嵌入式系統實(shí)時(shí)性的問(wèn)題

3.1 嵌入式系統實(shí)時(shí)性的出發(fā)點(diǎn)

嵌入式系統由于是嵌入到對象體系中的一個(gè)電子系統，與對象系統密切相關(guān)。而形形色色的對象系統會(huì )有不同的響應時(shí)間ta要求，如動(dòng)態(tài)信號的采集系統、生產(chǎn)線(xiàn)的控制單元等，有嚴格的響應時(shí)間要求；超市的秤重、計量、收銀機只要求有盡快的響應時(shí)間；在同樣的動(dòng)態(tài)信號采集系統中系統的響應時(shí)間與信號的動(dòng)態(tài)特性有關(guān)。這些不同的嵌入式應用系統的不同響應要求，表現了嵌入對象響應要求(ta)的多樣性。

嵌入式應用系統的激勵-運行-響應特性，形成了以軟件運行時(shí)間ts為主要內容的系統響應能力T。而軟件運行時(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)在應用系統設計中可以改變的參數，它表現了嵌入式應用系統實(shí)時(shí)能力的可變更性。

因此，ta的多樣性要求與響應時(shí)間ts的可調整性，是嵌入式系統的實(shí)時(shí)性分析的基本出發(fā)點(diǎn)。根據嵌入對象ta的不同要求，調整、變更ts大小，以實(shí)現ts的最佳化，是嵌入式系統實(shí)時(shí)性設計的一項重要內容。

3.2 嵌入式系統的實(shí)時(shí)性分析

(1)實(shí)時(shí)性與快速性

嵌入式系統的實(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(mǎn)足ts≤ta的要求。因而，快速系統不一定能滿(mǎn)足系統的實(shí)時(shí)性要求，而某些情況下滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求時(shí)，系統的運行速度并不高。例如，滿(mǎn)足溫度采集實(shí)時(shí)性要求的嵌入式系統，運行速度并不高；而許多高速運行的系統，未必能滿(mǎn)足沖擊振動(dòng)的信號采集的實(shí)時(shí)性要求?？焖傩灾环从沉讼到y的實(shí)時(shí)能力而已。

(2)系統的最佳實(shí)時(shí)

快速性是系統實(shí)時(shí)能力的表現。當系統不能滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求時(shí)，必須提高系統的運行速度，然而，運行速度的提高必然帶來(lái)系統的一些負面效應，如導致系統功耗加大、電磁兼容性下降。因此，在設計一個(gè)具體的嵌入式系統時(shí)，在保證能滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求的條件下，應使系統的運行速度降到最低，以滿(mǎn)足系統在功耗、可靠性、電磁兼容性方面獲得最佳的綜合品質(zhì)。

(3)系統的實(shí)時(shí)性分配

在一個(gè)嵌入式應用系統中，有許多過(guò)程環(huán)節。例如，一個(gè)典型的智能儀表就有信號采集、數據處理、結果顯示、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、結果顯示是與人交互的，要滿(mǎn)足人機交互的實(shí)時(shí)性要求；信號采集與對象系統信號的動(dòng)態(tài)性密切相關(guān)，必須滿(mǎn)足由動(dòng)態(tài)信號采集的實(shí)時(shí)性要求；而數據處理則會(huì )形成從動(dòng)態(tài)信號采集到結果顯示的時(shí)間延遲，影響到結果顯示的實(shí)時(shí)性要求。因此一個(gè)優(yōu)秀的實(shí)時(shí)系統設計，必須研究系統中的每一個(gè)過(guò)程環(huán)節，滿(mǎn)足每一個(gè)過(guò)程環(huán)節和整個(gè)系統的最佳實(shí)時(shí)要求。

3.3 實(shí)時(shí)系統的動(dòng)態(tài)誤差

當我們研究嵌入式應用系統的實(shí)時(shí)性時(shí)，與對象系統相關(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。對于任何動(dòng)態(tài)過(guò)程，由于時(shí)間的滯后，都不可能完全重現原過(guò)程，這之間的差異便是動(dòng)態(tài)過(guò)程的動(dòng)態(tài)誤差。例如，對于一個(gè)動(dòng)態(tài)信號的數據進(jìn)行采集時(shí)，在時(shí)間點(diǎn)t上啟動(dòng)采集命令，由于要執行一系列控制指令，產(chǎn)生Δtm滯后；另外，A/D轉換器有一個(gè)轉換過(guò)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上采集的數據，實(shí)際上是時(shí)間點(diǎn)t+Δtm+Δtc上的信號數據.兩者之差便是系統中數據采集的動(dòng)態(tài)誤差。在A(yíng)/D轉換中，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)信號值保持在Δtc的初始時(shí)間點(diǎn)上不變，使得信號值的變化只滯后t+Δtm，以減少動(dòng)態(tài)誤差。

