嵌入式系統(tǒng)實(shí)時性的問題

隨著后PC時代以及網(wǎng)絡(luò)、通信技術(shù)時代的到來，大量的計算機(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，以計算機(jī)領(lǐng)域人員為主體的，遠(yuǎn)離對象系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)的計算機(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，在計算機(jī)工程應(yīng)用領(lǐng)域中作為一個新概念提出時，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)時性”又是一例。

1 什么是電子系統(tǒng)的實(shí)時性

任何一個電子系統(tǒng)都可看成是一個激勵-響應(yīng)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(yīng)輸出的時間，即激勵-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能滿足嵌入對象所規(guī)定的響應(yīng)時間ta要求，即T≤ta，這個系統(tǒng)便是實(shí)時的電子系統(tǒng)。

那末，什么是嵌入對象所要求的響應(yīng)時間ta呢? 通常，不論哪一種電子系統(tǒng)，都要嵌入到一個對象體系中，成為一個電子應(yīng)用系統(tǒng)，實(shí)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、包裝控制系統(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?nèi)粘Ｊ褂玫挠嬎銠C(jī)，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(jié)果。因此，幾乎所有的電子系統(tǒng)都有一個客觀的響應(yīng)時間ta要求。這就是電子系統(tǒng)普遍存在的實(shí)時性問題，即要求T≤ta。

2 三類電子應(yīng)用系統(tǒng)的實(shí)時性

ta是電子系統(tǒng)具體應(yīng)用時，客觀應(yīng)用環(huán)境提出的具體響應(yīng)時間要求；不同類型電子系統(tǒng)的激勵-響應(yīng)時間T的不同，形成了不同的實(shí)時性問題。我們可以按不同的激勵-響應(yīng)時間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)時性特點(diǎn)。

① 經(jīng)典電子系統(tǒng)：不含計算機(jī)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(gòu)成)等，電路的動態(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)是一個激勵-響應(yīng)系統(tǒng)，從激勵到響應(yīng)的時間完全取決于電子在電路中的運(yùn)動過程，因而，它具有極短的、相對固定不變的，從激勵到響應(yīng)的時間周期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)時性”名詞的概念，而對一些極快速響應(yīng)要求的應(yīng)用系統(tǒng)，如振動測量系統(tǒng)，它的實(shí)時性要求常常反映為電路系統(tǒng)的“頻率響應(yīng)”要求。

② 通用計算機(jī)系統(tǒng)：是一個人機(jī)交互的激勵-運(yùn)行-響應(yīng)系統(tǒng)。它的激勵-響應(yīng)時間T表現(xiàn)為電路系統(tǒng)的激勵-響應(yīng)時間tc與軟件運(yùn)行時間ts，而電路系統(tǒng)的激勵 -響應(yīng)時間與軟件運(yùn)行時間相比為高階小量，因而軟件運(yùn)行時間形成了T的主要成份，T=tc+ts≈ts。由于通用計算機(jī)系統(tǒng)只使用在人機(jī)交互環(huán)境中，對象 (人)提出的響應(yīng)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(shí)的可容忍性。因此，通用計算機(jī)系統(tǒng)是一個非實(shí)時的電子系統(tǒng)，而快速性成為通用計算機(jī)系統(tǒng)發(fā)展的永恒主題。

③ 嵌入式系統(tǒng)：由于計算機(jī)的嵌入，嵌入式系統(tǒng)也是一個激勵-運(yùn)行-響應(yīng)的電子系統(tǒng)。但是，它與嵌入對象交互，與嵌入對象的事件過程相關(guān)，在與嵌入對象體系交互時，要滿足事件交互過程的響應(yīng)要求。一方面，由于計算機(jī)的嵌入，嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)有十分可觀的激勵-響應(yīng)時間ts，導(dǎo)致系統(tǒng)實(shí)時能力的降低；另一方面，由于嵌入對象體系的多樣性、復(fù)雜性，不同的對象體系會提出不同的響應(yīng)時間ta要求。因此，在嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的具體設(shè)計中，必須考慮系統(tǒng)中每一個任務(wù)運(yùn)行時，能否滿足ts≤ta的要求，這就是嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時性問題。

綜上所述，經(jīng)典電子系統(tǒng)應(yīng)用中，沒有凸顯出實(shí)時性的概念，是因?yàn)殡娮酉到y(tǒng)的激勵-響應(yīng)時間T極短，絕大多數(shù)電子系統(tǒng)都能滿足T≤ta要求；通用計算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用中，沒有實(shí)時性概念，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)時性問題，是因?yàn)檐浖\(yùn)行的時間耗費(fèi)ts，會使系統(tǒng)的激勵-響應(yīng)時間T巨額增加，而不能滿足嵌入對象系統(tǒng)提出的響應(yīng)時間ta要求，凸現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時性問題。