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(guān)。而形形色色的對象系統(tǒng)會有不同的響應(yīng)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(yīng)時間要求；超市的秤重、計量、收銀機只要求有盡快的響應(yīng)時間；在同樣的動態(tài)信號采集系統(tǒng)中系統(tǒng)的響應(yīng)時間與信號的動態(tài)特性有關(guān)。這些不同的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的不同響應(yīng)要求，表現(xiàn)了嵌入對象響應(yīng)要求(ta)的多樣性。

嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的激勵-運行-響應(yīng)特性，形成了以軟件運行時間ts為主要內(nèi)容的系統(tǒng)響應(yīng)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(guān)，是一個在應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計中可以改變的參數(shù)，它表現(xiàn)了嵌入式應(yīng)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(yīng)時間ts的可調(diào)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(diào)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(shè)計的一項重要內(nèi)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(yīng)，如導(dǎo)致系統(tǒng)功耗加大、電磁兼容性下降。因此，在設(shè)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(yīng)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(zhì)。

(3)系統(tǒng)的實時性分配

在一個嵌入式應(yīng)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(jié)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(jié)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)信號的動態(tài)性密切相關(guān)，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(jié)果顯示的時間延遲，影響到結(jié)果顯示的實時性要求。因此一個優(yōu)秀的實時系統(tǒng)設(shè)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。

3.3 實時系統(tǒng)的動態(tài)誤差

當我們研究嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的實時性時，與對象系統(tǒng)相關(guān)的過程，必然是一個動態(tài)過程，否則便不存在實時性問題。對于任何動態(tài)過程，由于時間的滯后，都不可能完全重現(xiàn)原過程，這之間的差異便是動態(tài)過程的動態(tài)誤差。例如，對于一個動態(tài)信號的數(shù)據(jù)進行采集時，在時間點t上啟動采集命令，由于要執(zhí)行一系列控制指令，產(chǎn)生Δtm滯后；另外，A/D轉(zhuǎn)換器有一個轉(zhuǎn)換過程，產(chǎn)生Δtc滯后。由于這些時間滯后，致使在時間點t上采集的數(shù)據(jù)，實際上是時間點t+Δtm+Δtc上的信號數(shù)據(jù).兩者之差便是系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集的動態(tài)誤差。在A/D轉(zhuǎn)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(tài)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(tài)誤差。

由于系統(tǒng)在動態(tài)過程中控制的滯后，形成了某個任務(wù)環(huán)節(jié)上的動態(tài)誤差，這個動態(tài)誤差在對象系統(tǒng)的具體動態(tài)過程確定后，與動態(tài)過程的變化速率有關(guān)。在對象系統(tǒng)一個具體的動態(tài)過程確定之后，應(yīng)根據(jù)對象動態(tài)過程的變化率和允許的動態(tài)誤差值，估算出系統(tǒng)的允許滯后時間，這一時間就是應(yīng)用系統(tǒng)中實現(xiàn)該動態(tài)過程實時性要求的響應(yīng)時間ta。例如，在某一個動態(tài)電壓信號數(shù)據(jù)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(yīng)為1mV，就可以最粗略地估算出滿足實練數(shù)據(jù)采集任務(wù)的響應(yīng)時間ta要求，ta=1mV/(100mV/1ms)=0.01ms。如果系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集時間耗費ts能滿足ts≤ta這一要求，系統(tǒng)就能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時采集。

4 嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的實時性設(shè)計

4.1 系統(tǒng)的實時性問題分析

由于嵌入式系統(tǒng)是嵌入到對象體系中的專用計算機應(yīng)用系統(tǒng)，實現(xiàn)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(tǒng)能否滿足這一要求的實時性問題。在很多情況下，應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計中沒有涉及實時性設(shè)計，這是因為目前計算機已有可觀的運行速度，在大多數(shù)應(yīng)用系統(tǒng)中，都能滿足 T≈ts≤ta，因此，在一般應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計中，實時性設(shè)計并不突出。

通常，由于嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)的是對象系統(tǒng)的全面智能化控制，系統(tǒng)中會有許多相關(guān)的任務(wù)與過程。例如，一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不只是要實現(xiàn)對對象系統(tǒng)環(huán)境參數(shù)的采集，還要對采得的信號數(shù)據(jù)進行處理，對處理結(jié)果進行存儲、顯示，或?qū)崿F(xiàn)對外部環(huán)境的控制輸出，在這些進程中，還可能有人工的外界干預(yù)等。因此，一個實時的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)，應(yīng)該在所有的過程中都能滿足T≈ts≤ta要求。由于系統(tǒng)中每個過程所要求的響應(yīng)時間ta不同，例如，對對象系統(tǒng)環(huán)境參數(shù)采集時，時間響應(yīng)要求決定于被采集參數(shù)的動態(tài)特性；控制輸出時則取決了被控對象的控制品質(zhì)要求；信號數(shù)據(jù)處理、存儲，雖然表現(xiàn)為快速響應(yīng)的期望要求，但占用了從激勵輸入到響應(yīng)輸出的中間環(huán)節(jié)。對這些環(huán)節(jié)的響應(yīng)時間要求，必須納入相關(guān)的任務(wù)中考慮。

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