（电路与系统专业论文）嵌入式系统的实时性研究.pdf

北京交通人学碳i 。论文 y 8 7 9 1 2 摘矍 “嵌入式系统”足一个技术概念丰富的名词。凡是具有嵌入式特点的 计算系统都可以叫嵌入式系统。目前，嵌入式系统概念的核心是“应用系 统”，是指以操作系统( 0 s ) 为平台的软硬件系统。而今天，嵌入式技术 已经从最初的软件嵌入和分布式操作系统发展成为今天的系统嵌入和分 布式计算结构。随着信息化、智能化、网络化的发展，嵌入式系统技术获 得了广阔的发展空间。 实时系统是指一个能够在事先指定或确定的时间内完成系统功能和 对外部或内部、同步或异步时问作出响应的系统。实时嵌入式系统是嵌入 式系统与实时系统的结合它的实时特性与整个系统的硬件、软件( 包括 实时操作系统软件和应用软件) 都有关。此外，由于嵌入式系统在应用中 的二号用性，使系统的实时性要求会与各种不同的应用目标具有紧密的联 系。因此，如何确定某个 陡入式系统是否具有满足设计要求的实时性技术 特征，以及礼不同的j 比入式应用系统| 殳计- ，亘何满足实时肚要求，已经成 为嵌入式系统应川，1 ：发的关键控术。 水文中虬休分析了可；同的l 良入式实时操作系统的实删性，并确定了影 i 啊嵌入式系统实时性的因素及系统实时性的分析模型，提出了以数据流圄 来分析嵌入式系统的实时特性的基本方法。最后以嵌入式家庭智能控制系 统为实例应用论文中所提出的分析方法和建立的分析模型，对嵌入式家 庭智能控制系统中对实时性要求品为严格的突发事件处理任务作了具体 的实时性分析。 关键词：嵌入式系统实时性数据流图 北京交通人学坝i ：论上 a b s t r a c t a ne m b e d d e ds y s t e mi sas p e c i a l p u r p o s ec o m p u t e rs y s t e mu s u a l l yb u i l t i n t oas m a l l e rd e v i c et 0 d a v w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n t e m e ta n di n f o m a t i o n t e c l m o i o g hg r e a to p p o r t u n i t i e sh a v eb e e np r e s e n t e df o re m b e d d e ds y s t e m r e a l t i m es y s t e mm e a n sas y s t e mw h i c hc a nc o m p 】e t et h es y s t e m f u n c t i o ni nm ec e n a i nt i m ea n dm a k ear e s p o n s et os v n c h r o n o u so r a s y n c h m n o u se v e n ti n m e ，r e a l _ t i m ee n l b e d d e ds y s t e mj sau n i o no f r c a i l i m cs y s 【e ma n de m b e d d e ds y s t e m ，i t sr e a l 一t i m ec h a r a c t er i s “cr e l a t e st o t h eh a r d w a r ea n ds o n w a r e ( i n c l u d et h ee m b e d d e do ss o r w a r ea n da p p l i c a t i o n s o n w a r c ) i 1 1t h cw h o ks y s t e m b e c a u s eo ft 1 1 ed e n n i t ep u 中o s eo ft h e e m b c d d c ds y s t c m ，i t sr e a l t i m ec h a r a c t e “s t i c r e q u e s ct om e e tl h ev a o u s d i j f e r e n ta p p i i e do b j e c t s 1 o wm a k es u r ew h e l h e rac e n a i ne m b e d d e ds y s t e m h a v er ea j - t i l n ec h a r a c t e r i s i i co fc o n t e n t e dd e s i g nr e q u e s to rn o ia n dh o w s 川s f yl h er c a l - l i m er 。