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,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),在敲擊鍵盤時(shí),也要求在顯示屏上快速地出現(xiàn)鍵盤輸入結(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)性問題,即要求T≤ta。
2 三類電子應(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),來討論不同類型的電子應(yīng)用系統(tǒng)不同的實(shí)時(shí)性特點(diǎn)。
、俳(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)性問題。
綜上所述,經(jīng)典電子系統(tǒng)應(yīng)用中,沒有顯出實(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?焖傩灾环从沉讼到y(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、鍵盤輸入等過程。這些過程往往是在不同的時(shí)間與空間上進(jìn)行,而且不同過程的實(shí)時(shí)性要求是不同的。鍵盤輸入、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)過程環(huán)節(jié),滿足每一個(gè)過程環(huán)節(jié)和整個(gè)系統(tǒng)的最佳實(shí)時(shí)要求。
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