嵌入式系統實時性的問題

3.1 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。

嵌入式應用系統的激勵-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、程序優化等有關，是一個在應用系統設計中可以改變的參數，它表現了嵌入式應用系統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，是嵌入式系統的實時性分析的基本出發點。根據嵌入對象ta的不同要求，調整、變更ts大小，以實現ts的最佳化，是嵌入式系統實時性設計的一項重要內容。

3.2 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。例如，滿足溫度采集實時性要求的嵌入式系統，運行速度并不高；而許多高速運行的系統，未必能滿足沖擊振動的信號采集的實時性要求。快速性只反映了系統的實時能力而已。

(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。因此，在設計一個具體的嵌入式系統時，在保證能滿足實時性要求的條件下，應使系統的運行速度降到最低，以滿足系統在功耗、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。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信號的動態性密切相關，必須滿足由動態信號采集的實時性要求；而數據處理則會形成從動態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。因此一個優秀的實時系統設計，必須研究系統中的每一個過程環節，滿足每一個過程環節和整個系統的最佳實時要求。

3.3 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，都不可能完全重現原過程，這之間的差異便是動態過程的動態誤差。例如，對于一個動態信號的數據進行采集時，在時間點t上啟動采集命令，由于要執行一系列控制指令，產生Δtm滯后；另外，A/D轉換器有一個轉換過程，產生Δtc滯后。由于這些時間滯后，致使在時間點t上采集的數據，實際上是時間點t+Δtm+Δtc上的信號數據.兩者之差便是系統中數據采集的動態誤差。在A/D轉換中，常常會加入一個采樣/保持電路，就是為了在Δtc窗口上，使動態信號值保持在Δtc的初始時間點上不變，使得信號值的變化只滯后t+Δtm，以減少動態誤差。

由于系統在動態過程中控制的滯后，形成了某個任務環節上的動態誤差，這個動態誤差在對象系統的具體動態過程確定后，與動態過程的變化速率有關。在對象系統一個具體的動態過程確定之后，應根據對象動態過程的變化率和允許的動態誤差值，估算出系統的允許滯后時間，這一時間就是應用系統中實現該動態過程實時性要求的響應時間ta。例如，在某一個動態電壓信號數據采集中，信號的最大變化速率為0.1V/ms，只考慮采集控制滯后的誤差因素時，如該信號電壓給定的誤差應為1mV，就可以最粗略地估算出滿足實練數據采集任務的響應時間ta要求，ta=1mV/(100mV/1ms)=0.01ms。如果系統的數據采集時間耗費ts能滿足ts≤ta這一要求，系統就能實現數據的實時采集。

4 嵌入式應用系統的實時性設計

4.1 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。

通常，由于嵌入式系統實現的是對象系統的全面智能化控制，系統中會有許多相關的任務與過程。例如，一個數據采集系統不只是要實現對對象系統環境參數的采集，還要對采得的信號數據進行處理，對處理結果進行存儲、顯示，或實現對外部環境的控制輸出，在這些進程中，還可能有人工的外界干預等。因此，一個實時的嵌入式應用系統，應該在所有的過程中都能滿足T≈ts≤ta要求。由于系統中每個過程所要求的響應時間ta不同，例如，對對象系統環境參數采集時，時間響應要求決定于被采集參數的動態特性；控制輸出時則取決了被控對象的控制品質要求；信號數據處理、存儲，雖然表現為快速響應的期望要求，但占用了從激勵輸入到響應輸出的中間環節。對這些環節的響應時間要求，必須納入相關的任務中考慮。

因此，系統的實時性設計首先體現在應用系統總體設計中，要在總體設計中列出有實時性要求的任務，以及這些任務所要求的響應時間ta(如果所有任務的響應時間要求都是期望要求，則該應用系統不是一個實時的應用系統)，然后考慮應用系統在實現這些任務時，必須耗費的時間ts。如果應用系統中所有的任務過程都能滿足ts≤ta，則該應用系統是一個本質性實時系統。由于在考慮每個任務所必須耗費的時間ts時，與使用的程序設計語言(是匯編還是高級語言)、程序應用環境(是否使用操作系統)、硬件環境(時鐘系統、指令系統、CPU時序等)有關，因此本質性實時系統的實時性與所系統使用的軟硬件平臺有關。