小j c s li n d i f 南r e n 【e m b e d d e da p p i i e ds y s t e m d e s i g n a l r c a d yb c c o l l l ct h ck e yt e c l m i q u ei nl h ee m b e d d e ds y s l e md e v c l o p m e l l t r i l l i sp a p e ra n a l y s e st h er e a l t i m e c 1 1 a r a c l e 订s t i co fu l ed i f 斑r e n r e a i t i m e c m b c d d c do p c r a t i n gs y s t e n l m a k e ss u r ek e yf a c t o ra f r c c t i n gl h er e a l t i m e c h a r a c i e s i i co ft h ee m b c d d e ds y s t e m t h i sp a p c ra l s oc r c a t ct h en l o d e lo f s y s i c mr c a l _ 1 j m cc 1 1 a r a c l c r i s l j ca n dm a k es u r et h ed f 0 ( d a t af l o wg r a p h ) a s 1 h eb a s i cm e l h o dt oa n a l y s e sr e a l - i i m ec h a m c t e r i s t i co fc m b e d d e ds v s t e m f j n a i l y a u t l l o rm a k e st 1 1 eh o u s ei n t e ”i g e n c ec o n i r o ls y s t c ma sae x a l l l p l ea n d l l s e st h em o d e lc r e a t e di nt h ep 印e rt oa n a l y s c si h er e a l t i m ec h a r a c t e r i s t i co f t 1 1 eh o u s ei n t e l l i g e n c ec o n t r o l s y s t c m ，s p e c j a l l ya n a l y s e si h ea b r u p te v e n t h a n d l i n gt a s kw h i c hr e q u e s tt ob em o s is f r i c t i yi nt h ew h o i es y s t e m k e y w o r d ： e n l b e d d e ds y s t e mr e a i i i m e d f g 序言 随着信息化、智能化、网络化的发展，嵌入式系统拄术也获得了广 阔的发展空间。进入2 0 世纪9 0 年代，嵌入式技术全面展开，目前及成为 通信类和消费类产品的共同发展方向。在通信领域，数字技术正在全面取 代模拟技术。在广播电视领域美国已经开始由模拟电视向数字电视转变。 而软件、集成电路和新型元器件在产业发展中的作用日益重要。所有上述 产品中，都离不开嵌入式系统技术。在个人领域中，嵌入式产品将主要是 作为个人移动的数据处理和通信软件。现在嵌入式系统正在重新塑造人们 的生活、工作和娱乐方式它产生了无数的种类，每类都具有自己独特的 个性。 而根据具对外部事件响应的实时性要求，产生了一类特别的嵌入式系 统，称之为实时嵌入式系统( r e a l t i m ee h 山e d d e ds y s 沁m ) 。所谓实时是 指在一个确定的时削里，对外部产生的事件做出n 应并在规定的时间里 完成这种响应及处理。能够达到这种实时要求的控制被称为实时控制，而 用于实时控制的系统就成为实时系统。实时性要求系统必须在规定的时问 内对外部发生的事件做出响应，而对于响应时问要求的严格程度的不同， 实时系统又分为硬实时系统和软实时系统。 嵌入式系统应用广泛因此，每一个嵌入式系统都具有相对的独立性 和专用性。这种专用性中，实时嵌入式系统的实时肚要求会与各种不同的 应用目标具有十分紧密的联系。实际上，如何确定某个嵌入式系统是否具 有满足设计要求的实时性技术特征，以及在不同的嵌入式应用系统设计中 如何满足实时性要求已经成为嵌入式系统应用开发的关键技术。本文将 对在以实时操作系统为平台的前提下，应用系统实刚性设计技术进行研 究，重点研究保证应用系统满足设计要求的实时性的开发手段和方法并 建立分析系统实时性的模型和提出分析方法。 本文共有4 章，第l 章介绍了嵌入式系统的定义及特点，嵌入式硬件 和软件的特征，阐明了它的发展前景和应用领域，并明确了本文所研究的 问题。第2 章讲解了实时性的相关问题在实时性的基本概念中明确了硬 实时和软实时的区别，并列举了在工业控制和信号处理中对实时性的要 求，还具体的讲述了实时性系统的相应特点以及它的硬件和软件特征。第 3 章和第4 章是本文的重点。在第3 章中具体分析了不同的嵌入式实时操 作系统的实时性，并确定了影响嵌入式系统实时性的因素及系统实时性的 分析模型，提出了以数据流图来分析嵌入式系统的实时特性的基本方法， 为第4 章的实例分析打下了理论基础。在第4 章中首先简要介绍了嵌入式 家庭智能控制系统的系统功能及其软硬件结构和划分，最后重点以第3 章 所确立的实时性分析模型和分析方法，对嵌入式家庭智能控制系统中对实 时性要求最为严格的突发事件处理任务作了具体的实时性分析。 