嵌入式實時系統開發的正確選擇
嵌入式實時系統開發的正確選擇
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隨著嵌入式實時系統復雜度的提高，設計工程師在定義和分析系統初始要求時必須認真考慮軟硬件的協同關系。通常設計工程師還必須權衡系統的靈活性、速度、成本、計劃和可用工具之間的關系。本文打算描述嵌入式系統和實時系統的關鍵特性，并探討在選擇或開發硬件和軟件組件的基礎上開發高效嵌入式系統的解決方案，同時詳細說明嵌入式系統和實時系統開發所特有的關鍵工藝技術。
嵌入式系統通常是一個包含微處理器的特殊計算機系統，是一個較大系統或設備的組成部分，它在很大程度上決定了設備的功能特性。許多具備數字接口的設備如微波設備、錄像機(VCR)和汽車等都會用到嵌入式系統。有些嵌入式系統需要使用操作系統，有些則用單個程序實現整個邏輯，但所有嵌入式系統提供的功能都要比通用計算系統更專業些。嵌入式系統功能包括：
1. 監視環境-從輸入傳感器讀取數據,然后處理數據并顯示結果。
2. 控制環境-產生并向激勵器發送命令。
3. 轉換信息-轉換并處理收集到的數據。
雖然通過傳感器和激勵器完成與外部世界的交互是嵌入式系統的重要特點，但這些嵌入式系統還提供適合它們所在設備的特殊功能。嵌入式系統一般用來執行控制程序、有限狀態機和信號處理算法。這些系統還必須檢測內部計算環境和周圍電磁系統中發生的故障并對此做出響應。
嵌入式系統特性
嵌入式系統的設計挑戰是使嵌入式系統的獨特性能與設備的特殊約束條件相一致。以下是一些嵌入式系統的重要特性：
1. 特殊應用系統-嵌入式系統不同于通用處理器，它針對特殊應用進行了優化。
2. 反應性系統-反應性計算的意思是系統(主要是軟件部分)根據傳感器信息對環境作出響應，并利用激勵器控制環境，同時系統速度能與環境速度同步。
3. 分布式-嵌入式系統的一般特征是多個通信進程在多個通過通信鏈路鏈接的CPU或ASIC上運行。
4. 異類性-不同的嵌入式系統一般具有不同的結構，以便在處理嚴格設計約束的嵌入式系統時能夠提供更好的設計便利性。
5. 苛刻環境-許多嵌入式系統并不工作在受控的環境中，因此它們必須能夠經受過熱、振動、沖擊、電源波動和其它惡劣的物理環境條件的考驗。
6. 系統安全性和可靠性-由于嵌入式系統復雜度和運算量的不斷增長，需要更多地考慮系統安全因素。
7. 小型化、重量輕-為了達到便攜目的，許多嵌入式系統的重量必須設計得很輕。
8. 成本敏感性-不同的嵌入式系統對成本的敏感性有很大的不同。
實時系統的特性
實時系統要求在外部環境指定的時間間隔內對來自環境的激勵信號作出響應(包括物理時間的過渡)。從輸入時間到輸出時間的延遲必須足夠小，以滿足可以接受的時間值。通常實時系統需要對環境作出連續及時的響應。
計算的正確性不僅依賴于結果，而且取決于輸出發生的時間。一個實時系統必須滿足有限響應時間約束條件，否則會產生嚴重的后果。如果后果是性能的劣化而不是故障，那么這種系統可以看作是一個軟實時系統。如果后果是系統發生故障，那么這種系統就是一種硬實時系統。
實時系統有反應式和嵌入式兩種類型。反應式實時系統會與環境發生連續的互作用，而嵌入式實時系統主要用于控制大型系統中安裝的特殊硬件。
嵌入式系統開發生命周期
許多系統設計工程師都會經歷硬件/軟件協同設計的過程(圖1)，此過程中硬件與軟件將同時進行開發。理解硬件與軟件功能相互之間的關系及界限有助于確保設計要求得到完整正確的理解和實現。
早在設計要求的定義與分析階段，系統開發人員就必須與設計工程師協同分配硬件或/和軟件方面的要求。這種分配的依據是早期系統仿真、原型設計和行為建模結果、工程師自己的經驗以及上文提及的各種因素權衡結果(圖2)。一旦分配結束，就可以立即著手具體的設計和實現。實時系統開發中軟硬件的并行設計會使用到各種分析技術，包括：
1. 硬件與軟件仿真;
2. 硬件/軟件協同仿真;
3. 可調度的建模技術，如速率恒定分析;
4. 原型設計和漸進式開發。
可以在各種抽象層次使用的仿真技術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據流程建模，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/軟件權衡研究及有效性設計。利用仿真可以將一個復雜的系統向下抽象成基礎組件和行為。仿真還助于解決功能性問題(數據與算法)、行為(進程排序)或性能問題(資源利用、吞吐量和時序)。
理解設計要求
在作執行任何類型的處理器評估時，首先要詳細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。但對于實時系統來說，定義響應時間這樣的要求是非常重要的。實時要求可以有以下幾種：
1. 激勵-激勵(S-S)：到系統去的兩個激勵之間的實時關系;
2. 激勵-響應(S-R)：一個激勵與來自系統的一個后序響應之間的實時關系;
3. 響應-激勵(R-S)：一個響應與到系統去的一個后序激勵之間的實時關系;
4. 響應-響應(R-R)：來自系統的兩個響應之間的實時關系。
S-R和R-R關系定義了對指定系統的時序要求。這種情況下所實現的功能必須足夠快(或足夠慢)才能滿足時序要求。S-S和R-S約束暗示系統必須能夠從環境(可能是一個用戶或另外一個系統)中檢測出特定時序約束的破壞。這些約束與功能的快慢沒有關系，相反它們能夠檢測出某些遭到破壞的時序約束并采取必要的措施。
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