【導讀】電(dian)氣(qi)和(he)計(ji)算(suan)機(ji)工(gong)程(cheng)令(ling)人(ren)興(xing)奮(fen)但(dan)挑(tiao)戰(zhan)性(xing)的(de)領(ling)域(yu)之(zhi)一(yi)是(shi)嵌(qian)入(ru)式(shi)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)。如(ru)果(guo)您(nin)不(bu)確(que)定(ding)什(shen)麼(me)是(shi)嵌(qian)入(ru)式(shi)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)，請(qing)參(can)閱(yue)文(wen)章(zhang)末(mo)尾(wei)的(de)鏈(lian)接(jie)。嵌(qian)入(ru)式(shi)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)如(ru)此(ci)具(ju)有(you)挑(tiao)戰(zhan)性(xing)的(de)部(bu)分(fen)原(yuan)因(yin)在(zai)於(yu)任(ren)何(he)嵌(qian)入(ru)式(shi)係(xi)統(tong)都(dou)需(xu)要(yao)眾(zhong)多(duo)的(de)設(she)計(ji)約(yue)束(shu)。這(zhe)些(xie)因(yin)素(su)包(bao)括(kuo)功(gong)耗(hao)、有限的內存、I/O 可用性、溫度、空間限製
，當然還有總體成本。對於某些嵌入式係統，一個特別重要的約束是時間。

電(dian)氣(qi)和(he)計(ji)算(suan)機(ji)工(gong)程(cheng)令(ling)人(ren)興(xing)奮(fen)但(dan)挑(tiao)戰(zhan)性(xing)的(de)領(ling)域(yu)之(zhi)一(yi)是(shi)嵌(qian)入(ru)式(shi)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)。如(ru)果(guo)您(nin)不(bu)確(que)定(ding)什(shen)麼(me)是(shi)嵌(qian)入(ru)式(shi)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)
，請(qing)參(can)閱(yue)文(wen)章(zhang)末(mo)尾(wei)的(de)鏈(lian)接(jie)。嵌(qian)入(ru)式(shi)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)如(ru)此(ci)具(ju)有(you)挑(tiao)戰(zhan)性(xing)的(de)部(bu)分(fen)原(yuan)因(yin)在(zai)於(yu)任(ren)何(he)嵌(qian)入(ru)式(shi)係(xi)統(tong)都(dou)需(xu)要(yao)眾(zhong)多(duo)的(de)設(she)計(ji)約(yue)束(shu)。這(zhe)些(xie)因(yin)素(su)包(bao)括(kuo)功(gong)耗(hao)
、有限的內存
、I/O 可用性
、溫度
、空間限製
，當然還有總體成本。對於某些嵌入式係統
，一個特別重要的約束是時間。

dangxitongbixuzaiyangedingyideshijianneixiangyingshijianhuoqingqiushi，womenjiangqichengweishishixitong。zhegeguidingdeshijianbeichengweiqixian。zhexiexitongbixushikeyucede，yincigenjudingyishiquedingxingde。

如果實時係統是嵌入式的，我們稱其為實時嵌入式係統。我們在本文中互換使用這兩個術語。實時嵌入式係統的示例是“關鍵任務”應用
，例如飛機控製、防抱死製動係統、起搏器和可編程邏輯控製器。

實shi時shi係xi統tong可ke以yi根gen據ju錯cuo過guo其qi時shi序xu約yue束shu的de可ke接jie受shou性xing進jin行xing分fen類lei。如ru果guo錯cuo過guo時shi間jian限xian製zhi是shi不bu可ke接jie受shou的de，例li如ru

，如ru果guo這zhe可ke能neng導dao致zhi人ren員yuan傷shang亡wang，我wo們men將jiang其qi稱cheng為wei硬ying實shi時shi係xi統tong。上shang麵mian提ti到dao的de起qi搏bo器qi就jiu是shi一yi個ge例li子zi。

如果缺少時序約束是可以接受但不受歡迎的，我們將其稱為軟實時係統。電子郵件係統
、wuxianluyouqiheyouxiandianshihedouyouqishejiyaomanzudeshishixianzhi。jibianruci
，cuoguozhexieqixiandehouguotongchanghenxiaohuoweibuzudao，liru，ninkenenghuiyinweininxihuandedianshijiemubixuhuanchongyimiaozhongergandaonaohuo。dangruanshishixitongcuoguogeidingcaozuodeqi，gaicaozuobuhuilijishiquqisuoyoujiazhi。xiangfan
，gaizhihuisuizheshijiandetuiyierjianxiao，ji
，suizheshijianchaochujiezhiriqi，gaizhihuizhujianjianxiaodaoling（參見圖 1 左側）。

許(xu)多(duo)係(xi)統(tong)存(cun)在(zai)從(cong)硬(ying)到(dao)軟(ruan)的(de)範(fan)圍(wei)，錯(cuo)過(guo)期(qi)限(xian)並(bing)不(bu)是(shi)不(bu)可(ke)接(jie)受(shou)的(de)，但(dan)這(zhe)樣(yang)做(zuo)會(hui)使(shi)正(zheng)在(zai)執(zhi)行(xing)的(de)操(cao)作(zuo)立(li)即(ji)失(shi)去(qu)其(qi)所(suo)有(you)價(jia)值(zhi)。屬(shu)於(yu)此(ci)範(fan)圍(wei)內(nei)的(de)係(xi)統(tong)通(tong)常(chang)稱(cheng)為(wei)固(gu)定(ding)實(shi)時(shi)係(xi)統(tong)（參見圖 1 中間）。