北京交通大学硕上论文 第1 章嵌入式系统概述 1 1 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) 基本描述 从5 0 年代至今，计算机网络经历了专用大型机网络、微型机网络、 及工作站服务器和p c 客户机网络三个阶段。随着社会的日益信息化，计 算机和网络已经全面渗透到日常生活的每一个角落。计算机网络已经发展 为目前的分布式计算系统，这种系统的一个重要特征就是允许用户随时嵌 入以不同应用目的的软件和硬件殴各。通过嵌入式技术，人们可以拥有从 小到大、各种使用嵌入式技术的电子产品，小到m p 3 、p d a 等微型数字 化产品，大到网络家电、智能家电、车载屯子设备等。目前，各种各样的 新型嵌入式系统设备在应用数量上已经远远超过了通用计算机。 1 i 1 嵌入式系统的定义 所有i 沃入式系统，其自身都是一剥叶r 算机系统，或者包括计算机，微 处理器。最简单的嵌入式系统仅具有执行单一功能的能力或是仅满足某种 预定要求的功能集。复杂的嵌入式系统的功能由针刘不同用途的应用程序 来提供，以满足各种应用的需要。这种具有编程能力的嵌入式系统，意味 着同样的系统可以用于不同的应用领域。很多复杂的嵌入式系统和装置又 是由其它小型嵌入式系统集成的。嵌入式技术已经从最初的软件嵌入和分 布式操作系统，发展成为今天的系统嵌入和分布式计算结构。 根据i e e e ( 国际电气和电子工程师协会) 的定义，嵌入式系统是“控 制、监视或者辅助设备、机器和车间运行的装置”( 原文为d e v i c e su s e d t oc o n t r o l ，m o n i t 0 l o ra s s i s t t h eo p e 眦i o no f 。q u i p m c n t ，m a c h j n e r yo 。p l a 士l t s ) 。 这主要是从应用上加以定义的，从中可以看出嵌入式系统是软件和硬件的 综合体，还可以涵盖机械等附属装置。 新一代嵌入式系统被定义为：以应用为中心、以计算机技术为基础、 软件硬件可裁剪、适应于对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求 的应用系统的专用计算机系统。 由于“嵌入式系统”是一个技术概念丰富的名词，所以，凡是与具有 嵌入式特点的计算系统都可以叫嵌入式系统。目前，嵌入式系统概念的核 心是“应用系统”，是指以操作系统( o s ) 为平台的软硬件系统。 一般而言，嵌入式系统的构架可分为五个部分：处理器、存储器、输 3 北京文通大学坝l 。论文 入输出( i ，o ) 、应用软件和操作系统( 由于多数嵌入式系统设备的应用软 件和操作系统都是紧密结合的，有时对二者不加区分，这也是嵌入式系统 和w i n d o w s 系统的最大区别) 。 1 1 2 嵌入式系统的特点 从上述嵌入式系统的定义可看出，嵌入式系统应当具有几个重要的技 术特征i j ： 1 系统具有适当的操作系统内核。由于嵌入式系统一般应用于小型 电子装置，系统资源相对有限，所咀操作系统内核规模较通用操作系统要 小。目前的嵌入式系统的核心只有几k b 到几十k b 。 2 专用性强。嵌入式系统都是以某个具体应用为日的，其中软件系 统和硬件的结台具有很强的针对性。 3 系统精简。与其他计算机系统的应用技术不同，嵌入式系统提供 了以前如为目标的应用技术。这种应用技术的基本特点是，操作系统的规 模和结构与应用软件以及系统硬件结构直接相关。因此，嵌入式系统的应 用设计结果都具有精简特性，操作系统和应用软件协调相融。 4 嵌入式系统丌发需要专门的丌发工具和环境。与微处理器系统应 用开发相同，嵌入式系统地应用丌发包括软件和硬件两部分。由于嵌入式 系统本身不具备自主- 丌发能力即使设计完成以后用户通常也不能对其中 的程序功能进行修改，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。开发时 往往有主机和目标机的概念。主机用于程序的开发，目标机作为晟后的执 行机，刀：发时需要交替结合进行。 5 嵌入式软件开发要想走向标准化，就必须使用多任务的操作系统。 嵌入式系统的应用程序可以没有操作系统而直接在芯片上运行；但是为了 合理地调度多任务利用系统资源、系统函数以及专家库函数接口用户 必须自行选配r t o s ( r e a l - t i m eo p e r a t i o ns y s t e m ) 开发平台，这样才能 保证程序执行的实时性、可靠性，并减少丌发时间、保障软件质量。 1 2 嵌入式系统硬件、软件的基本特征 嵌入式系统由硬件和软件两大部分组成，所以其特征也可以从硬件和 软件两方面来描述。 北京交通大学颇士论文 1 2 一l 嵌入式系统的硬件 从硬件方面来讲，各式各样的微处理器( 包括i p 核) 是嵌入式系统 硬件的最核心部分。从理论上讲任何一个具有c p u 的器件。对可疑早 为嵌入式系统地核心微处理器。目前世界上具有嵌入式功能的特点的处 理器已经超过1 0 0 0 种流行体系包括m c u 、m p u 等3 0 多个系列。鉴 于嵌入式系统广阔的发展前景很多半导体制造商都开始大规模生产嵌入 式处理器，并且公司自主设计微处理器也已经成了未来嵌入式领域的一大 趋势，从单片机、d s p 到f p g a 、s o c ，品种越来越多，速度越来越快， 性能越来越强，价格也越来越低。 