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嵌入式系統(tǒng)是嵌入到對象體系中的計算機應用系統(tǒng)，與對象系統(tǒng)交互，在實現(xiàn)對象系統(tǒng)某些任務過程時，對應用系統(tǒng)會提出響應時間的限定要求。由于應用系統(tǒng)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(chǎn)生了嵌入式應用系統(tǒng)的實時性問題。本文粗淺地歸納嵌入式應用系統(tǒng)實時性的諸多問題，希望引起大家關注。
隨著后PC時代以及網(wǎng)絡、通信技術時代的到來，大量的計算機專業(yè)人員進入了嵌入式應用領域；然而，有大量的嵌入式系統(tǒng)應用是以單片機的形式，應用在傳統(tǒng)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(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)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(tǒng)緊耦合的電子技術應用模式產(chǎn)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(tǒng)”概念是其一，而今“嵌入式系統(tǒng)的實時性”又是一例。
1 什么是電子系統(tǒng)的實時性
任何一個電子系統(tǒng)都可看成是一個激勵-響應系統(tǒng)。每個特定的電子系統(tǒng)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(xiàn)為系統(tǒng)的響應能力。如果系統(tǒng)的響應能力T能滿足嵌入對象所規(guī)定的響應時間ta要求，即T≤ta，這個系統(tǒng)便是實時的電子系統(tǒng)。
那末，什么是嵌入對象所要求的響應時間ta呢？通常，不論哪一種電子系統(tǒng)，實現(xiàn)對象體系的控制管理要求，這些控制管理通常都會有一定的時間限制。例如，一個振動監(jiān)測系統(tǒng)，對振動波形的檢測周期必須滿足采樣定理要求；飲料生產(chǎn)線上的計量、饈控制系統(tǒng)，必須在一個工位的移動周期里完成秤量、封口的控制輸出；對于超市中使用的電子秤，在秤量時，希望能立即顯示出重量和計價金額；我們日常使用的計算機，在敲擊鍵盤時，也要求在顯示屏上快速地出現(xiàn)鍵盤輸入結果。因此，幾乎所有的電子系統(tǒng)都有一個客觀的響應時間ta要求。這就電子系統(tǒng)普遍存在的實時性問題，即要求T≤ta。
2 三類電子應用系統(tǒng)的實時性
ta是電子系統(tǒng)具體應用時，客觀應用環(huán)境提出的具體響應時間要求；不同類型電子系統(tǒng)的激勵-響應時間T的不同，形成不同的實時性問題。我們可以按不同的激勵-響應時間T的特點，將電子系統(tǒng)分為經(jīng)典電子系統(tǒng)、通用計算機系統(tǒng)與嵌入式系統(tǒng)，來討論不同類型的電子應用系統(tǒng)不同的實時性特點。
�、俳�(jīng)典電子系統(tǒng)：不含計算機的純電子電路系統(tǒng)，例如，測量放大器、電子計數(shù)器、溫度指示器（由ADC、譯碼器、LED顯示器構成）等，電路的動態(tài)特性決定了系統(tǒng)響應能力T的大小。經(jīng)典電子系統(tǒng)是一個激勵-響應系統(tǒng)，從激勵到響應的時間完全取決于電子在電路中的運動過程，因而，它具有極短的、相對固定不變的，從激勵到響應的時間周期T。在大多數(shù)經(jīng)典電子應用系統(tǒng)中，由電路的動態(tài)特性決定了T值的大小。一般情況下，應用系統(tǒng)的T遠小于嵌入對象系統(tǒng)的響應（ta）要求，因此，在經(jīng)典電子應用領域中，應用工程師的頭腦中沒有“實時性”名詞的概念，而對一些極快速響應要求的應用系統(tǒng)，如振動測量系統(tǒng)，它的實時性要求常常反映為電路系統(tǒng)的“頻率響應”要求。
②通用計算機系統(tǒng)：是一個人機交互的激勵-運行-響應系統(tǒng)。它的激勵-響應時間T表現(xiàn)為電路系統(tǒng)的激勵-響應時間tc與軟件運行時間ts，而電路系統(tǒng)的激勵-響應時間與軟件運行時間相比為高階小量，因而軟件運行時間形成了T的主要成份，T=tc+ts≈ts。由于通用計算機系統(tǒng)只使用在人機交互環(huán)境中，對象（人）提出的響應時間ta要求，只是一個期望值（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)實的可容忍性。因此，通用計算機系統(tǒng)是一個非實時的電子系統(tǒng)，而快速性成為通用計算機系統(tǒng)發(fā)展的永恒主題。
