嵌入式系统的实时性问题何立民.docx
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嵌入式系统的实时性问题何立民
嵌入式系统的实时性问题
■北京航空航天大学何立民
7
Microcontrollers&EmbeddedSystems
2004.9
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INDUSTRYFORUM
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t
a
。
例如，在某一个动态电压信号数
据采集中，信号的最大变化速率为0.1V/ms，只考虑采集
控制滞后的误差因素时，如该信号电压给定的误差应为
1mV，就可以最粗略地估算出满足实练数据采集任务的
响应时间t
a
要求，t
a
=1mV/（100mV/1ms）=0.01ms。
如果系统
的数据采集时间耗费t
s
能满足t
s
≤t
a
这一要求，系统就
能实现数据的实时采集。
4嵌入式应用系统的实时性设计
4.1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≈
t
s
≤t
a
，因此，在一般应用系统设计中，实时性设计并
不突出。
通常，由于嵌入式系统实现的是对象系统的全面智
能化控制，系统中会有许多相关的任务与过程。
例如，
一个数据采集系统不只是要实现对对象系统环境参数的
采集，还要对采得的信号数据进行处理，对处理结果进
行存储、显示，或实现对外部环境的控制输出，在这些
进程中，还可能有人工的外界干预等。
因此，一个实时
的嵌入式应用系统，应该在所有的过程中都能满足T≈
t
s
≤t
a
要求。
由于系统中每个过程所要求的响应时间t
a
不
同，例如，对对象系统环境参数采集时，时间响应要求
决定于被采集参数的动态特性；控制输出时则取决了被
控对象的控制品质要求；信号数据处理、存储，虽然表
现为快速响应的期望要求，但占用了从激励输入到响应
输出的中间环节。
对这些环节的响应时间要求，必须纳
入相关的任务中考虑。
因此，系统的实时性设计首先体现在应用系统总体
设计中，要在总体设计中列出有实时性要求的任务，以
及这些任务所要求的响应时间t
a
（如果所有任务的响应时
间要求都是期望要求，则该应用系统不是一个实时的应
用系统），然后考虑应用系统在实现这些任务时，必须
耗费的时间t
s
。
如果应用系统中所有的任务过程都能满
足t
s
≤t
a
，则该应用系统是一个本质性实时系统。
由于
在考虑每个任务所必须耗费的时间t
s
时，与使用的程序
设计语言（是汇编还是高级语言）、程序应用环境（是否使
用操作系统）、硬件环境（时钟系统、指令系统、CPU时
序等）有关，因此本质性实时系统的实时性与所系统使
用的软硬件平台有关。
如果系统中有一些任务无法满足t
s
≤t
a
要求，则必
须进行系统的实时性设计。
4.2嵌入式系统的实时性设计
根据系统的T≈t
s
≤t
a
要求，在一个具体的有实时
性要求的应用系统中，当系统的任务确定以后，就可以
估算出每个任务的时间响应要求t
a
，在不考虑电路系统
中的动态过程时，嵌入式系统的实时性设计的中心任务
是通过软、硬件设计来加快任务的运行过程，以达到t
s
≤t
a
要求。
然而，加快系统的运行速度会带来其它问题，
应在实时性设计中一并考虑。
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。
例如，对打印机
这样一个嵌入式应用系统，人们并没有严格的时间限
定，只有一个“尽可能快的”期望要求，因此，这样的
系统不是实时系统。
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t
a
都不高，常规的软硬件技术都
能满足t
s
≤t
a
要求。
因此，这种应用系统往往不必要考
虑系统的实时性设计。
例如，一个温度测量系统，由于
温度的大惯量特性，满足一定动态误差条件下的温度采
集、数据处理、实时显示与打印的响应时间要求t
a
值很
大，不必采取任何特殊的实时设计方法，就能满足t
s
≤
t
a
要求，因此，它是一个本质性实时系统，
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。
例如，一个仓储监
测系统，要巡回监测100点的入侵事件。
从应用要求的
可靠性出发，要求系统对于任何一点入侵事件的响应速
度（t
a
）不得大于1s；而系统对单个入侵事件的采集、处
理、输出控制的实际激励-响应时间为0.2s。
但在常规
的巡回监测方式下，对某一点监测的时间间隔为t
s
=0.2×
100=20s。
t
s
远大于t
a
，是一个非实时系统。
但这个系统
的实时性是可以改变的，如果将每个监测点入侵事件的
输入激励的查询方式变为中断输入方式，使某一监测点
的激励-响应的操作处理时间（t
s
）降到0.25s以内，满足t
s
≤t
a
要求，系统能实时地处理任何一个监测点上入侵事
件，而成为一个实时监测系统。
③通过实时性设计实现的系统的任务实时。
在系统
有实时性要求的情况下，系统能满足实时性要求时，系62004.9
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实的可容忍性。
因此，通用计算机系统是一个非实时的
电子系统，而快速性成为通用计算机系统发展的永恒
主题。
③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
对象交互，与嵌入对象的事件过程相关，在与嵌入对象
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t
s
，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t
a