嵌入式处理器一般具有以下4 个特点i l q ： 对实时多任务操作系统具有很强的支持能力，能完成多任务并且 有较短的中断响应时间，从而有效地降低了内部代码和实时内核 心的执行时间减少。 具有功能很强的存储区保护功能， 可扩展的处理器结构以能最迅速地丌发出满足应用需要的高性 能专用微处理器。 低功耗。 根据其现状，嵌入式处理器可分为以下几类： 1 嵌入式微控制器( m i c r o c o n t r 0 1 l e r u n i t ，m c u ) 。 嵌入式微控制器的典型代表是单片机。从2 0 世纪7 0 年代出现到今天， 4 位、8 位、1 6 位的单片机在各个领域有着极其广泛的应用。普通单片机 芯片内部集成r o m e p r o m ，e e p r o m 、r a m 、总线、定时，计数器、i ，o 、 串口等必要的功能，特殊的单片机芯片还包含了a ，d 、d a 、l c d 、 c a n b u s 驱动器等功能。 与嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积减小， 从而使功耗和成本下降、可靠性提高。目前。它仍然是嵌入式系统工业的 主流。王n t e l 、m o t o r o l a 、a t m e l 、p h i l i p s 等公司的产品为其中的代 表。 2 嵌入式d s p 处理器( d i g i t a ls i g l l a lp m c e s s o r d s p ) d s p 处理器是专门用于信号处理方面的处理器，其在系统结构和指令 算法方面进行了特殊设计，具有很高的编译效率和指令执行速度。在数字 北京交通大学硕十论文 滤波、f f t 、频谱分析等各种仪器上d s p 获得大规模的应用。 d s p 的理论算法在2 0 世纪7 0 年代就已经出现，但是由于专门的d s p 处理器还未出现，这种算法只能通过m p u 等实现，其应用领域也受到了 较大的局限。1 9 8 2 年世界上诞生了首枚d s p 芯片，其运算的速度比m p u 快了几十倍，在语音合成和编解码器中得到了广泛应用。9 0 年代后，d s p 发展到了第5 代产品。集成度更高，使用范围也更加广阔。 目前最为流行的是t i 公司的t m s 3 2 0 c 2 0 0 d ，c 5 0 0 0 系列，另外如i n t e 公司的m c s 2 9 6 和s i e m e n s 公司的t h c o r e 也有自己的应用范围。 3 嵌入式微处理器( m i c r o p r o s s o ru n i t ，m p u ) 嵌入式微处理器是由通用计算机中的c p u 演化而来的，它的特征是 具有3 2 位以上的处理器具有较高的性能，其价格也较高。与计算机处 理器不同的是，在实际嵌入式应用中，只保留和嵌入式应用紧密相关的功 能硬件，去除其他的冗余功能部分，这样就以最低的功耗和资源实现嵌入 式应用的特殊要求。目前主要的嵌入式处理器类型有a m l8 6 8 8 、3 8 6 e x 、 s c 4 0 0 、p o 仉肾r p c 、6 8 k 、a r m s t m n g a r m 系列等。 4 嵌入式片上系统( s y s t e m o n c h i p s o c ) 片上系统s o c 是追求产品系统最大包容的集成器件，是目前嵌入式 应用领域的热门话题之一。s o c 最大的特点是成功实现了软硬件无缝连 接，直接在处理器片内嵌入操作系统的代码模块。s o c 具有极高的综合性， 在一个硅片内部运用v h d l 等硬件描述语言，实现了一个复杂的系统。 由于绝大部分系统构件都是在系统内部，整个系统就特别简洁，不仅减少 了系统的体积和功耗，而且提高了系统的可靠性，提高了设计生产效率。 l 一2 2 嵌入式系统软件的特征 嵌入式处理器的应用软件是实现嵌入式系统功能的关键，对嵌入式处 理器系统软件和应用软件的要求也和通用计算机有所不同”j 。 ( 1 ) 要求固态化存储 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在 存储器芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。 ( 2 ) 要求软件代码高质量、高可靠性 尽管半导体技术的发展使处理器速度不断提高、片上存储器容量不断 增加，但在大多数应用中，存储空间仍然是宝贵的，还存在实时性的要求。 北京变通大学砸十论文 为此要求程序编写和编译工具的质量要高，以减少程序二进制代码长度、 提高执行速度。 ( 3 ) 要求操作系统软件( o s ) 具有高实时性 在多任务嵌入式系统中，对重要性各不相同的任务进行统筹兼顾的合 理调度是保证每个任务及时执行的关键，单纯通过提高处理器速度是无法 完成和没有效率的。这种任务调度只能由优化编写的系统软件来完成，因 此系统软件的高实时性是基本要求。实时操作系统的主要特征有： 规模小； 中断被屏蔽的时间很短； 中断处理时间短； 任务切换很快。 常见的实时操作系统大体分为两大类商用型和免费型。商用型的 实时操作系统功能稳定、可靠，有完善的技术和倍后服务但往往价格昂 贵。