由于系統在動(dòng)態(tài)過(guò)程中控制的滯后，形成了某個(gè)任務(wù)環(huán)節上的動(dòng)態(tài)誤差，這個(gè)動(dòng)態(tài)誤差在對象系統的具體動(dòng)態(tài)過(guò)程確定后，與動(dòng)態(tài)過(guò)程的變化速率有關(guān)。在對象系統一個(gè)具體的動(dòng)態(tài)過(guò)程確定之后，應根據對象動(dòng)態(tài)過(guò)程的變化率和允許的動(dòng)態(tài)誤差值，估算出系統的允許滯后時(shí)間，這一時(shí)間就是應用系統中實(shí)現該動(dòng)態(tài)過(guò)程實(shí)時(shí)性要求的響應時(shí)間ta。例如，在某一個(gè)動(dòng)態(tài)電壓信號數據采集中，信號的最大變化速率為0.1V/ms，只考慮采集控制滯后的誤差因素時(shí)，如該信號電壓給定的誤差應為1mV，就可以最粗略地估算出滿(mǎn)足實(shí)練數據采集任務(wù)的響應時(shí)間ta要求，ta=1mV/(100mV/1ms)=0.01ms。如果系統的數據采集時(shí)間耗費ts能滿(mǎn)足ts≤ta這一要求，系統就能實(shí)現數據的實(shí)時(shí)采集。

4 嵌入式應用系統的實(shí)時(shí)性設計

4.1 系統的實(shí)時(shí)性問(wèn)題分析

由于嵌入式系統是嵌入到對象體系中的專(zhuān)用計算機應用系統，實(shí)現對象體系的智能化控制，因此，都存在著(zhù)對象體系對控制過(guò)程的時(shí)間要求，與嵌入式系統能否滿(mǎn)足這一要求的實(shí)時(shí)性問(wèn)題。在很多情況下，應用系統設計中沒(méi)有涉及實(shí)時(shí)性設計，這是因為目前計算機已有可觀(guān)的運行速度，在大多數應用系統中，都能滿(mǎn)足 T≈ts≤ta，因此，在一般應用系統設計中，實(shí)時(shí)性設計并不突出。

通常，由于嵌入式系統實(shí)現的是對象系統的全面智能化控制，系統中會(huì )有許多相關(guān)的任務(wù)與過(guò)程。例如，一個(gè)數據采集系統不只是要實(shí)現對對象系統環(huán)境參數的采集，還要對采得的信號數據進(jìn)行處理，對處理結果進(jìn)行存儲、顯示，或實(shí)現對外部環(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等。因此，一個(gè)實(shí)時(shí)的嵌入式應用系統，應該在所有的過(guò)程中都能滿(mǎn)足T≈ts≤ta要求。由于系統中每個(gè)過(guò)程所要求的響應時(shí)間ta不同，例如，對對象系統環(huán)境參數采集時(shí)，時(shí)間響應要求決定于被采集參數的動(dòng)態(tài)特性；控制輸出時(shí)則取決了被控對象的控制品質(zhì)要求；信號數據處理、存儲，雖然表現為快速響應的期望要求，但占用了從激勵輸入到響應輸出的中間環(huán)節。對這些環(huán)節的響應時(shí)間要求，必須納入相關(guān)的任務(wù)中考慮。

因此，系統的實(shí)時(shí)性設計首先體現在應用系統總體設計中，要在總體設計中列出有實(shí)時(shí)性要求的任務(wù)，以及這些任務(wù)所要求的響應時(shí)間ta(如果所有任務(wù)的響應時(shí)間要求都是期望要求，則該應用系統不是一個(gè)實(shí)時(shí)的應用系統)，然后考慮應用系統在實(shí)現這些任務(wù)時(shí)，必須耗費的時(shí)間ts。如果應用系統中所有的任務(wù)過(guò)程都能滿(mǎn)足ts≤ta，則該應用系統是一個(gè)本質(zhì)性實(shí)時(shí)系統。由于在考慮每個(gè)任務(wù)所必須耗費的時(shí)間ts時(shí)，與使用的程序設計語(yǔ)言(是匯編還是高級語(yǔ)言)、程序應用環(huán)境(是否使用操作系統)、硬件環(huán)境(時(shí)鐘系統、指令系統、CPU時(shí)序等)有關(guān)，因此本質(zhì)性實(shí)時(shí)系統的實(shí)時(shí)性與所系統使用的軟硬件平臺有關(guān)。