嵌入式系統實(shí)時(shí)性的問(wèn)題

如果系統中有一些任務(wù)無(wú)法滿(mǎn)足ts≤ta要求，則必須進(jìn)行系統的實(shí)時(shí)性設計。

4.2 嵌入式系統的實(shí)時(shí)性設計

根據系統的T≈ts≤ta要求，在一個(gè)具體的有實(shí)時(shí)性要求的應用系統中，當系統的任務(wù)確定以后，就可以估算出每個(gè)任務(wù)的時(shí)間響應要求ta，在不考慮電路系統中的動(dòng)態(tài)過(guò)程時(shí)，嵌入式系統的實(shí)時(shí)性設計的中心任務(wù)是通過(guò)軟、硬件設計來(lái)加快任務(wù)的運行過(guò)程，以達到ts≤ta要求。然而，加快系統的運行速度會(huì )帶來(lái)其它問(wèn)題，應在實(shí)時(shí)性設計中一并考慮。

嵌入式系統的應用領(lǐng)域十分廣泛，并不是所有的應用系統都要求是實(shí)時(shí)系統，只有當系統中對任務(wù)有嚴格時(shí)間限定時(shí)，才有系統的實(shí)時(shí)性問(wèn)題。例如，對打印機這樣一個(gè)嵌入式應用系統，人們并沒(méi)有嚴格的時(shí)間限定，只有一個(gè)“盡可能快的”期望要求，因此，這樣的系統不是實(shí)時(shí)系統。

嵌入式系統的實(shí)時(shí)性設計通常會(huì )有以下幾種情況。

① 本質(zhì)性實(shí)時(shí)系統。在這一類(lèi)應用系統中，系統總體及任務(wù)的時(shí)限要求ta都不高，常規的軟硬件技術(shù)都能滿(mǎn)足ts≤ta要求。因此，這種應用系統往往不必要考慮系統的實(shí)時(shí)性設計。例如，一個(gè)溫度測量系統，由于溫度的大慣量特性，滿(mǎn)足一定動(dòng)態(tài)誤差條件下的溫度采集、數據處理、實(shí)時(shí)顯示與打印的響應時(shí)間要求ta值很大，不必采取任何特殊的實(shí)時(shí)設計方法，就能滿(mǎn)足ts≤ta要求，因此，它是一個(gè)本質(zhì)性實(shí)時(shí)系統，

② 通過(guò)實(shí)時(shí)性設計實(shí)現的實(shí)時(shí)系統。這種嵌入式系統在常規設計下，無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求，但通過(guò)實(shí)時(shí)性設計，可以滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求的系統。例如，一個(gè)倉儲監測系統，要巡回監測100點(diǎn)的入侵事件。從應用要求的可靠性出發(fā)，要求系統對于任何一點(diǎn)入侵事件的響應速度(ta)不得大于1s；而系統對單個(gè)入侵事件的采集、處理、輸出控制的實(shí)際激勵-響應時(shí)間為0.2s。但在常規的巡回監測方式下，對某一點(diǎn)監測的時(shí)間間隔為ts=0.2×100=20s。ts遠大于 ta，是一個(gè)非實(shí)時(shí)系統。但這個(gè)系統的實(shí)時(shí)性是可以改變的，如果將每個(gè)監測點(diǎn)入侵事件的輸入激勵的查詢(xún)方式變?yōu)橹袛噍斎敕绞?，使某一監測點(diǎn)的激勵-響應的操作處理時(shí)間(ts)降到0.25s以?xún)?，滿(mǎn)足ts≤ta要求，系統能實(shí)時(shí)地處理任何一個(gè)監測點(diǎn)上入侵事件，而成為一個(gè)實(shí)時(shí)監測系統。