免费型的实时操作系统在价格方面具有优势，目l j ：主要有p c l i n u x 和n c ，0 s 。 ( 4 ) 要求具有多任务功能 多任务操作系统是知识集成的平台和走向工业标准化道路的基础 1 3 嵌入式系统的发展及应用 1 3 1 嵌入式系统的发展历史 1 单片机开创了嵌入式系统独立发展道路 嵌入式系统虽然起源于微型计算机时代，然而，微型计算机的体积、 价位、可靠性都无法满足广大对象系统的嵌入式应用要求，因此，嵌入式 系统必须走独立发展道路。这条道路就是芯片化道路。将计算机做在一个 芯片上，从而开创了嵌入式系统独立发展的单片机时代。 在探索单片机的发展道路时，使用过两种发展模式，即“模式”与 “创新模式”【2 】口】。“z 模式”本质上是通用计算机直接芯片化的模式， 通过对通用计算机系统功能单元的裁剪并加上适当的专用电路，集成在一 个芯片上，构成单片机或单板机。“创新模式”则完全按嵌入式应用要求 设计全新的，满足嵌入式应用要求的体系结构、微处理器、指令系统、总 北京交通大学坷! 上论立 线方式、管理模式等。i n t e l 公司的m c s 4 8 、m c s 一5 l 就是按照创新模式 发展起来的单片形态的嵌入式系统( 单片微型计算机) 。m c s 5 1 是在 m c s 4 8 探索基础上进行全面完善的嵌入式系统。历史证明，“创新模 式”是嵌入式系统独立发展的正确道路，m c s - 5 l 的体系结构也因此成为 单片嵌入式系统的典型结构体系。 2 单片机的技术发展史 单片机诞生于2 0 世纪7 0 年代末，经历了s c m 、m c u 、s o c 三大阶 段l 。 s c m 即单片微型计算机( s i n 9 1 ec h i pm i c r o c o m p u t e r ) 阶段，主要是 寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。“创新模式”获得成功， 奠定了s c m 与通用计算机完全不同的发展道路。m c u 即微控制器( 单片 机m i c r oc o n i r o l l e ru n i t ) 阶段。主要的技术发展方向是：不断扩展满足嵌 入式应用时，对苏系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智 能化控制能力。 单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向m c u 阶段发展的重要因寮， 就是寻求应用系统在芯片上的缳大化解决。随着微电子技术、i c 设计、 e d a 工具的发展，基于s o c 概念和技术的单片机应用系统已经成为嵌入 式系统应用的重要技术。因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、 单片微控制器延伸到单片应用系统。 1 3 2 嵌入式系统的现状 随着信息化、智能化、网络化的发展，嵌入式系统技术也将获得广阔 的发展空间。进入2 0 世纪9 0 年代，嵌入式技术全面展开，目前及成为通 信类和消费类产品的共同发展方向。在通信领域，数字技术正在全面取代 模拟技术。在广播电视领域，美国已经开始由模拟电视向数字电视转变。 而软件、集成电路和新型元器件在产业发展中的作用日益重要。所有上述 产品中，都离不开嵌入式系统技术。在个人领域中，嵌入式产品将主要是 作为个人移动的数据处理和通信软件。 硬件方面，不仅有各大公司的微处理器芯片，还有用于学习和研发的 各种配套开发包。目前地层系统和硬件平台经过若干年的研究，已经相对 比较成熟，实现各种功能的芯片应有尽有。 从软件方面，也有相当多的成熟软件系统。如商业化的嵌入式时实操 作系统w i n d r j v c r 、m i c r o s o 竹、q n x 和n u c l e a r 等产品，以及免费型操作系统l i n u x e 北京交通大学碗：论支 和u s 等a 1 3 3 嵌入式系统的未来发展趋势 电子技术的发展对嵌入式系统地应用提供了坚实的技术基础，同时也 对同时也对嵌入式技术本身提出了新的挑战。为了满足技术发展的要求， 嵌入式系统必须不断地满足各种应用领域所提出的技术要求，从而自身也 不断地得到发展。从技术发展上看嵌入式系统的发展趋势可以预测如下。 1 智能化、集成化e d a 技术支持下的应用系统开发技术。对这应用 领域的不断扩大，嵌入式系统的应用开发技术将会变得越来越复杂。这就 要求嵌入式技术在提供软硬件系统本身的同时，还要提供强大的硬件和软 件设计开发工具。 2 嵌入式网络技术。随着因特网技术的成熟、带宽的提高，网络已 经称为社会的基础嵌入式系统必须适应网络化的要求，不仅硬件和软件支 持各种网络通信接口，嵌入式系统本身也将发展成为一种新的网络结构。 新一代的嵌入式处理器已经开始内嵌网络接口，除了支持1 、c p ，i p 协议， 有的还支持i e e e l 3 9 4 、u s b 、c a n 、b l u e 卫o o t h 等通信接口中的一种 或几种，同时也提供相应的通信组网协议软件和物理层驱动软件。 3 基于s o c 概念与技术的嵌入式系统。集成电路设计与制造技术的 发展，提供了实现s o c 的技术基础。