嵌入式系統是嵌入到對象體系中的計算機應用系統，與對象系統交互，在實現對象系統某些任務過程時，對應用系統會提出響應時間的限定要求。由于應用系統中軟件運行的時間耗費，常常不能滿足限定的時間響應要求，由此而產生了嵌入式應用系統的實時性問題。本文粗淺地歸納嵌入式應用系統實時性的諸多問題，希望引起大家關注。 

　　隨著后PC時代以及網絡、通信技術時代的到來，大量的計算機專業人員進入了嵌入式應用領域；然而，有大量的嵌入式系統應用是以單片機的形式，應用在傳統的電子技術領域中。因此，以計算機領域人員為主體的，遠離對象系統的嵌入式系統的計算機工程應用模式，和以電子技術領域人員為主體，與對象系統緊耦合的電子技術應用模式產生了概念上的碰撞。許多電子技術應用模式熟視無睹、習以為常的概念，在計算機工程應用領域中作為一個新概念提出時，常常使電子技術應用領域中的人員感到莫明其妙。以前的“嵌入式系統”概念是其一，而今“嵌入式系統的實時性”又是一例。

　　1 什么是電子系統的實時性

　　任何一個電子系統都可看成是一個激勵-響應系統。每個特定的電子系統都有一個從激勵輸入到響應輸出的時間，即激勵-響應周期T，它表現為系統的響應能力。如果系統的響應能力T能滿足嵌入對象所規定的響應時間ta要求，即T≤ta，這個系統便是實時的電子系統。

　　那末，什么是嵌入對象所要求的響應時間ta呢？通常，不論哪一種電子系統，實現對象體系的控制管理要求，這些控制管理通常都會有一定的時間限制。例如，一個振動監測系統，對振動波形的檢測周期必須滿足采樣定理要求；飲料生產線上的計量、饈控制系統，必須在一個工位的移動周期里完成秤量、封口的控制輸出；對于超市中使用的電子秤，在秤量時，希望能立即顯示出重量和計價金額；我們日常使用的計算機，在敲擊鍵盤時，也要求在顯示屏上快速地出現鍵盤輸入結果。因此，幾乎所有的電子系統都有一個客觀的響應時間ta要求。這就電子系統普遍存在的實時性問題，即要求T≤ta。

　　2 三類電子應用系統的實時性

　　ta是電子系統具體應用時，客觀應用環境提出的具體響應時間要求；不同類型電子系統的激勵-響應時間T的不同，形成不同的實時性問題。我們可以按不同的激勵-響應時間T的特點，將電子系統分為經典電子系統、通用計算機系統與嵌入式系統，來討論不同類型的電子應用系統不同的實時性特點。

　　①經典電子系統：不含計算機的純電子電路系統，例如，測量放大器、電子計數器、溫度指示器（由ADC、譯碼器、LED顯示器構成）等，電路的動態特性決定了系統響應能力T的大小。經典電子系統是一個激勵-響應系統，從激勵到響應的時間完全取決于電子在電路中的運動過程，因而，它具有極短的、相對固定不變的，從激勵到響應的時間周期T。在大多數經典電子應用系統中，由電路的動態特性決定了T值的大小。一般情況下，應用系統的T遠小于嵌入對象系統的響應（ta）要求，因此，在經典電子應用領域中，應用工程師的頭腦中沒有“實時性”名詞的概念，而對一些極快速響應要求的應用系統，如振動測量系統，它的實時性要求常常反映為電路系統的“頻率響應”要求。

　　 ②通用計算機系統：是一個人機交互的激勵-運行-響應系統。它的激勵-響應時間T表現為電路系統的激勵-響應時間tc與軟件運行時間ts，而電路系統的激勵-響應時間與軟件運行時間相比為高階小量，因而軟件運行時間形成了T的主要成份，T=tc+ts≈ts。由于通用計算機系統只使用在人機交互環境中，對象（人）提出的響應時間ta要求，只是一個期望值（盡量快），而這種欲望一方面表現為永無止盡，另一方面又表現出現實的可容忍性。因此，通用計算機系統是一個非實時的電子系統，而快速性成為通用計算機系統發展的永恒主題。

