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嵌入式系统的实时性问题
 
慧聪网   2005年12月29日10时57分   信息来源:单片机及嵌入式系统应用    

   【iEicn.com编者按】嵌入式系统是嵌入到对象体系中的计算机应用系统,与对象系统交互,在实现对象系统某些任务过程时,对应用系统会提出响应时间的限定要求。由于应用系统中软件运行的时间耗费,常常不能满足限定的时间响应要求,由此而产生了嵌入式应用系统的实时性问题。本文粗浅地归纳嵌入式应用系统实时性的诸多问题,希望引起大家关注。 

   随着后PC时代以及网络、通信技术时代的到来,大量的计算机专业人员进入了嵌入式应用领域;然而,有大量的嵌入式系统应用是以单片机的形式,应用在传统的电子技术领域中。因此,以计算机领域人员为主体的,远离对象系统的嵌入式系统的计算机工程应用模式,和以电子技术领域人员为主体,与对象系统紧耦合的电子技术应用模式产生了概念上的碰撞。许多电子技术应用模式熟视无睹、习以为常的概念,在计算机工程应用领域中作为一个新概念提出时,常常使电子技术应用领域中的人员感到莫明其妙。以前的“嵌入式系统”概念是其一,而今“嵌入式系统的实时性”又是一例。

    1 什么是电子系统的实时性

    任何一个电子系统都可看成是一个激励-响应系统。每个特定的电子系统都有一个从激励输入到响应输出的时间,即激励-响应周期T,它表现为系统的响应能力。如果系统的响应能力T能满足嵌入对象所规定的响应时间ta要求,即T≤ta,这个系统便是实时的电子系统。

    那末,什么是嵌入对象所要求的响应时间ta呢?通常,不论哪一种电子系统,实现对象体系的控制管理要求,这些控制管理通常都会有一定的时间限制。例如,一个振动监测系统,对振动波形的检测周期必须满足采样定理要求;饮料生产线上的计量、馐控制系统,必须在一个工位的移动周期里完成秤量、封口的控制输出;对于超市中使用的电子秤,在秤量时,希望能立即显示出重量和计价金额;我们日常使用的计算机,在敲击键盘时,也要求在显示屏上快速地出现键盘输入结果。因此,几乎所有的电子系统都有一个客观的响应时间ta要求。这就电子系统普遍存在的实时性问题,即要求T≤ta。

    2 三类电子应用系统的实时性

    ta是电子系统具体应用时,客观应用环境提出的具体响应时间要求;不同类型电子系统的激励-响应时间T的不同,形成不同的实时性问题。我们可以按不同的激励-响应时间T的特点,将电子系统分为经典电子系统、通用计算机系统与嵌入式系统,来讨论不同类型的电子应用系统不同的实时性特点。

    ①经典电子系统:不含计算机的纯电子电路系统,例如,测量放大器、电子计数器、温度指示器(由ADC、译码器、LED显示器构成)等,电路的动态特性决定了系统响应能力T的大小。经典电子系统是一个激励-响应系统,从激励到响应的时间完全取决于电子在电路中的运动过程,因而,它具有极短的、相对固定不变的,从激励到响应的时间周期T。在大多数经典电子应用系统中,由电路的动态特性决定了T值的大小。一般情况下,应用系统的T远小于嵌入对象系统的响应(ta)要求,因此,在经典电子应用领域中,应用工程师的头脑中没有“实时性”名词的概念,而对一些极快速响应要求的应用系统,如振动测量系统,它的实时性要求常常反映为电路系统的“频率响应”要求。

    ②通用计算机系统:是一个人机交互的激励-运行-响应系统。它的激励-响应时间T表现为电路系统的激励-响应时间tc与软件运行时间ts,而电路系统的激励-响应时间与软件运行时间相比为高阶小量,因而软件运行时间形成了T的主要成份,T=tc+ts≈ts。由于通用计算机系统只使用在人机交互环境中,对象(人)提出的响应时间ta要求,只是一个期望值(尽量快),而这种欲望一方面表现为永无止尽,另一方面又表现出现实的可容忍性。因此,通用计算机系统是一个非实时的电子系统,而快速性成为通用计算机系统发展的永恒主题。

    ③嵌入式系统:由于计算机的嵌入,嵌入式系统也是一个激励-运行-响应的电子系统。但是,它与嵌入对象体系交互时,要满足事件交互过程的响应要求。一方面,由于计算机的嵌入,嵌入式应用系统有十分可观的激励-响应时间ts,导致系统实时能力的降低;另一方面,由于嵌入对象体系的多样性、复杂性,不同的对象体系会提出不同的响应时间ta要求。因此,在嵌入式应用系统的具体设计中,必须考虑系统中每一个任务运行时,能否满足ts≤ta的要求,这就是嵌入式系统的实时性问题。

    综上所述,经典电子系统应用中,没有显出实时性的概念,是因为电子系统的激励-响应时间T极短,绝大多数电子系统都能满足T≤ts要求;通用计算机系统应用中,没有实时性概念,是因为ta只有期望要求;而嵌入式系统应用中,必须考虑实时性问题,是因为软件运行的时间耗费ts,会使系统的激励-响应时间T巨额增加,而不能满足嵌入对象系统提出的响应时间ta要求,现了嵌入式系统的实时性问题。

 
 
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