由于在s o c 设计中已经大量使用了 嵌入式技术因此，在e d a 和c a d 技术的支持下，嵌入式系统地一种 最好的应用系统形式就是s o c 。 1 3 4 嵌入式系统的应用 嵌入式系统种类繁多、应用数量大、分布范围广，己广泛应用于工业、 农业、商业、金融、科研、国防、医疗、运输等一系列国民经济领域中。 下面将列举嵌入式系统应用的主要领域及其相关的设备。 建筑业：勘探和定位设备、建筑设备。 运输业：飞机、火车、汽车、轮船、雷达系统、燃料设施、信号 系统、交通控制系统、售票系统、停车场管理系统、出租车里程 计价器。 楼宇及设施：供电系统( 供电、监测、控制、保护) 、备用照明及 发电机、消防控制系统、供热及通风系统、电梯、安全系统。 北京交通人学顿士论文 通信：电话交换机、移动电话、电缆系统、卫星及全球定位系统 ( g p s ) 、数据交换设备( 如x 2 5 设备、a t m 设备等) 。 办公设施：电话系统、传真机、复印机、摄像机和录像机。 银行、金融和商业：自动柜员机( 删) 、信用卡系统、p 0 s 系 统( 包括扫描系统) 。 医疗设备：心脏起搏器、步行监视器、病人信息及监控系统、药 剂控制及配药系统、x 射线设备、心电图及脑电图设备、电磁成 像系统( c t ) 。 测试、监视及诊断系统；能源测量器、环境监测设备。 信息家电：冰箱、空调的网络化、智能化控制。 1 4 本文研究的问题 从嵌入式系统的基本技术特征可以看到实时性是一个十分重要的技 术要求。山于嵌入式系统应用广泛，因此，每一个嵌入式系统都具有相对 的独立性和专用性。这种专用性中，实时性要求会与各种不同的应用目标 具有十分紧密的联系。实际上，如何确定某个嵌入式系统是否具有满足设 计要求的实时性技术特征，以及在不同的嵌入式应用系统设计中如何满足 实时性要求，已经成为嵌入式系统应用开发的关键技术。 在使用环境相对圆定的情况下，嵌入式系统所实施的控制过程是可预 见的，而无需对突发事件进行处理，此时系统只需按照程序安排好的顺序 逐项完成各项功能即可。而对于突发事件，簦求系统具有捕捉突发事件的 发生、并在一定的时间内对此事件进行处理的能力这样的系统被称之为 实时系统。嵌入式系统根据系统对时间的要求可分为实时系统和非实时系 统，而实时系统又根据系统对时间要求的严格程度不同可分为硬实时系统 和软实时系统( 这些基本概念将在第二章实时性问题中具体讲述) 。整个 嵌入式系统的执行是通过软件来控制的，而开发人员所开发的应用软件是 以嵌入式操作系统为平台进行的。嵌入式操作系统也有实时操作系统和非 实时操作系统两种，对于实时嵌入式系统则必须要使用实时操作系统。 本文将对在以实时操作系统为平台的前提下，应用系统实时性设计技 术进行研究，重点研究保证应用系统满足设计要求的实时性的开发手段和 方法，并建立分析系统实时性的模型。 1 0 北京交通夫学碗l 论文 本章小结 本章主要讲述了嵌入式系统的定义、特点、嵌入式硬件及软件的特征、 嵌入式系统的发展过程以及它广泛的应用领域，使我们对嵌入式系统有了 一个初步的了解，并在最后一节提出了本文所研究的重点。 北京交通大学碗上论立 第2 章实时。i 生问题 对于有些系统来说，人们满足于它的正确性，面正确性仅仅取决于它 所执行指令的逻辑顺序，和执行此逻辑顺序所花时间的多少无关。但对于 有些系统来说，正确的执行指令的逻辑顺序，只是问题的一个方面，另一 方面，系统与外部交互时的时间关系也非常重要。例如，必须在1 0 毫秒 内移走机械手来避免碾压；必须在3 0 秒时间内关闭安全阀来防止发动机 停转；必须在8 0 微妙时问内对通信端口中断做出响应、否则可能会丢失 数据包等等。这些必须在一定时间内完成的操作或控制对系统提出了实时 性的要求。 2 1 实时性基本概念 所谓实时，是指在一个确定的时间里，对外部产生的事件做出响应， 并在规定的时间里完成这种响应及处理。能够达到这种实时要求的控制被 称为实时控制，而用于实时控制的系统就成为实时系统。 2 一l 一1 实时系统 实时系统可以定义为一个能够在事先指定或确定的时间内完成系统 功能和对外部或内部、同步或异步时间作出响应的系统，如图2 1 所示。 输入 i 堕旦丝壅卜l 输出 - - 一一- 一一一一一一一一一一一一一一一- 一一。 一一一一一一一一一一一一一： 图2 1 一个实时系统的实时特性 外部事件有同步和异步特性。对外部事件的响应包括：当事件发生时 要识别出来；在给定时间约束内必须输出结果。时间约束包括完成时问， 或开始时间和完成时间。实时系统的环境创立外部事件，这些时间被实时 固固固固 北京交通大学砸士论文 系统的一个或多个部件接收，实时系统的响应通过一个或多个部件注入到 环境。而对于实时响应时间，不同的应用系统有不同的要求，即使是在同 一个应用系统内部，不同的应用场合也有不同的要求。例如，在同一个系 统中，可能紧急事故处理所要求的响应时间是必须在m s 级的时问，而非 紧急事件处理所要求的响应时间是s 级的时间。只要在所要求的响应时间 内完成相应的处理，就都是实时的。因此，“快”并不完全是实时性的体 现，在规定的时间内正确地完成所要求的处理才+ 是实时性的真正内涵。 2 1 2 硬实时和软实时 实时性要求系统必须在规定的时间即死线到达前内对外部发生的事 件做出响应对于响应时间要求的严格程度的不同，实时性可分为硬实时 和软实时。 