　　③嵌入式系統：由于計算機的嵌入，嵌入式系統也是一個激勵-運行-響應的電子系統。但是，它與嵌入對象體系交互時，要滿足事件交互過程的響應要求。一方面，由于計算機的嵌入，嵌入式應用系統有十分可觀的激勵-響應時間ts，導致系統實時能力的降低；另一方面，由于嵌入對象體系的多樣性、復雜性，不同的對象體系會提出不同的響應時間ta要求。因此，在嵌入式應用系統的具體設計中，必須考慮系統中每一個任務運行時，能否滿足ts≤ta的要求，這就是嵌入式系統的實時性問題。

　　綜上所述，經典電子系統應用中，沒有顯出實時性的概念，是因為電子系統的激勵-響應時間T極短，絕大多數電子系統都能滿足T≤ts要求；通用計算機系統應用中，沒有實時性概念，是因為ta只有期望要求；而嵌入式系統應用中，必須考慮實時性問題，是因為軟件運行的時間耗費ts，會使系統的激勵-響應時間T巨額增加，而不能滿足嵌入對象系統提出的響應時間ta要求，現了嵌入式系統的實時性問題。

　　3 嵌入式系統的實時性分析

　　3.1 嵌入式系統實時性的出發點

　　嵌入式系統由于是嵌入到對象體系中的一個電子系統，與對象系統密切相關。而形形色色的對象系統會有不同的響應時間ta要求，如動態信號的采集系統、生產線的控制單元等，有嚴格的響應時間要求；超市的秤重、計量、收銀機只要求有盡快的響應時間；在同樣的動態信號采集系統中系統的響應時間與信號的動態特性有關。這些不同的嵌入式應用系統的不同響應要求，表現了嵌入對象響應要求（ta）的多樣性。

　　嵌入式應用系統的激勵-運行-響應特性，形成了以軟件運行時間ts為主要內容的系統響應能力T。而軟件運行時間ts與指令速度、編程技巧、程序優化等有關，是一個在應用系統設計中可以改變的參數，它表現了嵌入式應用系統實時能力的可變更性。

　　因此，ta的多樣性要求與響應時間ts的可調整性，是嵌入式系統的實時性分析的基本出發點。根據嵌入對象ta的不同要求，調整、變更ts大小，以實現ts的最佳化，是嵌入式系統實時性設計的一項重要內容。

　　3.2 嵌入式系統的實時性分析

　　（1）實時性與快速性
　　嵌入式系統的實時性不是一個快速性概念，而是一個等式概念，即能否滿足ts≤ta的要求。因而，快速系統不一定能滿足系統的實時性要求，而某些情況下滿足實時性要求時，系統的運行速度并不高。例如，滿足溫度采集實時性要求的嵌入式系統，運行速度并不高；而許多高速運行的系統，未必能滿足沖擊振動的信號采集的實時性要求。快速性只反映了系統的實時能力而已。
　　（2）系統的最佳實時

    快速性是系統實時能力的表現。當系統不能滿足實時性要求時，必須提高系統的運行速度，然而，運行速度的提高必然帶來系統的一些負面效應，如導致系統功耗加大、電磁兼容性下降。因此，在設計一個具體的嵌入式系統時，在保證能滿足實時性要求的條件下，應使系統的運行速度降到最低，以滿足系統在功耗、可靠性、電磁兼容性方面獲得最佳的綜合品質。

　　（3）系統的實時性分配

　　在一個嵌入式應用系統中，有許多過程環節。例如，一個典型的智能儀表就有信號采集、數據處理、結果顯示、鍵盤輸入等過程。這些過程往往是在不同的時間與空間上進行，而且不同過程的實時性要求是不同的。鍵盤輸入、結果顯示是與人交互的，要滿足人機交互的實時性要求；信號采集與對象系統領帶的動態性密切相在，必須滿足由動態信號采集的實時性要求；而數據處理則會形成從動態信號采集到結果顯示的時間延遲，影響到結果顯示的實時性要求。因此一個優秀的實時系統設計，必須研究系統中的每一個過程環節，滿足每一個過程環節和整個系統的最佳實時要求。