计算机教学中嵌入式系统概述及其实时性分析

2022-09-11

嵌入式系统通常是一个包含微处理器的嵌入到对象体系中的特殊计算机系统, 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。是一个较大系统或设备的组成部分, 它在很大程度上决定了设备的功能特性。许多具备数字接口的设备如微波设备、录像机 (VCR) 和汽车等都会用到嵌入式系统。有些嵌入式系统需要使用操作系统, 有些则用单个程序实现整个逻辑, 但所有嵌入式系统提供的功能都要比通用计算系统更专业些。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。

1 嵌入式系统的定义

按照历史性、本质性、普遍性要求, 嵌入式系统应定义为:“嵌入到对象体系中的专用计算机系统”。“嵌入性”、“专用性”与“计算机系统”是嵌入式系统的三个基本要素。对象系统则是指嵌入式系统所嵌入的宿主系统。

2 嵌入式系统的特点

嵌入式系统的特点与定义不同, 它是由定义中的三个基本要素衍生出来的。不同的嵌入式系统其特点会有所差异。

与“嵌入性”的相关特点:由于是嵌入到对象系统中, 必须满足对象系统的环境要求, 如物理环境 (小型) 、电气/气氛环境 (可靠) 、成本 (价廉) 等要求。

与“专用性”的相关特点:软、硬件的裁剪性;满足对象要求的最小软、硬件配置等。

与“计算机系统”的相关特点:嵌入式系统必须是能满足对象系统控制要求的计算机系统。与上两个特点相呼应, 这样的计算机必须配置有与对象系统相适应的接口电路。

3 嵌入式系统功能包括

(1) 监视环境-从输入传感器读取数据, 然后处理数据并显示结果。

(2) 控制环境-产生并向激励器发送命令。 (3) 转换信息-转换并处理收集到的数据。虽然通过传感器和激励器完成与外部世界的交互是嵌入式系统的重要特点, 但这些嵌入式系统还提供适合它们所在设备的特殊功能。嵌入式系统一般用来执行控制程序、有限状态机和信号处理算法。这些系统还必须检测内部计算环境和周围电磁系统中发生的故障并对此做出响应。

4 实时系统的特性

实时系统要求在外部环境指定的时间间隔内对来自环境的激励信号作出响应 (包括物理时间的过渡) 。从输入时间到输出时间的延迟必须足够小, 以满足可以接受的时间值。通常实时系统需要对环境作出连续及时的响应。

4.1 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 (电子系统的客观响应时间) 要求, 即T≤ta, 这个系统便是实时的电子系统。

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。

4.2 嵌入式系统的实时性分析

4.2.1 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, 如生产线的控制单元有严格的响应时间要求;超市的秤重、计量、收银机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。

嵌入式应用系统的激励-运行-响应特性, 形成了以软件运行时间ts为主要内容的系统响应能力T。而软件运行时间ts与指令速度、编程技巧、程序优化等有关, 是一个在应用系统设计中可以改变的参数, 它表现了嵌入式应用系统实时能力的可变更性。

因此, ta的多样性要求与响应时间ts的可调整性, 是嵌入式系统的实时性分析的基本出发点。根据嵌入对象t a的不同要求, 调整、变更ts大小, 以实现ts的最佳化, 是嵌入式系统实时性设计的一项重要内容。

4.2.2 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。例如, 满足温度采集实时性要求的嵌入式系统, 运行速度并不高;而许多高速运行的系统, 未必能满足冲击振动的信号采集的实时性要求。快速性只反映了系统的实时能力而已。

(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, 因此, 在设计一个具体的嵌入式系统时, 在保证能满足实时性要求的条件下, 应使系统的运行速度降到最低, 以满足系统在功耗、可靠性等方面获得最佳的综合品质。

(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。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。键盘输入、结果显示是与人交互的, 要满足人机交互的实时性要求;而数据处理则会形成从动态信号采集到结果显示的时间延迟, 影响到结果显示的实时性要求。因此一个优秀的实时系统设计员, 必须研究系统中的每一个过程环节, 满足每一个过程环节和整个系统的最佳实时要求。

4.2.3 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。

由于系统在动态过程中控制的滞后, 形成了某个任务环节上的动态误差, 这个动态误差在对象系统的具体动态过程确定后, 与动态过程的变化速率有关。在对象系统一个具体的动态过程确定之后, 应根据对象动态过程的变化率和允许的动态误差值, 估算出系统的允许滞后时间, 这一时间就是应用系统中实现该动态过程实时性要求的响应时间ta。如果系统的数据采集时间耗费ts能满足ts≤ta这一要求, 系统就能实现数据的实时采集。

5 结语

在当前数字信息技术和网络技术高速发展的后PC (Post-PC) 时代, 嵌入式系统已经广泛地渗透到科学研究、工程设计、军事技术、各类产业和商业文化艺术以及人们的日常生活等方方面面中。信息数字时代使得嵌入式产品获得了巨大的发展机遇, 也为嵌入式市场展现了美好的前景, 同时对嵌入式系统的开发者提出了新的挑战。

摘要：文章从定义, 特点和功能等方面对嵌入式系统进行阐述, 并在此基础上对其实时性作了详细分析。

关键词：嵌入式系统,实时系统