1 硬实时 硬实时与软实时的差别是系统对丢失死线的容忍程度。错过死线的计 算结果是没有用的，不能满足死线所产生的处罚是严重的。对硬实时系统 而言，丢失死线的容忍程度是极低的或者是零容忍的。因此，一个硬实时 系统( h a r dr e a it i m es y s l e m ) 是必须满足其灵活性接近零死线要求的实 时系统。死线必须满足，否则就发生灾难。这种灾难是极大的并且危及人 的生命。死线之后得到的计算结果或是零及无用，或是高度贬值，因为在 系统产生响应之前时问从丢失的死线进一步流失。可见，时间的正确性 是硬实时系统的关键。 2 软实时 软实时系统对丢失死线的容忍程度非零的。死线后得到的计算结果会 贬值，它的无用程度不会像硬实时系统那样为零，后果也是非灾难性的。 因此，一个软实时系统时必须满足死线要求的，但它是有一定灵活性的实 时系统。死线可以包含可变的容忍等级、平均的时间死线甚至是带不同 程度的可接受性的响应时问的统计分布。在软实时系统中，死线的丢失不 会导致系统失败，但根据应用的性质。代价会随延迟时间成比例增加。 需要注意的是。死线的长度并决定实时系统的硬或软，而是由它的时 间内满足需求与否来决定。 北京变通犬学硕士论立 2 2 工业控制与信号处理中的实时性要求 2 2 1 工业控制系统中的实时r 眭要求 随着计算机技术的飞速发展，数据通信、网络工程和信息管理等系统 性能的巨大改进，出现了将自动测试技术、计算机技术和通信技术的进展 结合起来的时机。在短短几年的时间里，测试工业就经历了一场彻底改变 测试决策的革命。测试系统正沿着计算机化、标准化和网络化三大趋势发 展。 计算机应用于工业生产是计算机应用领域的一个重要拓展，而计算机 应用于工业生产的一个重要方面是用于工业生产的过程控制。工业生产过 程控制系统是以计算机为核心的实时测量与控制系统，工业生产4 控系统 通常包括：各种传感器和变送器、过程输入和输出设备、计算机或微处理 器、执行机构等。测控系统对工业生产过程中的各种工作状态进行实时数 据采集，然后按照规定的规则进行处理，最后根据处理结果实施新的控制。 按照这样的步骤反复地运行下去，从而完成工业生产过程的测控任务，使 工业生产过程实现了自动化和现代化。现在，几乎各种工业领域如航空、 航天、冶金、电力、交通运输等，都在努力实现这样的测控自动化。 在工业生产过程中采用的计算机测控系统可分为实时数据据采集系 统和实时控制系统【”。 1 实时数据采集系统 实时数据采集系统是只进行实时数据采集的系统，或者在实时数据采 集的基础上进行统计、分析，从而向操作人员给出参考操作方案与报警等 的系统。 采用计算机或嵌入式系统为处理核心的实时数据采集系统具有以下 的优点； 生产过程导入计算机系统的目的是为了记录与统计生产过程的必 要数据，或者是为了监视工业生产现场各种设各的状态，以便进 行及时的、针对性很强的维修； 由于工业生产现场规模过大而使得操作决策难于表达，或者虽然 能够表达，但是仍然需要较多的人为介入时，采用数据采集系统 是既经济又实用的选择。 北京交通大学硕士论文 计算机实时数据采集系统虽然不直接参与生产过程的控制，但是它的 作用仍然是很明显的。例如： 由于系统的运行速度较快，所以在过程参数的测量和记录方面可 以代替大旦的常规显示仪表和记录仪表，对整个生产过程实现集 中监视。 由于系统具有运算和逻辑判断能力，可以对大量的输入数据进行 必要的集中、分类与处理，并得出一定的结果，从而可以作为指 导生产过程控制的参考。 由于系统有存储信息的能力所以可以预先存入各种工艺参数的 极限值，以便在处理过程中进行超跟报警，确保生产过程的安全。 正是具有以上的这些特点，使得实时数据采集系统所得到的数据能够 充分体现工业现场的实时情况，为下一步的实时控制做准备。 2 实时控制系统 实时控制系统是能够对工业生产过程实施实时控制的系统。通过接收 到的出实时数据采集系统所传送的数据，通过系统内部的各种运算、处理 后，并在规定的时间内通过输出设备最终完成对工业现场的相应控制，实 现整个的实时控制。 从上面的介绍可发现，一个工业实时控制系统，必须具有实时数据采 集功能，因为只有在此功能的基础之上才能够实现实决策，从而实施实时 控制。因此，工业控制系统对工业生产过程的控制作用可以归结为三个步 骤：实时数据采集、实时决策、实时控制。 实时数据采集：工业控制系统通过过程输入接口对各个状态变量 的瞬时值进行实时扫描采集。 实时决策：工业控制系统对所采集到的数据样本进行分析、处理， 并根据预先确定的控制规律计算出下一步的过程控制变量。 实时控制：通过过程输出接口实时地向受控对苏中的控制结构发 出控制信号。这些受控对象的控制机构包括各种调节器、步进电 机、继电器以及其它各种执行器。 工业控制中的实时性是指工业控制系统应该具有的能够在限定的时 间内对外来事件作出反应的特性。这里所说的在限定的时间内，具体地讲 来是指限定在多么长的时间以内呢? 在具体地确定限定时间时，主要考虑 两个要素：其一，根据工业生产过程出现的事件能够保持多么长的时间； 北京交通丈学砸士论文 其二，该事件要求系统在多么长的时问以内必须作出反应，否则将对生产 过程造成影响甚至造成损害。工业控制实时系统具有时间驱动和事件驱动 的能力，即在按一定的周期时间对所有事件进行巡检扫描的同时，可以随 时响应中断请求。