嵌入式系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的問(wèn)題

如果系統(tǒng)中有一些任務(wù)無(wú)法滿足ts≤ta要求，則必須進(jìn)行系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性設(shè)計(jì)。

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

根據(jù)系統(tǒng)的T≈ts≤ta要求，在一個(gè)具體的有實(shí)時(shí)性要求的應(yīng)用系統(tǒng)中，當(dāng)系統(tǒng)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(yīng)要求ta，在不考慮電路系統(tǒng)中的動(dòng)態(tài)過(guò)程時(shí)，嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性設(shè)計(jì)的中心任務(wù)是通過(guò)軟、硬件設(shè)計(jì)來(lái)加快任務(wù)的運(yùn)行過(guò)程，以達(dá)到ts≤ta要求。然而，加快系統(tǒng)的運(yùn)行速度會(huì)帶來(lái)其它問(wèn)題，應(yīng)在實(shí)時(shí)性設(shè)計(jì)中一并考慮。

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。例如，對(duì)打印機(jī)這樣一個(gè)嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)，人們并沒(méi)有嚴(yán)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(tǒng)不是實(shí)時(shí)系統(tǒng)。

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(lèi)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。因此，這種應(yīng)用系統(tǒng)往往不必要考慮系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性設(shè)計(jì)。例如，一個(gè)溫度測(cè)量系統(tǒng)，由于溫度的大慣量特性，滿足一定動(dòng)態(tài)誤差條件下的溫度采集、數(shù)據(jù)處理、實(shí)時(shí)顯示與打印的響應(yīng)時(shí)間要求ta值很大，不必采取任何特殊的實(shí)時(shí)設(shè)計(jì)方法，就能滿足ts≤ta要求，因此，它是一個(gè)本質(zhì)性實(shí)時(shí)系統(tǒng)，

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)。例如，一個(gè)倉(cāng)儲(chǔ)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，要巡回監(jiān)測(cè)100點(diǎn)的入侵事件。從應(yīng)用要求的可靠性出發(fā)，要求系統(tǒng)對(duì)于任何一點(diǎn)入侵事件的響應(yīng)速度(ta)不得大于1s；而系統(tǒng)對(duì)單個(gè)入侵事件的采集、處理、輸出控制的實(shí)際激勵(lì)-響應(yīng)時(shí)間為0.2s。但在常規(guī)的巡回監(jiān)測(cè)方式下，對(duì)某一點(diǎn)監(jiān)測(cè)的時(shí)間間隔為ts=0.2×100=20s。ts遠(yuǎn)大于 ta，是一個(gè)非實(shí)時(shí)系統(tǒng)。但這個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性是可以改變的，如果將每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)入侵事件的輸入激勵(lì)的查詢(xún)方式變?yōu)橹袛噍斎敕绞?，使某一監(jiān)測(cè)點(diǎn)的激勵(lì)-響應(yīng)的操作處理時(shí)間(ts)降到0.25s以?xún)?nèi)，滿足ts≤ta要求，系統(tǒng)能實(shí)時(shí)地處理任何一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)上入侵事件，而成為一個(gè)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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)性要求的情況下，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。例如，衛(wèi)星發(fā)射時(shí)，控制大廳墻面上，顯示衛(wèi)星軌跡的衛(wèi)星運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)地采集衛(wèi)星運(yùn)行參數(shù)，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(tǒng)。但是，無(wú)法實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星發(fā)射過(guò)程中意外事件的實(shí)時(shí)顯示。只能當(dāng)衛(wèi)星發(fā)射出現(xiàn)意外事故(如運(yùn)載火箭爆炸)時(shí)，出現(xiàn)衛(wèi)星軌跡的中斷。但是，作為彌補(bǔ)，我們可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)意外事故的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，高速、實(shí)時(shí)地采集與存儲(chǔ)火箭運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，并在火箭失事瞬間，將數(shù)據(jù)發(fā)回控制中心，實(shí)現(xiàn)意外事故監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，事故數(shù)據(jù)采集任務(wù)的實(shí)時(shí)性。對(duì)于一個(gè)沖擊振動(dòng)的譜分析系統(tǒng)，要求有振動(dòng)波形的采集、時(shí)域信號(hào)的頻譜分析、頻譜的圖形顯示等。由于沖擊振動(dòng)的信號(hào)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(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)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(tǒng)的操作過(guò)程分成一些獨(dú)立的部分。例如，將沖擊振動(dòng)譜分析系統(tǒng)的全部操作分成沖擊振動(dòng)信號(hào)的波形采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與波形信號(hào)的譜分析及其后續(xù)操作的兩個(gè)獨(dú)立部分，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)采集、存儲(chǔ)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(tǒng)

在系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性設(shè)計(jì)中，核心的問(wèn)題是降低軟件運(yùn)行時(shí)間。除了普遍的提高CPU指令運(yùn)行速度、采用高速 I/O口、計(jì)數(shù)器的捕獲/比較、多機(jī)并行操作等軟、硬件措施外，就是程序設(shè)計(jì)技巧。而在系統(tǒng)程序中使用操作系統(tǒng)支持時(shí)，由于操作系統(tǒng)介入操作管理帶來(lái)的額外開(kāi)銷(xiāo)，以及對(duì)任務(wù)的靈活調(diào)度管理，成為系統(tǒng)實(shí)時(shí)性設(shè)計(jì)的重要問(wèn)題。

嵌入式操作系統(tǒng)使用在嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中。與通用操作系統(tǒng)相比，嵌入式操作系統(tǒng)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(yīng)用環(huán)境所要求的，而“實(shí)時(shí)性”則是為了滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求的內(nèi)容。在一些文章中提到某些嵌入式操作系統(tǒng)時(shí)，常常冠以“實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)”，但它只是表現(xiàn)為該操作系統(tǒng)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(yīng)用系統(tǒng)中時(shí)，不存在實(shí)時(shí)性結(jié)論。不同的嵌入式操作系統(tǒng)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(tǒng)都應(yīng)有滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性設(shè)計(jì)的內(nèi)容(表現(xiàn)為任務(wù)的快速調(diào)度、快速運(yùn)行等)，實(shí)時(shí)能力強(qiáng)的嵌入式操作系統(tǒng)能更容易地實(shí)現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

結(jié) 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?？紤]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。