③ 通過(guò)實(shí)時(shí)性設計實(shí)現的系統的任務(wù)實(shí)時(shí)。在系統有實(shí)時(shí)性要求的情況下，系統能滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求時(shí)，系統設計是成功的；但系統不能滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求時(shí)，我們常常會(huì )放棄它。例如，衛星發(fā)射時(shí)，控制大廳墻面上，顯示衛星軌跡的衛星運行監測系統，實(shí)時(shí)地采集衛星運行參數，經(jīng)處理后，在大屏幕上實(shí)時(shí)地顯示出來(lái)，這是一個(gè)實(shí)時(shí)系統。但是，無(wú)法實(shí)現衛星發(fā)射過(guò)程中意外事件的實(shí)時(shí)顯示。只能當衛星發(fā)射出現意外事故(如運載火箭爆炸)時(shí)，出現衛星軌跡的中斷。但是，作為彌補，我們可以實(shí)現一個(gè)意外事故的數據采集系統，高速、實(shí)時(shí)地采集與存儲火箭運行狀態(tài)參數，并在火箭失事瞬間，將數據發(fā)回控制中心，實(shí)現意外事故監測系統中，事故數據采集任務(wù)的實(shí)時(shí)性。對于一個(gè)沖擊振動(dòng)的譜分析系統，要求有振動(dòng)波形的采集、時(shí)域信號的頻譜分析、頻譜的圖形顯示等。由于沖擊振動(dòng)的信號過(guò)程時(shí)間極短，譜分析處理耗時(shí)過(guò)多，不可能實(shí)現整個(gè)系統的實(shí)時(shí)性(振動(dòng)頻譜的實(shí)時(shí)顯示)要求，這時(shí)可以考慮將整個(gè)系統的操作過(guò)程分成一些獨立的部分。例如，將沖擊振動(dòng)譜分析系統的全部操作分成沖擊振動(dòng)信號的波形采集、數據存儲與波形信號的譜分析及其后續操作的兩個(gè)獨立部分，實(shí)現振動(dòng)信號采集、存儲關(guān)鍵任務(wù)的實(shí)時(shí)性要求。

4.3 關(guān)于嵌入式操作系統

在系統的實(shí)時(shí)性設計中，核心的問(wèn)題是降低軟件運行時(shí)間。除了普遍的提高CPU指令運行速度、采用高速 I/O口、計數器的捕獲/比較、多機并行操作等軟、硬件措施外，就是程序設計技巧。而在系統程序中使用操作系統支持時(shí)，由于操作系統介入操作管理帶來(lái)的額外開(kāi)銷(xiāo)，以及對任務(wù)的靈活調度管理，成為系統實(shí)時(shí)性設計的重要問(wèn)題。

嵌入式操作系統使用在嵌入式應用系統中。與通用操作系統相比，嵌入式操作系統有許多特點(diǎn)，如可靠性、可裁剪性、“實(shí)時(shí)性”等。前兩者是嵌入式應用環(huán)境所要求的，而“實(shí)時(shí)性”則是為了滿(mǎn)足系統實(shí)時(shí)性要求的內容。在一些文章中提到某些嵌入式操作系統時(shí)，常常冠以“實(shí)時(shí)操作系統”，但它只是表現為該操作系統具有較好的實(shí)時(shí)能力。在沒(méi)有置身在一個(gè)具體嵌入式應用系統中時(shí)，不存在實(shí)時(shí)性結論。不同的嵌入式操作系統比較時(shí)，可以有實(shí)時(shí)能力上的不同。任何一個(gè)嵌入式操作系統都應有滿(mǎn)足系統實(shí)時(shí)性設計的內容(表現為任務(wù)的快速調度、快速運行等)，實(shí)時(shí)能力強的嵌入式操作系統能更容易地實(shí)現應用系統的實(shí)時(shí)性。

結 語(yǔ)

嵌入式系統的實(shí)時(shí)性設計要根據具體的系統，具體分析、具體設計，并不是所有的嵌入式系統都有實(shí)時(shí)性要求。嵌入式系統的實(shí)時(shí)性與快速性有關(guān)，在滿(mǎn)足ts≤ta時(shí)并不是越快越好?？紤]到系統的功耗及可靠性，應在滿(mǎn)足ts≤ta條件下，越慢越好。