1.1　嵌入式系統(tǒng)概述

1.1.1　嵌入式系統(tǒng)與實(shí)時(shí)系統(tǒng)

作為20世紀(jì)人類社會(huì)最偉大的發(fā)明之一，計(jì)算機(jī)已逐步把人類帶入了數(shù)字化時(shí)代。同時(shí)，后PC時(shí)代的到來，使得人們開始越來越多地接觸到一個(gè)新的概念——嵌入式產(chǎn)品。越來越多的復(fù)雜軟硬件系統(tǒng)內(nèi)嵌于醫(yī)療、汽車、工業(yè)控制、交通、通信、航空、航天及現(xiàn)代武器裝備中，如：NASA航天飛機(jī)的機(jī)載系統(tǒng)有近500 000行代碼，而這還不包括用于地面控制和處理的350 000行代碼；在美國電信通信中，支撐軟件的源代碼超過了1億行。表1-1給出了軟件在國外戰(zhàn)斗機(jī)中的應(yīng)用情況。

表1-1　軟件在國外戰(zhàn)斗機(jī)中的應(yīng)用

1990年，IEEE（電子與電氣工程師協(xié)會(huì)）給出了嵌入式系統(tǒng)的定義：嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是較大系統(tǒng)的一部分，用于滿足該系統(tǒng)的某些要求，例如，用于飛機(jī)快速運(yùn)輸系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（An Embedded Computer System is part of a larger system and performs some of the requirements of that system;for example,a computer system used in an aircraftor rapid transit system）。通常，將用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機(jī)器和設(shè)備的裝置稱為嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)一般包括一系列軟硬件設(shè)施等，而嵌入式軟件是嵌入式系統(tǒng)的軟件部分，比如航天器的控制系統(tǒng)、飛機(jī)的航電系統(tǒng)、基于Android和iOS等系統(tǒng)的手機(jī)、機(jī)頂盒、汽車電子系統(tǒng)、通信系統(tǒng)中的路由器等。此外，廣義上也通常把單片機(jī)（STM32）、SOC等硬件構(gòu)成的控制系統(tǒng)一并稱為嵌入式系統(tǒng)。上述嵌入式軟件往往具有實(shí)時(shí)性的特征，因此也被稱為實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)。

通常，實(shí)時(shí)系統(tǒng)是指必須在外界環(huán)境規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成計(jì)算和I/O操作的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，POSIX Standard 1003.1中定義實(shí)時(shí)系統(tǒng)為“有能力在限定的響應(yīng)時(shí)間范圍內(nèi)，提供滿足需求的服務(wù)的操作系統(tǒng)”。在實(shí)時(shí)計(jì)算中，外界環(huán)境可以被看作一組約束─普遍被認(rèn)為是時(shí)間約束（也稱為時(shí)限）。時(shí)限的存在，是實(shí)時(shí)計(jì)算與非實(shí)時(shí)計(jì)算的最本質(zhì)區(qū)別。實(shí)時(shí)系統(tǒng)與非實(shí)時(shí)系統(tǒng)的區(qū)別就在于實(shí)時(shí)系統(tǒng)必須提供某種機(jī)制以確保時(shí)限不會(huì)被破壞。對于非實(shí)時(shí)系統(tǒng)而言，系統(tǒng)的正確性僅僅取決于指令的正確執(zhí)行，其關(guān)鍵在于是否按指令的邏輯順序進(jìn)行，與指令在何時(shí)開始執(zhí)行及何時(shí)執(zhí)行完畢無關(guān)。例如，一個(gè)用于計(jì)算雙精度浮點(diǎn)數(shù)平方根的程序，可以運(yùn)行在500MHz的Pentium III計(jì)算機(jī)上，也可以運(yùn)行在4.77MHz的8086計(jì)算機(jī)上。兩者的區(qū)別僅僅在于計(jì)算速度的快慢，而不會(huì)影響計(jì)算結(jié)果的正確性。通常衡量實(shí)時(shí)系統(tǒng)的三個(gè)指標(biāo)如下：

·響應(yīng)時(shí)間（Response Time）：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)識別外部事件并做出響應(yīng)的時(shí)間。

·生存時(shí)間（Survival Time）：數(shù)據(jù)的有效等待時(shí)間，在此時(shí)間段內(nèi)數(shù)據(jù)有效。

·吞吐量（Throughput）：在給定時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)可以處理的事件總數(shù)。

對于實(shí)時(shí)系統(tǒng)而言，系統(tǒng)的正確性不僅與計(jì)算結(jié)果的正確性有關(guān)，而且更為重要的是必須在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成計(jì)算，否則系統(tǒng)就會(huì)出錯(cuò)或失敗。

1.硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)和軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)

依據(jù)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的特性，可以將其分為“硬”實(shí)時(shí)系統(tǒng)（Hard Real-Time System）和“軟”實(shí)時(shí)系統(tǒng)（Soft Real-Time System）兩類。

“硬”實(shí)時(shí)系統(tǒng)的特性是：

·在任何情況下，都不能有延遲；

·如果延遲發(fā)生，則輸出結(jié)果無效；

·當(dāng)無法滿足截止時(shí)間要求時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性失效；