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t
s
≤t
a
的要求，这就是嵌入式系统的实时
性问题。
综上所述，经典电子系统应用中，没有凸显出实时
性的概念，是因为电子系统的激励-响应时间T极短，
绝大多数电子系统都能满足T≤t
a
要求；通用计算机系
统应用中，没有实时性概念，是因为t
a
只有期望要求；
而嵌入式系统应用中，必须考虑实时性问题，是因为软
件运行的时间耗费t
s
，会使系统的激励-响应时间T巨
额增加，而不能满足嵌入对象系统提出的响应时间t
a
要
求，凸现了嵌入式系统的实时性问题。
3嵌入式系统的实时性分析
3.1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t
a
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（t
a
）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t
s
为主要内容的系统响应能力T。
而软
件运行时间t
s
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，t
a
的多样性要求与响应时间t
s
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t
s
大小，以实现t
s
的最佳化，
是嵌入式系统实时性设计的一项重要内容。
3.2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t
s
≤t
a
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、电磁兼容性下降。
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、电磁兼容性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。
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。
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；信号采集与对象系统信号的动态性密
切相关，必须满足由动态信号采集的实时性要求；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，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。
3.3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
可能完全重现原过程，这之间的差异便是动态过程的动
态误差。
例如，对于一个动态信号的数据进行采集时，
在时间点t上启动采集命令，由于要执行一系列控制指
令，产生Δt
m
滞后；另外，A/D转换器有一个转换过程，
产生Δt
c
滞后。
由于这些时间滞后，致使在时间点t上采
集的数据，实际上是时间点t+Δt
m
+Δt
c
上的信号数据。
两者之差便是系统中数据采集的动态误差。
在A/D转换
中，常常会加入一个采样/保持电路，就是为了在Δt
c
窗
口上，使动态信号值保持在Δt
c
的初始时间点上不变，使
得信号值的变化只滞后t+Δt
m
，以减少动态误差。
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2004.9
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嵌入式系统的实时性问题
■北京航空航天大学何立民
摘要
关键词
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。
嵌入式系统实时性快速性操作系统
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t
a
要求，即T≤t
a
，这个系统便是实时的电子系统。
那末，什么是嵌入对象所要求的响应时间t
a
呢?
通
常，不论哪一种电子系统，都要嵌入到一个对象体系
中，成为一个电子应用系统，实现对象体系的控制管理
要求，这些控制管理通常都会有一定的时间限制。
例
如，一个振动监测系统，对振动波形的检测周期必须满
足采样定理要求；饮料生产线上的计量、包装控制系
统，必须在一个工位的移动周期里完成秤量、封口的控
制输出；对于超市中使用的电子秤，在秤量时，希望能
立即显示出重量和计价金额；我们日常使用的计算机，
在敲击键盘时，也要求在显示屏上快速地出现键盘输入
结果。
因此，几乎所有的电子系统都有一个客观的响应
时间t
a
要求。
这就是电子系统普遍存在的实时性问题，
即要求T≤t
a
。
2三类电子应用系统的实时性
t
a
是电子系统具体应用时，客观应用环境提出的具
体响应时间要求；不同类型电子系统的激励-响应时间
T的不同，形成了不同的实时性问题。
我们可以按不同
的激励-响应时间T的特点，将电子系统分为经典电子
系统、通用计算机系统与嵌入式系统，来讨论不同类型
的电子应用系统不同的实时性特点。
①经典电子系统：
不含计算机的纯电子电路系统，
例如，测量放大器、电子计数器、温度指示器（由ADC、
译码器、LED显示器构成）等，电路的动态特性决定了系
统响应能力T的大小。
经典电子系统是一个激励-响应
系统，从激励到响应的时间完全取决于电子在电路中的
运动过程，因而，它具有极短的、相对固定不变的，从
激励到响应的时间周期T。
在大多数经典电子应用系统
中，由电路的动态特性决定了T值的大小。
一般情况下，
应用系统的T远小于嵌入对象系统的响应（t
a
）要求，因
此，在经典电子应用领域中，应用工程师的头脑中没有
“实时性”名词的概念，而对一些极快速响应要求的应