在硬實時係統中
，錯過期限不僅會造成價值完全損失，還會造成負價值
，即損害（見圖 1
，右）。

圖 1.實時係統分類（改編自：Rochange、Uhrig 和Sainrat 。“時間可預測架構”。2014 年，1.1.2）

每個實時係統都有一組旨在滿足的時序約束。如果係統沒有時間限製
，那麼它就不是實時的。這些時序約束可以分為兩類：事件響應和任務調度。

事shi件jian是shi係xi統tong必bi須xu響xiang應ying的de刺ci激ji。這zhe些xie可ke以yi在zai硬ying件jian和he軟ruan件jian中zhong啟qi動dong，它ta們men表biao明ming發fa生sheng了le某mou些xie事shi情qing並bing且qie必bi須xu進jin行xing處chu理li。當dang事shi件jian以yi內nei部bu或huo外wai部bu中zhong斷duan的de形xing式shi出chu現xian時shi，它ta可ke能neng看kan起qi來lai熟shu悉xi。例li如ru，當dang按an下xia按an鈕niu時shi
，係xi統tong可ke能neng會hui感gan知zhi到dao這zhe一yi情qing況kuang並bing執zhi行xing必bi要yao的de操cao作zuo。係xi統tong檢jian測ce到dao變bian化hua時shi可ke以yi隨sui時shi生sheng成cheng事shi件jian。係xi統tong檢jian測ce到dao事shi件jian的de時shi刻ke和he響xiang應ying該gai事shi件jian的de時shi刻ke之zhi間jian的de時shi間jian稱cheng為wei延yan遲chi。延yan遲chi定ding義yi為wei響xiang應ying時shi間jian減jian去qu檢jian測ce時shi間jian。

L = T r – T d

任務調度

renwushixuyaoyouxitongchuliqiyunxingdeyizuzhiling。yixieshishixitongshejirenyuangengxihuananpairenwu，tebieshiruguozhexierenwudingqiyunxingdehua。xuduoqianrushixitongxuyaozhongfugancedaliangshuru
，ranhougenjuzhexiexinxinxixiugaishuchu。zhexieleixingdexitongshiheshiyongrenwu。zhexierenwutongchangshiyongchengweitiaoduchengxuderuanjianjiegoulaitiaoduheyunxing。jihuarenwuyinggaiyunxingheshijiyunxingzhijiandeshijianchengweidoudong。doudongdingyiweishijishijianjianquqiwangshijian。

J = T a – T d

無論實時係統是否使用事件響應、任務調度或兩者，終目標都是盡可能減少延遲和抖動，同時定義可接受的上限（壞情況）。

設計模式

如(ru)何(he)著(zhe)手(shou)設(she)計(ji)實(shi)時(shi)嵌(qian)入(ru)式(shi)係(xi)統(tong)
？隨(sui)著(zhe)係(xi)統(tong)需(xu)求(qiu)的(de)增(zeng)長(chang)和(he)時(shi)序(xu)限(xian)製(zhi)的(de)收(shou)緊(jin)，在(zai)滿(man)足(zu)期(qi)限(xian)的(de)同(tong)時(shi)管(guan)理(li)嵌(qian)入(ru)式(shi)係(xi)統(tong)的(de)所(suo)有(you)需(xu)求(qiu)變(bian)得(de)越(yue)來(lai)越(yue)困(kun)難(nan)。以(yi)下(xia)是(shi)整(zheng)個(ge)行(xing)業(ye)使(shi)用(yong)的(de)一(yi)些(xie)既(ji)定(ding)原(yuan)則(ze)。

循環賽

循環調度是用於管理實時係統約束的和廣泛使用的調度算法之一。正如其名稱所示，它的工作原理是：它讓每個係統組件輪流使用共享資源並完成所需的任務。下麵的圖 2 顯示了 CPU 在切換到下一個任務之前為每個任務提供 500 毫秒的處理時間。任務可能會也可能不會在 500 毫秒內完成，並且通常會在輪到他們時從上次中斷的地方繼續。

圖 2.循環任務調度程序

排隊

shishixitongzhonglingyigeyouyongdejiegoushiduilie。duiliekeyibeirenweishiyitiaoshengchanxian，qizhongdewupinjinrubingdengdaichuli。zhunbeihaohou，xitongcongduiliezhongshanchuxiayigexiangmubingchulita。zheyang
，xuyaozhixingdexinrenwukeyifangruduiliezhong
，bingzaixitongchulizhiqianderenwushidengdai。zhong，xinrenwudedaochuli
，jinguanhoumianhaiyougengduorenwu。tu 3 顯示了先進先出 (FIFO) 隊列，其中任務 C 位於隊列中，直到任務 A 和任務 B 都被處理為止。

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