嵌入式实时系统

1.1 实时系统
随着计算机的发展和应用的普及, 实时计算机系统(以下简称实时系统)已经
在工业交通能源科学研究和科学试验国防等各个领域发挥极其重要的作
用
实时表示立即及时关于实时性, 人们往往有不尽相同的理解和解
释一般将联机系统视作实时系统也有人把人机交互性的系统称为实时系统
当然它们都是计算机发展到一定阶段的产物
实时系统是对外来事件在限定时间内能做出反应的系统限定时间的范围很
广可以从微秒级(如信号处理)到分级(如联机查询系统)
实时控制系统和实时信息处理系统统称为实时系统在实时控制系统中计算
机通过特定的外围设备与被控对象发生联系, 被控对象的信息经加工后, 通过显
示屏幕向控制人员显示或通过外设向被控对象发出指示, 实现对被控对象的控制;
在实时信息处理系统中, 用户通过终端设备向系统提出服务请求, 系统完成服务
后通过终端回答给用户
在实时系统中主要有三个指标来衡量系统的实时性, 响应时间(Response
Time) 生存时间(Survival Time) 吞吐量(Throughput)
响应时间(Response Time): 是计算机识别一个外部事件到作出响应的时间,
在控制应用中它是最重要的指标, 如果事件不能及时的处理, 系统可能就会崩
溃对于不同的过程有不同的响应时间要求对于有些慢变化过程具有几分
钟甚至更长的响应时间都可以认为是实时的对于快速过程其响应时间可能要
求达到毫秒微秒毫微秒级甚至更短因此实时性不能单纯从绝对的响应时
间长短上来衡量应当根据不同的对象在相对意义上进行评价
生存时间(Survival Time): 是数据有效等待时间, 在这段时间里数据是有效的
吞吐量(Throughput): 是在一给定时间内, 系统可以处理的事件总数例如通
讯控制器用每秒钟处理的字符数来表示吞吐量, 吞吐量可能是平均响应时间的倒
数但它通常要小一些因为在每次响应后可能需要一段时间进行清理(clean up),
这段时间就称为恢复时间(recovery time)
实时系统强调的是实时性和可靠性, 这两方面除了与计算机硬件有关 (如
CPU 的速度, 访问存贮器的速度等 )外, 还与实时系统的软件密切相关硬件是
实时的而软件往往不一定是实时的
如何实现实时的应用系统呢 可以通过以下的途径
1 使用硬件的功能
2 微处理器的中断机制
3 简单的单线程循环程序
4 基于实时操作系统的复杂多线程程序
这种实时系统的软件是实时应用软件和实时操作系统 RTOS (Real-Time
Operating System)两部分的有机结合, 其中RTOS 起着核心作用, 由它来管理和
协调各项工作, 为应用软件提供良好的运行软件环境及开发环境
1.2 实时系统的典型应用及特点
实时应用的范围很广, 主要有两种应用: 嵌入式应用和一般应用
1.2.1 嵌入式应用
大多数实时系统都是嵌入式应用(Embedded Applications)系统,
嵌入式计算机是一种智能部件内装于专用设备/系统的高速计算机它的主
要功能是作为一个大型工程系统中的信息处理部件来控制专门的硬件设备的
这种嵌入式系统自动化程度高威力大反应速度快 用户不需知道装置
内计算机的存在, 一般不能被用户编程, 它有一些专用的I/O 设备, 对用户的接口
是应用专用的
嵌入式计算机系统广泛地用于办公自动化消费通信汽车工业和军事
领域其中通信办公自动化消费电子领域占整的份额最大约90%以上
嵌入式的典型应用有1.过程控制(process control)
即对生产过程中各种动作流程的控制, 这种控制是在对被控对象和环境进行
不断观测的基础上作出及时的恰当的反应在控制过程中计算机扮演着中心
的角色它通过传感器从外部接收有关过程的信息对这些信息进行加工处理
然后对执行机构发出控制指令
2.通讯设备(Telecommunication):
如程控交换机, 路由器BB 机, 大哥大, 桥接器, 集线器, Modem 等
3. 智能仪器(Intelligent Instrument):如示波器医疗仪器等
4. 消费产品(Consumer Products):如洗衣机, 微波炉, 电视机, 游戏机等
5. 机器人(Robots)
6. 计算机外设设备(Computer Peripherals): 打印机, 终端, 磁盘驱动器
7. 军事电子设备和现代武器: 如雷达电子对抗, 坦克战机战舰等
1.2.2 一般应用(General-Purpose Application)
一般应用的计算机系统对用户来说是可见的, 如PC 机工程工作站等它
具有标准的计算机外设, 如键盘显示器磁盘等, 它的软件具有通用的人机接
口, 其应用程序可按用户需要随时改变, 即重新编制它通常用于开发数据处
理等其典型应用如下
1. 测控计算机:
在大型控制系统中, 它通常与几个嵌入式计算机相连, 作为它们的上位机,
进行系统的总控, 协调, 数据存储等工作
2. 交互式系统
实时信息查询系统, 如飞机定票系统银行交易和股票交易系统等, 这些系统
的响应时间要求不高, 只要人可以忍受就行了
1.3 嵌入式实时系统软件的基本特征
不难看出与一般的计算机应用相比嵌入式实时应用系统是具有高速处
理配置专一结构紧凑和坚固可靠等特点的实时系统相应的软件系统应是一
种别有特色要求更高的实时软件对这种实时软件的主要要求是
1 实时性实时软件对外部事件作出反应的时间必须要快, 在某些情况下还需要是确定
的可重复实现的,不管当时系统内部状态如何, 都是可预测的(predictable)
2 有处理异步并发事件的能力
实际环境中嵌入式实时系统处理的外部事件往往不是单一的这些事件
往往同时出现, 而且发生的时刻也是随机的即异步的实时软件应有能力对这
类外部事件组有效地进行处理
3 快速启动并有出错处理和自动复位功能
这一要求对机动性强环境复杂的智能系统显得特别重要快速机动的环
境不允许控制软件临时从盘上装入因此嵌入式实时软件需事先固化到只读存
贮器开机自行启动并在运行出错死机时能自动恢复先前运行状态因此嵌入
式实时软件应采用特殊的容错出错处理措施
4 嵌入式实时软件是应用程序和操作系统两种软件的一体化程序
对于通用计算机系统例如PC 机工作站操作系统等系统软件和应用软
件之间界限分明换句话说统一配置的操作系统环境下应用程序是独立的运
行软件可以分别装入执行但是在嵌入式实时系统中这一界限并不明显
这是因为应用系统配置差别较大所需操作系统繁简不一IO 操作也不标准
这部分驱动软件常常由应用程序提供这就要求采用不同配置的操作系统和应用
程序链接装配成统一的运行软件系统也就是说在系统总设计目标指导下将
它们综合加以考虑设计与实现
5 嵌入式实时软件的开发需要独立的开发平台
由于嵌入式实时应用系统的软件开发受到时间空间开销的限制常常需
要在专门的开发平台上进行软件的交叉开发, 其交叉开发环境如图1-1 所示
宿主机
目标机
开发平台称为宿主机应用系统称作目标机宿主机可以是与目标机相同或
不相同的机型这种不同机型的开发平台又称作交叉式开发系统显然在
这种独立的实时软件开发系统上应配备完整的实时软件开发的工具如高级语言在线调试器和在线仿真器等因此嵌入式实时软件开发过程较为复杂