用系统，如振动测量系统，它的实时性要求常常反映为
电路系统的“频率响应”要求。
②通用计算机系统：
是一个人机交互的激励-运
行-响应系统。
它的激励-响应时间T表现为电路系统
的激励-响应时间t
c
与软件运行时间t
s
，而电路系统的
激励-响应时间与软件运行时间相比为高阶小量，因而
软件运行时间形成了T的主要成份，T=t
c
+t
s
≈t
s
。
由于
通用计算机系统只使用在人机交互环境中，对象（人）提
出的响应时间t
a
要求，只是一个期望值（尽量快），而这
种欲望一方面表现为永无止尽，另一方面又表现出现82004.9
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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。
例如，卫星发射时，控制大厅墙面上，
显示卫星轨迹的卫星运行监测系统，实时地采集卫星运
行参数，经处理后，在大屏幕上实时地显示出来，这是
一个实时系统。
但是，无法实现卫星发射过程中意外事
件的实时显示。
只能当卫星发射出现意外事故（如运载火
箭爆炸）时，出现卫星轨迹的中断。
但是，作为弥补，我
们可以实现一个意外事故的数据采集系统，高速、实时
地采集与存储火箭运行状态参数，并在火箭失事瞬间，
将数据发回控制中心，实现意外事故监测系统中，事故
数据采集任务的实时性。
对于一个冲击振动的谱分析系
统，要求有振动波形的采集、时域信号的频谱分析、频
谱的图形显示等。
由于冲击振动的信号过程时间极短，
谱分析处理耗时过多，不可能实现整个系统的实时性（振
动频谱的实时显示）要求，这时可以考虑将整个系统的操
作过程分成一些独立的部分。
例如，将冲击振动谱分析
系统的全部操作分成冲击振动信号的波形采集、数据存
储与波形信号的谱分析及其后续操作的两个独立部分，
实现振动信号采集、存储关键任务的实时性要求。
4.3关于嵌入式操作系统
在系统的实时性设计中，核心的问题是降低软件运
行时间。
除了普遍的提高CPU指令运行速度、采用高速
I/O口、计数器的捕获/比较、多机并行操作等软、硬件
措施外，就是程序设计技巧。
而在系统程序中使用操作
系统支持时，由于操作系统介入操作管理带来的额外开
销，以及对任务的灵活调度管理，成为系统实时性设计
的重要问题。
嵌入式操作系统使用在嵌入式应用系统中。
与通用
操作系统相比，嵌入式操作系统有许多特点，如可靠
性、可裁剪性、“实时性”等。
前两者是嵌入式应用环
境所要求的，而“实时性”则是为了满足系统实时性要
求的内容。
在一些文章中提到某些嵌入式操作系统时，
常常冠以“实时操作系统”，但它只是表现为该操作系
统具有较好的实时能力。
在没有置身在一个具体嵌入式
应用系统中时，不存在实时性结论。
不同的嵌入式操作
系统比较时，可以有实时能力上的不同。
任何一个嵌入
式操作系统都应有满足系统实时性设计的内容（表现为
任务的快速调度、快速运行等），实时能力强的嵌入式
操作系统能更容易地实现应用系统的实时性。
结语
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t
s
≤
t
a
时并不是越快越好。
考虑到系统的功耗及可靠性，应
在满足t
s
≤t
a
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。
（收稿日期：
2004-07-22）
缩略语
APIApplicationProgrammingInterface应用编程接口
ATAAdvancedTechnologyAttachment高级技术附加装置
BIUBusInterfaceUnit总线接口单元
BPBBIOSParameterBlockBIOS参数块
CANControllerAreaNetwork控制器局域网
CFACFcardAssociationCF卡协会
CRCCyclicRedundancyCheck循环冗余校验
DBRDOSBootRecordDOS引导扇区
DDFS（简称DDS）DirectDigitalFrequencySynthesizer直接数字频率合成器
FATFileAllocationTable文件分配表
FCSFieldControlSystem现场总线控制系统
FDTFileDirectoryTable文件目录表
GPSGlobalPositioningSystem全球定位系统
GSMGlobalSystemforMobileCommunications全球移动通信系统
ICRInCircuitReconfiguration在线可重配置
ISMIndustrialScientificMedicalBandISM频段
LBALogicalBlockAddressing逻辑块寻址
LLCLogicLinkControl逻辑链路控制
MACMediumAccessControl媒质访问控制
McBSPMulti-channelBufferedSerialPort多通道缓冲串行口
MPDUMediumAccessControlProtocolDataUnitMAC协议数据单元
MSDUMediumAccessControlServiceDataUnitMAC服务数据单元
PCIPeripheralComponentInterconnection外部设备互连
PCMCIAPersonalComputerMemoryCardInternationalAssociationPC机存储卡国际联合会
SSISynchronousSerialInterface同步串行接口
UARTUniversalAsynchronousReceiverandTransmit通用异步接收/发送器
VCOVoltageControlledOscillator压控振荡器
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