實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)是什么？很多人都沒有明確的答案，甚至可能目前獲取到的都是一些似是而非的知識(shí)，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)包括分類，約束和設(shè)計(jì)模式。

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)是電氣和計(jì)算機(jī)工程領(lǐng)域中最A(yù)mazing但也是最具挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域之一。如果您不確定嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)是什么，請(qǐng)一定要看完本篇。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)如此具有挑戰(zhàn)性的很大原因在于嵌入式系統(tǒng)所需的眾多設(shè)計(jì)約束，這些限制條件可能包括功耗，有限的內(nèi)存，I/O可用性，溫度，空間限制，當(dāng)然還有總體成本。對(duì)于某些嵌入式系統(tǒng)，一個(gè)特別重要的約束是時(shí)間。

當(dāng)系統(tǒng)必須在嚴(yán)格定義的時(shí)間內(nèi)響應(yīng)事件或請(qǐng)求時(shí)，我們將其稱為實(shí)時(shí)系統(tǒng)。這個(gè)定義的時(shí)間稱為截止日期。這些系統(tǒng)必須是可預(yù)測(cè)的，因此根據(jù)定義是確定性的。

如果嵌入了實(shí)時(shí)系統(tǒng)，我們稱之為實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)，我們?cè)诒疚闹锌苫Q地使用這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)。實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)很好的范例就是那些“關(guān)鍵任務(wù)”應(yīng)用，例如飛機(jī)控制，防抱死制動(dòng)系統(tǒng)，起搏器和可編程邏輯控制器等。

實(shí)時(shí)系統(tǒng)分類

可以針對(duì)錯(cuò)過(guò)其時(shí)序約束的可接受性這個(gè)特點(diǎn)來(lái)對(duì)實(shí)時(shí)系統(tǒng)進(jìn)行分類。

如果錯(cuò)過(guò)時(shí)間限制是絕對(duì)不可接受的，例如，如果這可能導(dǎo)致人命，我們稱之為硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)，上面提到的起搏器就是這個(gè)類型。

如果錯(cuò)過(guò)或者缺少時(shí)序約束是可以接受的，那我們稱之為軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)。像電子郵件系統(tǒng)，無(wú)線路由器和家里的一些有線電視盒也都具有設(shè)計(jì)要滿足的實(shí)時(shí)約束，但是，即便如此，錯(cuò)過(guò)這些截止時(shí)間的后果往往很小或微不足道，例如，你可能會(huì)因?yàn)槟阕钕矚g的電視節(jié)目需要緩沖一秒鐘而煩惱。當(dāng)軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)錯(cuò)過(guò)給定操作的最后期限時(shí)，操作不會(huì)立即失去其所有值。相反，隨著時(shí)間的推移，該值會(huì)減小——即，隨著時(shí)間的推移越過(guò)截止日期，它會(huì)逐漸減小到零（參見下圖，左）。

許多系統(tǒng)存在于從硬到軟的頻譜上，其中錯(cuò)過(guò)最后期限并不是不可接受的，所以沒必要去立即執(zhí)行操作，一旦執(zhí)行就失去了它的全部?jī)r(jià)值，位于此頻譜范圍內(nèi)的系統(tǒng)通常稱為固定實(shí)時(shí)系統(tǒng)（參見下圖，中間）。

在一個(gè)硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，錯(cuò)過(guò)的最后期限不僅會(huì)造成完全的價(jià)值損失，還會(huì)產(chǎn)生負(fù)值，即損害（見下圖，右圖）。

時(shí)間限制

每個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)都有一組設(shè)計(jì)滿足的時(shí)序約束，如果系統(tǒng)沒有時(shí)序約束，則不是實(shí)時(shí)的。這些時(shí)序約束可以分為兩類：事件響應(yīng)和任務(wù)調(diào)度。

事件響應(yīng)

事件是系統(tǒng)必須響應(yīng)的刺激因素。這些可以在硬件和軟件中啟動(dòng)，它們表明發(fā)生了某些事情并且必須處理。當(dāng)事件以內(nèi)部或外部中斷的形式出現(xiàn)時(shí)，它可能看起來(lái)最熟悉。例如，當(dāng)按下按鈕時(shí)，系統(tǒng)可以感知到該按鈕并執(zhí)行必要的操作。系統(tǒng)檢測(cè)到更改時(shí)，可以生成事件。系統(tǒng)檢測(cè)到事件的時(shí)刻與響應(yīng)該事件的時(shí)刻之間的時(shí)間稱為延遲。延遲定義為響應(yīng)時(shí)間減去檢測(cè)時(shí)間。

