嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)開發(fā)的正確選擇
嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)開發(fā)的正確選擇
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隨著嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)復(fù)雜度的提高，設(shè)計(jì)工程師在定義和分析系統(tǒng)初始要求時(shí)必須認(rèn)真考慮軟硬件的協(xié)同關(guān)系。通常設(shè)計(jì)工程師還必須權(quán)衡系統(tǒng)的靈活性、速度、成本、計(jì)劃和可用工具之間的關(guān)系。本文打算描述嵌入式系統(tǒng)和實(shí)時(shí)系統(tǒng)的關(guān)鍵特性，并探討在選擇或開發(fā)硬件和軟件組件的基礎(chǔ)上開發(fā)高效嵌入式系統(tǒng)的解決方案，同時(shí)詳細(xì)說明嵌入式系統(tǒng)和實(shí)時(shí)系統(tǒng)開發(fā)所特有的關(guān)鍵工藝技術(shù)。
嵌入式系統(tǒng)通常是一個(gè)包含微處理器的特殊計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，是一個(gè)較大系統(tǒng)或設(shè)備的組成部分，它在很大程度上決定了設(shè)備的功能特性。許多具備數(shù)字接口的設(shè)備如微波設(shè)備、錄像機(jī)(VCR)和汽車等都會(huì)用到嵌入式系統(tǒng)。有些嵌入式系統(tǒng)需要使用操作系統(tǒng)，有些則用單個(gè)程序?qū)崿F(xiàn)整個(gè)邏輯，但所有嵌入式系統(tǒng)提供的功能都要比通用計(jì)算系統(tǒng)更專業(yè)些。嵌入式系統(tǒng)功能包括：
1. 監(jiān)視環(huán)境-從輸入傳感器讀取數(shù)據(jù),然后處理數(shù)據(jù)并顯示結(jié)果。
2. 控制環(huán)境-產(chǎn)生并向激勵(lì)器發(fā)送命令。
3. 轉(zhuǎn)換信息-轉(zhuǎn)換并處理收集到的數(shù)據(jù)。
雖然通過傳感器和激勵(lì)器完成與外部世界的交互是嵌入式系統(tǒng)的重要特點(diǎn)，但這些嵌入式系統(tǒng)還提供適合它們所在設(shè)備的特殊功能。嵌入式系統(tǒng)一般用來執(zhí)行控制程序、有限狀態(tài)機(jī)和信號處理算法。這些系統(tǒng)還必須檢測內(nèi)部計(jì)算環(huán)境和周圍電磁系統(tǒng)中發(fā)生的故障并對此做出響應(yīng)。
嵌入式系統(tǒng)特性
嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是使嵌入式系統(tǒng)的獨(dú)特性能與設(shè)備的特殊約束條件相一致。以下是一些嵌入式系統(tǒng)的重要特性：
1. 特殊應(yīng)用系統(tǒng)-嵌入式系統(tǒng)不同于通用處理器，它針對特殊應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。
2. 反應(yīng)性系統(tǒng)-反應(yīng)性計(jì)算的意思是系統(tǒng)(主要是軟件部分)根據(jù)傳感器信息對環(huán)境作出響應(yīng)，并利用激勵(lì)器控制環(huán)境，同時(shí)系統(tǒng)速度能與環(huán)境速度同步。
3. 分布式-嵌入式系統(tǒng)的一般特征是多個(gè)通信進(jìn)程在多個(gè)通過通信鏈路鏈接的CPU或ASIC上運(yùn)行。
4. 異類性-不同的嵌入式系統(tǒng)一般具有不同的結(jié)構(gòu)，以便在處理嚴(yán)格設(shè)計(jì)約束的嵌入式系統(tǒng)時(shí)能夠提供更好的設(shè)計(jì)便利性。
5. 苛刻環(huán)境-許多嵌入式系統(tǒng)并不工作在受控的環(huán)境中，因此它們必須能夠經(jīng)受過熱、振動(dòng)、沖擊、電源波動(dòng)和其它惡劣的物理環(huán)境條件的考驗(yàn)。
6. 系統(tǒng)安全性和可靠性-由于嵌入式系統(tǒng)復(fù)雜度和運(yùn)算量的不斷增長，需要更多地考慮系統(tǒng)安全因素。
7. 小型化、重量輕-為了達(dá)到便攜目的，許多嵌入式系統(tǒng)的重量必須設(shè)計(jì)得很輕。
8. 成本敏感性-不同的嵌入式系統(tǒng)對成本的敏感性有很大的不同。
實(shí)時(shí)系統(tǒng)的特性
實(shí)時(shí)系統(tǒng)要求在外部環(huán)境指定的時(shí)間間隔內(nèi)對來自環(huán)境的激勵(lì)信號作出響應(yīng)(包括物理時(shí)間的過渡)。從輸入時(shí)間到輸出時(shí)間的延遲必須足夠小，以滿足可以接受的時(shí)間值。通常實(shí)時(shí)系統(tǒng)需要對環(huán)境作出連續(xù)及時(shí)的響應(yīng)。