通常把那些变化并不非常地迅速、即使不立即作出反应 也不至于造成影响或损害的事件，在巡检过程中进行读入，而把那些保持 时间很短且需要计算机立即作出反应的事件作为中断请求源，以便在该 类事件一旦出现时系统能够立即响应。 2 2 2 信号处理中的实时性要求 信息是所有消息的总称，而人类传送信息，是通过各种信号来实现的。 信号是传送信息的载体。例如，通过声音和语音信号刺激人的听觉器官来 得到各种信息，再进一步，通过视频图象信号，尤其是动态视频图象信号， 由人的视觉来得到更生动更真实的信息。当然，仅有图象是不够的，还必 须配合以声音、文字等多种形式的信号。通过听觉、视觉和其他感觉，使 人类获取信息的效果更好。信号处理的本质是信息的变换和提取，是将信 息从各利，噪声，干扰的环境中提取出来，并变换为一种便于为人或机器所 使用的形式。从某利r 意义上说，信号处理类似于”沙里淘金”的过程：它并 不能增加信息量( 即不能增加金子的含量) ，但是可以把信息( 即金子) 从各种噪声、干扰的环境中( 即散落在沙子中) 提取出来，变换成可以利 用的形式( 如金条等等) 。如果不进行这样的变换，信息虽然存在，但却 是无法利用的；这正如散落在沙中的盒子无法直接利用一样。 早期的信号处理主要是采用模拟的处理方法，包括运算放大电路、声 表面波器件( s a w ) 以及电荷耦合器件( c c d ) 等等。例如运算放大电 路通过不同的电阻组配可以实现算术运算，通过电阻、电容的组配可以实 现滤波处理等等。模拟处理最大的问题是不灵活、不稳定。其不灵活体现 在参数修改困难，需要采用多种阻值、容值的电阻、电容，并通过电子开 关选通才能修改处理参数。其不稳定主要体现为对周围环境变化的敏感 性，例如温度、电路噪声等都会造成处理结果的改变。 解决以上问题最好的方法就是采用数字信号处理技术。数字信号处理 可以通过软件修改处理参数，因此具有很大的灵活性。由于数字电路采用 了二值逻辑，因此只要环境温度、电路噪声的变化不造成电路逻辑的翻转 数字电路的工作都可以不受影响地完成，具有很好的稳定性。因此，数字 北京交通丈学砸士论立 信号处理已经成为信号处理技术的主流。而数字信号处理的主要缺点是处 理量随处理精度、信息量的增加而成倍增长，如果在信号的处理阶段所花 费的时间过长，就会严重影响整个系统的响应，因此，信号处理同样存在 着对实时性的要求，甚至是强实时。解决这一问题的方法是采用高速实时 信号处理系统。当前，高速实时数字信号处理( d s p ) 技术已经取得了飞 速的发展，目前单片d s p 芯片的速度已经可以达到每秒1 6 亿次定点运算 ( 1 6 0 0 m i p s ) 。高速实时d s p 芯片的主要特点就是采用了各种并行处理技 术，包括片内并行和片间并行等。 高速实时数字信号处理系统的构成一般包括：高速实时数据采集、高 速实时数据存储、高速实时数字信号生成、信号传输等部分。其中数据采 集部分是对现场的信号进行实时的采集，它的实时性关系到后续的存储和 信号生成等的所有操作是否有意义，如果在信号采集部分没有实现实时 性，那么对于前实时系统后续的所有部分所进行的操作都没有了任何意 义。而当前高速实时a d c 的采样速率已经可以大于10 0 0 m h z ，可以满足 对现场数据的实时采集。同样，对于数据的存储、数字信号生成和信号传 输等，在软实时系统中，实时性的不满足会造成最终信号的变形而是使用 者得不到真正的现场的原始信号，而在强实时系统中，信号的失真对后续 的使用者来说就失去了它原有的意义或造成严重的后果。例如在利用计 算机技术把声、文、图象等集合成一体的多媒体技术中，由于多媒体系统 需要处理各种复合的信息媒体，决定了多媒体技术必然要支持实时处理。 接收到的各种信息媒体在时问上必须是同步的，其中语声和活动的视频图 象必须严格同步，因此要求实时性，甚至是强实时。如电视会议系统的声 音和图象不允许存在停顿，必须严格同步，包括“唇音同步”，否则传输的 声音和图象就失去意义。 2 3 实时性系统的特点 由于实时系统对时间要求的特殊性，使它具有以下的特点： 1 任务具有截止期。实时系统在响应外部事件时处理该外部事件 的实时任务，必须在个特定的时间内完成，这个“确定的时问”，就是 任务的截止期。根据前面在实时性基本概念中讲述的硬实时和软实时的概 念，截止期可分为硬截止、软截止和固截止。 1 7 北京交通大学硕上论文 硬截止：超过截止期将导致严重后果。 软截止：虽然响应级及处理的时间超过了截止期，但这种响应可 能还有一定价值。 固截止：超过截止期才响应处理，已经完全没有价值。 2 实时任务具有结构上的内在联系。实时任务和传统计算机的计算 任务不同，后者是相互无关、自成一体的独立计算任务。而实时系统则不 然，有时，一个实时任务可以分裂成多个任务执行。有时多个任务又可合 并成一个任务。共同完成某种控制目标。 3 在实时系统中，任务的活动具有各种要求和限制，如计算时间要 求、资源要求、通信上的要求、执行次序的限制、执行时问的限制等。 4 实时任务是可预测的，实时系统要求事先知道，即任务在晟坏情 况下的执行时间以及所需数据与资源要求对最坏情况的预测与实际的差 别尽可能小。即系统的实时任务，甚至在峰值负载时，也应满足它的截止 期。 5 实时系统中所有的实时任务，都是出外部事件所激发的。这种外 部事件，可以由系统内部的定时器