任務(wù)調(diào)度

任務(wù)是一組需要由系統(tǒng)處理器運(yùn)行的指令。一些實(shí)時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員更愿意安排任務(wù)，特別是如果這些任務(wù)會(huì)定期運(yùn)行。許多嵌入式系統(tǒng)需要重復(fù)檢測(cè)多個(gè)輸入，然后根據(jù)這些新信息修改輸出。這些類型的系統(tǒng)適合使用任務(wù)。通常使用稱為調(diào)度程序的軟件構(gòu)造來(lái)調(diào)度和運(yùn)行這些任務(wù)。計(jì)劃任務(wù)運(yùn)行與實(shí)際運(yùn)行之間的時(shí)間稱為抖動(dòng)。抖動(dòng)定義為實(shí)際時(shí)間減去所需時(shí)間。

無(wú)論實(shí)時(shí)系統(tǒng)是使用事件響應(yīng)，任務(wù)調(diào)度還是兩者，最終目標(biāo)都是盡可能減少延遲和抖動(dòng)，同時(shí)定義被認(rèn)為可接受的最壞情況的上限。

設(shè)計(jì)方法

如何設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)？隨著系統(tǒng)要求的增長(zhǎng)和時(shí)序約束的加劇，在滿足最后期限的同時(shí)管理嵌入式系統(tǒng)的所有需求變得越來(lái)越困難，以下是整個(gè)行業(yè)中使用的一些完善的原則。

輪詢

輪詢調(diào)度是用于管理實(shí)時(shí)系統(tǒng)約束的最熟知且廣泛使用的調(diào)度算法之一。它的工作方式與其名稱相同：它為每個(gè)系統(tǒng)組件提供了一個(gè)轉(zhuǎn)向，以使用共享資源并完成所需的任務(wù)。下圖顯示了CPU在切換到下一個(gè)任務(wù)之前為每個(gè)任務(wù)提供500毫秒的處理時(shí)間，任務(wù)可能會(huì)或可能不會(huì)在500毫秒內(nèi)完成，而接下去他們通常會(huì)在輪到他們的時(shí)候從他們離開的地方繼續(xù)。

隊(duì)列

實(shí)時(shí)系統(tǒng)中另一個(gè)有用的構(gòu)造是隊(duì)列。隊(duì)列可以被視為生產(chǎn)線，其中物品進(jìn)入并等待處理。準(zhǔn)備就緒后，系統(tǒng)將從隊(duì)列中刪除下一個(gè)項(xiàng)目并對(duì)其進(jìn)行處理。通過(guò)這種方式，可以將需要執(zhí)行的新任務(wù)放入隊(duì)列中，并在系統(tǒng)處理之前執(zhí)行的任何任務(wù)時(shí)等待。最終，即使更多任務(wù)進(jìn)入后面，也會(huì)處理新任務(wù)。下圖顯示了先進(jìn)先出（FIFO）隊(duì)列，其中任務(wù)C位于隊(duì)列中，直到任務(wù)A和任務(wù)B都已處理完畢。

RTOS

當(dāng)管理時(shí)序約束的開銷非常大以至于使用任何單一設(shè)計(jì)方法或原理不再可行時(shí)，實(shí)時(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)就出現(xiàn)了問(wèn)題。正是在這一點(diǎn)上，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)成為最合適的解決方案。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）利用調(diào)度和排隊(duì)的設(shè)計(jì)模式，但它增加了更多功能，包括任務(wù)優(yōu)先級(jí)，中斷處理，任務(wù)間通信，文件系統(tǒng)，多線程等，所有這些都是實(shí)現(xiàn)和超越時(shí)間約束目標(biāo)的最有效方法。

流行的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)包括VxWorks，QNX，eCos，MbedOS和FreeRTOS。

以上前兩個(gè)是專有的，也就是收費(fèi)的，但后面三個(gè)可以免費(fèi)使用。MbedOS與Arm的Mbed平臺(tái)配合使用，F(xiàn)reeRTOS已經(jīng)移植到許多不同的微控制器上，在以后的文章中會(huì)介紹如何啟動(dòng)和運(yùn)行其中一個(gè)。

結(jié)論

我們對(duì)實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行了高級(jí)解析，重點(diǎn)介紹了如何對(duì)這些類型的系統(tǒng)進(jìn)行分類和定義，我們根據(jù)系統(tǒng)錯(cuò)過(guò)截止日期的可接受程度以及錯(cuò)過(guò)截止日期的后果來(lái)對(duì)實(shí)時(shí)系統(tǒng)進(jìn)行分類并且還討論了時(shí)序約束以及組織和實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的三種常用方法。本文雖然更多地關(guān)注概念性理解而不是實(shí)踐知識(shí)，但即便如此，通過(guò)了解這些概念，微控制器和RTOS，你也可以大致分析出目前手上的項(xiàng)目是否需要用到RTOS，是否可以通過(guò)RTOS來(lái)解決以前無(wú)法實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題。