·當(dāng)無法滿足截止時(shí)間要求時(shí)，系統(tǒng)導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失巨大；

·系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間通常為毫秒或微秒級。

比如飛行控制系統(tǒng)和核反應(yīng)堆控制系統(tǒng)就是典型的“硬”實(shí)時(shí)系統(tǒng)。

“軟”實(shí)時(shí)系統(tǒng)的特性是：

·輸出結(jié)果的延遲會(huì)增加費(fèi)用；

·延遲會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降；

·系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間通常為毫秒或秒級。

比如網(wǎng)絡(luò)實(shí)況轉(zhuǎn)播系統(tǒng)就是一個(gè)典型的“軟”實(shí)時(shí)系統(tǒng)。

2.單機(jī)實(shí)時(shí)系統(tǒng)和分布式實(shí)時(shí)系統(tǒng)

按實(shí)時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境的分布特性劃分，實(shí)時(shí)系統(tǒng)可以劃分為單機(jī)實(shí)時(shí)系統(tǒng)和分布式實(shí)時(shí)系統(tǒng)兩大類。

·單機(jī)實(shí)時(shí)系統(tǒng)。在單機(jī)實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，所有的任務(wù)都在同一臺計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，只受同一個(gè)操作系統(tǒng)的調(diào)度。單機(jī)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)在于軟硬件結(jié)構(gòu)簡單，易于開發(fā)。

·分布式實(shí)時(shí)系統(tǒng)。在分布式實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，多個(gè)任務(wù)分布在多臺計(jì)算機(jī)上，不同節(jié)點(diǎn)上的任務(wù)通過互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。這些任務(wù)協(xié)調(diào)工作，共同構(gòu)成一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)。分布式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。

圖1-1　分布式實(shí)時(shí)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

在分布式實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，部分節(jié)點(diǎn)計(jì)算機(jī)與受控設(shè)備（產(chǎn)生或接收數(shù)據(jù)、接受實(shí)時(shí)控制）相連，不僅需要完成一些實(shí)時(shí)計(jì)算任務(wù)，還需要對外圍設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。此外，還有其他節(jié)點(diǎn)計(jì)算機(jī)不與任何受控設(shè)備相連，它們只完成實(shí)時(shí)計(jì)算任務(wù)。

基于以上分類，實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)除了具備一般應(yīng)用軟件的特點(diǎn)之外，還有以下特點(diǎn)：

·嵌入性。絕大多數(shù)實(shí)時(shí)系統(tǒng)是較為復(fù)雜的專用系統(tǒng)，需要具備很高的容錯(cuò)能力，并且通常“嵌入”一個(gè)更大的系統(tǒng)中，即作為嵌入式軟件。圖1-2給出了典型的嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖1-2　典型的嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

·同外部環(huán)境交互作用。典型的實(shí)時(shí)系統(tǒng)往往和外部設(shè)備之間交互作用，可能控制某種設(shè)備或過程。實(shí)時(shí)系統(tǒng)通過傳感器從外界采集數(shù)據(jù)，通過輸出激勵(lì)信號來控制外部設(shè)備。

·實(shí)時(shí)約束。實(shí)時(shí)系統(tǒng)往往有著較強(qiáng)的時(shí)間約束，要求在規(guī)定時(shí)間內(nèi)必須完成事件的處理，如果延遲，往往會(huì)造成災(zāi)難性后果。

·實(shí)時(shí)控制。實(shí)時(shí)軟件往往涉及實(shí)時(shí)控制，通過采集來的數(shù)據(jù)決定如何控制外部交聯(lián)的設(shè)備。實(shí)時(shí)軟件中并不全是實(shí)時(shí)部件，也有非實(shí)時(shí)部分，如數(shù)據(jù)的事后分析、處理等功能。

·反應(yīng)式系統(tǒng)（Reactive System）。許多實(shí)時(shí)系統(tǒng)都是反應(yīng)式系統(tǒng)，它們是基于事件驅(qū)動(dòng)的，并且需要響應(yīng)外部的激勵(lì)。一般而言，實(shí)時(shí)系統(tǒng)對于外部激勵(lì)的響應(yīng)大多是依賴于狀態(tài)的，也就是說，系統(tǒng)的響應(yīng)輸出不僅取決于當(dāng)前的激勵(lì)，而且和之前的系統(tǒng)激勵(lì)有關(guān)。

·并發(fā)處理。大多數(shù)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的一個(gè)顯著特征就是存在并發(fā)處理，有許多外部事件需要同時(shí)處理。通常，外部事件的到來是無法預(yù)期的，更應(yīng)注意的是實(shí)時(shí)系統(tǒng)的輸入負(fù)載隨時(shí)間的不同而發(fā)生顯著變化，且這種負(fù)載往往也是無法預(yù)期的。

綜上所述，本書將不區(qū)別實(shí)時(shí)系統(tǒng)（軟件）、嵌入式系統(tǒng)（軟件）和實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)（軟件），統(tǒng)稱為實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)（軟件）。