嵌入式系统的实时性问题

    关键词：嵌入式系统 实时性 快速性 操作系统

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。