�、矍度胧较到y(tǒng)：由于計算機的嵌入，嵌入式系統(tǒng)也是一個激勵-運行-響應的電子系統(tǒng)。但是，它與嵌入對象體系交互時，要滿足事件交互過程的響應要求。一方面，由于計算機的嵌入，嵌入式應用系統(tǒng)有十分可觀的激勵-響應時間ts，導致系統(tǒng)實時能力的降低；另一方面，由于嵌入對象體系的多樣性、復雜性，不同的對象體系會提出不同的響應時間ta要求。因此，在嵌入式應用系統(tǒng)的具體設計中，必須考慮系統(tǒng)中每一個任務運行時，能否滿足ts≤ta的要求，這就是嵌入式系統(tǒng)的實時性問題。
綜上所述，經(jīng)典電子系統(tǒng)應用中，沒有顯出實時性的概念，是因為電子系統(tǒng)的激勵-響應時間T極短，絕大多數(shù)電子系統(tǒng)都能滿足T≤ts要求；通用計算機系統(tǒng)應用中，沒有實時性概念，是因為ta只有期望要求；而嵌入式系統(tǒng)應用中，必須考慮實時性問題，是因為軟件運行的時間耗費ts，會使系統(tǒng)的激勵-響應時間T巨額增加，而不能滿足嵌入對象系統(tǒng)提出的響應時間ta要求，現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)的實時性問題。
3 嵌入式系統(tǒng)的實時性分析
3.1 嵌入式系統(tǒng)實時性的出發(fā)點
嵌入式系統(tǒng)由于是嵌入到對象體系中的一個電子系統(tǒng)，與對象系統(tǒng)密切相關。而形形色色的對象系統(tǒng)會有不同的響應時間ta要求，如動態(tài)信號的采集系統(tǒng)、生產(chǎn)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(tài)信號采集系統(tǒng)中系統(tǒng)的響應時間與信號的動態(tài)特性有關。這些不同的嵌入式應用系統(tǒng)的不同響應要求，表現(xiàn)了嵌入對象響應要求（ta）的多樣性。
嵌入式應用系統(tǒng)的激勵-運行-響應特性，形成了以軟件運行時間ts為主要內容的系統(tǒng)響應能力T。而軟件運行時間ts與指令速度、編程技巧、程序優(yōu)化等有關，是一個在應用系統(tǒng)設計中可以改變的參數(shù)，它表現(xiàn)了嵌入式應用系統(tǒng)實時能力的可變更性。
因此，ta的多樣性要求與響應時間ts的可調整性，是嵌入式系統(tǒng)的實時性分析的基本出發(fā)點。根據(jù)嵌入對象ta的不同要求，調整、變更ts大小，以實現(xiàn)ts的最佳化，是嵌入式系統(tǒng)實時性設計的一項重要內容。
3.2 嵌入式系統(tǒng)的實時性分析
�。�1）實時性與快速性
嵌入式系統(tǒng)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(tǒng)不一定能滿足系統(tǒng)的實時性要求，而某些情況下滿足實時性要求時，系統(tǒng)的運行速度并不高。例如，滿足溫度采集實時性要求的嵌入式系統(tǒng)，運行速度并不高；而許多高速運行的系統(tǒng)，未必能滿足沖擊振動的信號采集的實時性要求�？焖傩灾环从沉讼到y(tǒng)的實時能力而已。
（2）系統(tǒng)的最佳實時
快速性是系統(tǒng)實時能力的表現(xiàn)。當系統(tǒng)不能滿足實時性要求時，必須提高系統(tǒng)的運行速度，然而，運行速度的提高必然帶來系統(tǒng)的一些負面效應，如導致系統(tǒng)功耗加大、電磁兼容性下降。因此，在設計一個具體的嵌入式系統(tǒng)時，在保證能滿足實時性要求的條件下，應使系統(tǒng)的運行速度降到最低，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。
�。�3）系統(tǒng)的實時性分配
在一個嵌入式應用系統(tǒng)中，有許多過程環(huán)節(jié)。例如，一個典型的智能儀表就有信號采集、數(shù)據(jù)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。鍵盤輸入、結果顯示是與人交互的，要滿足人機交互的實時性要求；信號采集與對象系統(tǒng)領帶的動態(tài)性密切相在，必須滿足由動態(tài)信號采集的實時性要求；而數(shù)據(jù)處理則會形成從動態(tài)信號采集到結果顯示的時間延遲，影響到結果顯示的實時性要求。因此一個優(yōu)秀的實時系統(tǒng)設計，必須研究系統(tǒng)中的每一個過程環(huán)節(jié)，滿足每一個過程環(huán)節(jié)和整個系統(tǒng)的最佳實時要求。
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