淺談嵌入式系統的實時性問題

陳貴兵

摘 要：嵌入式系統是嵌入到對象體系中的計算機應用系統，與對象系統交互，在實現對象系統某些任務過程時，對應用系統會提出響應時間的限定要求。由于應用系統中軟件運行的時間耗費，常常不能滿足限定的時間響應要求，由此而產生了嵌入式應用系統的實時性問題。本文粗淺地歸納嵌入式應用系統實時性的諸多問題，希望引起大家關注。

關鍵詞：嵌入式系統；操作系統；實時性；快速性

隨著后PC時代以及網絡、通信技術時代的到來，大量的計算機專業人員進入了嵌入式應用領域；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領域中。因此，以計算機領域人員為主體的，遠離對象系統的嵌入式系統的計算機工程應用模式，和以電子技術領域人員為主體，與對象系統緊耦合的電子技術應用模式產生了概念上的碰撞。許多電子技術應用模式熟視無睹、習以為常的概念，在計算機工程應用領域中作為一個新概念提出時，常常使電子技術應用領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“嵌入式系統的實時性”又是一例。

1 什么是電子系統的實時性

任何一個電子系統都可看成是一個激勵-響應系統。每個特定的電子系統都有一個從激勵輸入到響應輸出的時間，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能滿足嵌入對象所規定的響應時間ta要求，即T≤ta，這個系統便是實時的電子系統。

2 嵌入式系統的實時性分析

2.1 嵌入式系統實時性的出發點

嵌入式系統由于是嵌入到對象體系中的一個電子系統，與對象系統密切相關。而形形色色的對象系統會有不同的響應時間ta要求，如動態信號的采集系統、生產線的控制單元等，有嚴格的響應時間要求；超市的秤重、計量、收銀機只要求有盡快的響應時間；在同樣的動態信號采集系統中系統的響應時間與信號的動態特性有關。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。

2.2 嵌入式系統的實時性分析

（1）實時性與快速性

嵌入式系統的實時性不是一個快速性概念，而是一個等式概念，即能否滿足ts≤ta的要求。因而，快速系統不一定能滿足系統的實時性要求，而某些情況下滿足實時性要求時，系統的運行速度并不高。

（2）系統的最佳實時

快速性是系統實時能力的表現。當系統不能滿足實時性要求時，必須提高系統的運行速度，然而，運行速度的提高必然帶來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。

（3）系統的實時性分配

在一個嵌入式應用系統中，有許多過程環節。例如，一個典型的智能儀表就有信號采集、數據處理、結果顯示、鍵盤輸入等過程。這些過程往往是在不同的時間與空間上進行，而且不同過程的實時性要求是不同的。

2.3 實時系統的動態誤差

當我們研究嵌入式應用系統的實時性時，與對象系統相關的過程，必然是一個動態過程，否則便不存在實時性問題。對于任何動態過程，由于時間的滯后，都不可能完成重現原過程，這之間的差異便是動態過程的動態誤差。

3 嵌入式應用系統的實時性設計

3.1 系統的實時性問題分析

由于嵌入式系統是嵌入到對象體系中的專用計算機應用系統，實現對象體系的智能化控制，因此，都存在著對象體系對控制過程的時間要求，與嵌入式系統能否滿足這一要求的實時性問題。在很多情況下，應用系統設計中沒有涉及實時性設計，這是因為目前計算機已有可觀的運行速度，在大多數應用系統中，都能滿足T≈ts≤ta，因此，在一般應用系統設計中，實時性設計并不突出。

3.2 嵌入式系統的實時性設計

嵌入式系統的應用領域十分廣泛，并不是所有的應用系統都要求是實時系統，只有當系統中對任務有嚴格時間限定時，才有系統的實時性問題。嵌入式系統的實時性設計通常會有以下幾種情況。

①本質性實時系統。在這一類應用系統中，系統總體及任務的時限要求ta都不高，常規的軟硬件技術都能滿足ts≤ta要求。

②通過實時性設計實現的實時系統。這種嵌入式系統在常規設計下，無法滿足實時性要求，但通過實時性設計，可以滿足實時性要求的系統。

③通過實時性設計實現的系統的任務實時。在系統有實時要求的情況下，系統能滿足實時性要求時，系統設計是成功的；但系統不能滿足實時性要求時，我們常常會放棄它。

4 結束語

嵌入式系統的實時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時性要求。嵌入式系統的實時性與快速性有關，在滿足ts≤ta時并不是越快越好。考慮到系統的功耗及可靠性，應在滿足ts≤ta條件下，越慢越好。隨著嵌入式系統運行速度，以及操作系統實時能力的提高，本質實時性的應用系統會越來越多。

參考文獻

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