計(jì)算的正確性不僅依賴于結(jié)果，而且取決于輸出發(fā)生的時(shí)間。一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)必須滿足有限響應(yīng)時(shí)間約束條件，否則會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。如果后果是性能的劣化而不是故障，那么這種系統(tǒng)可以看作是一個(gè)軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)。如果后果是系統(tǒng)發(fā)生故障，那么這種系統(tǒng)就是一種硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)。
實(shí)時(shí)系統(tǒng)有反應(yīng)式和嵌入式兩種類型。反應(yīng)式實(shí)時(shí)系統(tǒng)會(huì)與環(huán)境發(fā)生連續(xù)的互作用，而嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)主要用于控制大型系統(tǒng)中安裝的特殊硬件。
嵌入式系統(tǒng)開發(fā)生命周期
許多系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師都會(huì)經(jīng)歷硬件/軟件協(xié)同設(shè)計(jì)的過程(圖1)，此過程中硬件與軟件將同時(shí)進(jìn)行開發(fā)。理解硬件與軟件功能相互之間的關(guān)系及界限有助于確保設(shè)計(jì)要求得到完整正確的理解和實(shí)現(xiàn)。
早在設(shè)計(jì)要求的定義與分析階段，系統(tǒng)開發(fā)人員就必須與設(shè)計(jì)工程師協(xié)同分配硬件或/和軟件方面的要求。這種分配的依據(jù)是早期系統(tǒng)仿真、原型設(shè)計(jì)和行為建模結(jié)果、工程師自己的經(jīng)驗(yàn)以及上文提及的各種因素權(quán)衡結(jié)果(圖2)。一旦分配結(jié)束，就可以立即著手具體的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。實(shí)時(shí)系統(tǒng)開發(fā)中軟硬件的并行設(shè)計(jì)會(huì)使用到各種分析技術(shù)，包括：
1. 硬件與軟件仿真;
2. 硬件/軟件協(xié)同仿真;
3. 可調(diào)度的建模技術(shù)，如速率恒定分析;
4. 原型設(shè)計(jì)和漸進(jìn)式開發(fā)。
可以在各種抽象層次使用的仿真技術(shù)主要用于開展早期的性能評估。低層仿真可以用來為總線寬度和數(shù)據(jù)流程建模，這對性能評估是非常有用的。高層仿真可以滿足功能的交互，并促成硬件/軟件權(quán)衡研究及有效性設(shè)計(jì)。利用仿真可以將一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)向下抽象成基礎(chǔ)組件和行為。仿真還助于解決功能性問題(數(shù)據(jù)與算法)、行為(進(jìn)程排序)或性能問題(資源利用、吞吐量和時(shí)序)。
理解設(shè)計(jì)要求
在作執(zhí)行任何類型的處理器評估時(shí)，首先要詳細(xì)理解用戶的功能和非功能性要求。功能性要求通常比較容易獲得，而非功能性要求較難定量測量。但對于實(shí)時(shí)系統(tǒng)來說，定義響應(yīng)時(shí)間這樣的要求是非常重要的。實(shí)時(shí)要求可以有以下幾種：
1. 激勵(lì)-激勵(lì)(S-S)：到系統(tǒng)去的兩個(gè)激勵(lì)之間的實(shí)時(shí)關(guān)系;
2. 激勵(lì)-響應(yīng)(S-R)：一個(gè)激勵(lì)與來自系統(tǒng)的一個(gè)后序響應(yīng)之間的實(shí)時(shí)關(guān)系;
3. 響應(yīng)-激勵(lì)(R-S)：一個(gè)響應(yīng)與到系統(tǒng)去的一個(gè)后序激勵(lì)之間的實(shí)時(shí)關(guān)系;
4. 響應(yīng)-響應(yīng)(R-R)：來自系統(tǒng)的兩個(gè)響應(yīng)之間的實(shí)時(shí)關(guān)系。
S-R和R-R關(guān)系定義了對指定系統(tǒng)的時(shí)序要求。這種情況下所實(shí)現(xiàn)的功能必須足夠快(或足夠慢)才能滿足時(shí)序要求。S-S和R-S約束暗示系統(tǒng)必須能夠從環(huán)境(可能是一個(gè)用戶或另外一個(gè)系統(tǒng))中檢測出特定時(shí)序約束的破壞。這些約束與功能的快慢沒有關(guān)系，相反它們能夠檢測出某些遭到破壞的時(shí)序約束并采取必要的措施。
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