浅谈嵌入式系统的实时性问题
陈贵兵
摘 要：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。
关键词：嵌入式系统；操作系统；实时性；快速性
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。
2 嵌入式系统的实时性分析
2.1 嵌入式系统实时性的出发点
嵌入式系统由于是嵌入到对象体系中的一个电子系统，与对象系统密切相关。而形形色色的对象系统会有不同的响应时间ta要求，如动态信号的采集系统、生产线的控制单元等，有严格的响应时间要求；超市的秤重、计量、收银机只要求有尽快的响应时间；在同样的动态信号采集系统中系统的响应时间与信号的动态特性有关。这些不同的嵌入式应用系统的不同响应要求，表现了嵌入对象响应要求（ta）的多样性。
2.2 嵌入式系统的实时性分析
（1）实时性与快速性
嵌入式系统的实时性不是一个快速性概念，而是一个等式概念，即能否满足ts≤ta的要求。因而，快速系统不一定能满足系统的实时性要求，而某些情况下满足实时性要求时，系统的运行速度并不高。
（2）系统的最佳实时
快速性是系统实时能力的表现。当系统不能满足实时性要求时，必须提高系统的运行速度，然而，运行速度的提高必然带来系统的一些负面效应，如导致系统功耗加大、电磁兼容性下降。
（3）系统的实时性分配
在一个嵌入式应用系统中，有许多过程环节。例如，一个典型的智能仪表就有信号采集、数据处理、结果显示、键盘输入等过程。这些过程往往是在不同的时间与空间上进行，而且不同过程的实时性要求是不同的。
2.3 实时系统的动态误差
当我们研究嵌入式应用系统的实时性时，与对象系统相关的过程，必然是一个动态过程，否则便不存在实时性问题。对于任何动态过程，由于时间的滞后，都不可能完成重现原过程，这之间的差异便是动态过程的动态误差。
3 嵌入式应用系统的实时性设计
3.1 系统的实时性问题分析
由于嵌入式系统是嵌入到对象体系中的专用计算机应用系统，实现对象体系的智能化控制，因此，都存在着对象体系对控制过程的时间要求，与嵌入式系统能否满足这一要求的实时性问题。在很多情况下，应用系统设计中没有涉及实时性设计，这是因为目前计算机已有可观的运行速度，在大多数应用系统中，都能满足T≈ts≤ta，因此，在一般应用系统设计中，实时性设计并不突出。
3.2 嵌入式系统的实时性设计
嵌入式系统的应用领域十分广泛，并不是所有的应用系统都要求是实时系统，只有当系统中对任务有严格时间限定时，才有系统的实时性问题。嵌入式系统的实时性设计通常会有以下几种情况。
①本质性实时系统。在这一类应用系统中，系统总体及任务的时限要求ta都不高，常规的软硬件技术都能满足ts≤ta要求。
②通过实时性设计实现的实时系统。这种嵌入式系统在常规设计下，无法满足实时性要求，但通过实时性设计，可以满足实时性要求的系统。
③通过实时性设计实现的系统的任务实时。在系统有实时要求的情况下，系统能满足实时性要求时，系统设计是成功的；但系统不能满足实时性要求时，我们常常会放弃它。
4 结束语
嵌入式系统的实时性设计要根据具体的系统，具体分析、具体设计，并不是所有的嵌入式系统都有实时性要求。嵌入式系统的实时性与快速性有关，在满足ts≤ta时并不是越快越好。考虑到系统的功耗及可靠性，应在满足ts≤ta条件下，越慢越好。随着嵌入式系统运行速度，以及操作系统实时能力的提高，本质实时性的应用系统会越来越多。
参考文献
[1]郑宗汉.实时系统软件基础.清华大学出版社，2002：231-295
[2]何小庆.嵌入式实时操作系统的现状和未来.单片机与嵌入式系统应用，2001，（3）：180-192
[3]Labrosse Jean J，uc/OS-II-源碼公开的实时嵌入式操作系统，邵贝贝译，北京：中国电力出版社，2001.
[4] 孔祥营等，嵌入式实时操作系统VxWorks及其开发环境Tornado，北京：中国电力出版社，2001.
