這就是嵌入式系統的實(shí)時(shí)性問(wèn)題。

綜上所述，經(jīng)典電子系統應用中，沒(méi)有凸顯出實(shí)時(shí)性的概念，是因為電子系統的激勵-響應時(shí)間T極短，絕大多數電子系統都能滿(mǎn)足T≤ta要求；通用計算機系統應用中，沒(méi)有實(shí)時(shí)性概念，是因為ta只有期望要求；而嵌入式系統應用中，必須考慮實(shí)時(shí)性問(wèn)題，是因為軟件運行的時(shí)間耗費ts，會(huì )使系統的激勵-響應時(shí)間T巨額增加，而不能滿(mǎn)足嵌入對象系統提出的響應時(shí)間ta要求，凸現了嵌入式系統的實(shí)時(shí)性問(wèn)題。