摘 要：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。
关键词：嵌入式系统；操作系统；实时性；快速性
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。
2 嵌入式系统的实时性分析
2.1 嵌入式系统实时性的出发点
嵌入式系统由于是嵌入到对象体系中的一个电子系统，与对象系统密切相关。而形形色色的对象系统会有不同的响应时间ta要求，如动态信号的采集系统、生产线的控制单元等，有严格的响应时间要求；超市的秤重、计量、收银机只要求有尽快的响应时间；在同样的动态信号采集系统中系统的响应时间与信号的动态特性有关。这些不同的嵌入式应用系统的不同响应要求，表现了嵌入对象响应要求（ta）的多样性。
2.2 嵌入式系统的实时性分析
（1）实时性与快速性
嵌入式系统的实时性不是一个快速性概念，而是一个等式概念，即能否满足ts≤ta的要求。因而，快速系统不一定能满足系统的实时性要求，而某些情况下满足实时性要求时，系统的运行速度并不高。
（2）系统的最佳实时
快速性是系统实时能力的表现。当系统不能满足实时性要求时，必须提高系统的运行速度，然而，运行速度的提高必然带来系统的一些负面效应，如导致系统功耗加大、电磁兼容性下降。
（3）系统的实时性分配
在一个嵌入式应用系统中，有许多过程环节。例如，一个典型的智能仪表就有信号采集、数据处理、结果显示、键盘输入等过程。这些过程往往是在不同的时间与空间上进行，而且不同过程的实时性要求是不同的。
2.3 实时系统的动态误差
当我们研究嵌入式应用系统的实时性时，与对象系统相关的过程，必然是一个动态过程，否则便不存在实时性问题。对于任何动态过程，由于时间的滞后，都不可能完成重现原过程，这之间的差异便是动态过程的动态误差。
3 嵌入式应用系统的实时性设计
3.1 系统的实时性问题分析
由于嵌入式系统是嵌入到对象体系中的专用计算机应用系统，实现对象体系的智能化控制，因此，都存在着对象体系对控制过程的时间要求，与嵌入式系统能否满足这一要求的实时性问题。在很多情况下，应用系统设计中没有涉及实时性设计，这是因为目前计算机已有可观的运行速度，在大多数应用系统中，都能满足T≈ts≤ta，因此，在一般应用系统设计中，实时性设计并不突出。
3.2 嵌入式系统的实时性设计
嵌入式系统的应用领域十分广泛，并不是所有的应用系统都要求是实时系统，只有当系统中对任务有严格时间限定时，才有系统的实时性问题。嵌入式系统的实时性设计通常会有以下几种情况。
①本质性实时系统。在这一类应用系统中，系统总体及任务的时限要求ta都不高，常规的软硬件技术都能满足ts≤ta要求。
②通过实时性设计实现的实时系统。这种嵌入式系统在常规设计下，无法满足实时性要求，但通过实时性设计，可以满足实时性要求的系统。
③通过实时性设计实现的系统的任务实时。在系统有实时要求的情况下，系统能满足实时性要求时，系统设计是成功的；但系统不能满足实时性要求时，我们常常会放弃它。
4 结束语
嵌入式系统的实时性设计要根据具体的系统，具体分析、具体设计，并不是所有的嵌入式系统都有实时性要求。嵌入式系统的实时性与快速性有关，在满足ts≤ta时并不是越快越好。考虑到系统的功耗及可靠性，应在满足ts≤ta条件下，越慢越好。随着嵌入式系统运行速度，以及操作系统实时能力的提高，本质实时性的应用系统会越来越多。
参考文献
[1]郑宗汉.实时系统软件基础.清华大学出版社，2002：231-295
[2]何小庆.嵌入式实时操作系统的现状和未来.单片机与嵌入式系统应用，2001，（3）：180-192
[3]Labrosse Jean J，uc/OS-II-源碼公开的实时嵌入式操作系统，邵贝贝译，北京：中国电力出版社，2001.
[4] 孔祥营等，嵌入式实时操作系统VxWorks及其开发环境Tornado，北京：中国电力出版社，2001.
