实时嵌入式系统简介

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   嵌入式系统设计中最早的决策点之一是系统是否需要实时计算功能。实时计算描述了在有限的时间范围内对输入做出反应并提供规定的输出的能力。使用实时计算的设备部署在应用程序中,在这些应用程序中,它们的正确功能可以改变生与死。
   例如,考虑传统家庭轿车中的安全气囊。当车辆在发生碰撞时突然停止时,安全气囊必须在一瞬间展开以对乘客有效。这意味着控制安全气囊的嵌入式微控制器必须检测到发生碰撞,并以电子方式触发车辆安全气囊的释放,而这一切都只需要不到一秒钟的时间。实时计算技术使此功能成为可能。
   在对实时嵌入式系统的介绍中,我们将概述这些独特的嵌入式系统是什么,它们是如何设计和分类的,以及为什么它们的功能在现实应用中如此重要。
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   ***什么是实时嵌入式系统?****
  
    嵌入式系统是在较大的系统或设备上执行专用功能的硬件和软件计算机系统。嵌入式系统通常由微控制器组成,也称为单芯片计算机。微控制器配备有CPU,内存(RAM和ROM),I / O端口,通信总线,计时器/计数器和DAC / ADC转换器。 
**嵌入式系统具有嵌入式系统工程师应了解的三个定义特征:**
  **嵌入式系统是特定于应用程序的。**通用计算机可以运行用户选择的任何兼容应用程序,而嵌入式设备经过编程和优化可以运行一个满足其实际功能的特定应用程序。**
    嵌入式系统并不总是具有用户界面。**通用计算机包含用户界面,用户可以在其中输入指令或以其他方式与系统交互。嵌入式系统通常隐藏在设备内部,以使用户不会直接与嵌入式系统本身进行交互。嵌入式系统通常从传感器或连接的数据源接收输入,而不是直接从用户接收。
     **嵌入式系统是硬件和软件。**嵌入式设备包括一个提供特定功能或服务的软件应用程序,以及在实时环境中运行该应用程序所需的硬件。嵌入式系统设计的核心挑战是创造一种能够在满足产品尺寸,功耗和单位成本的战略和业务要求的同时解决问题的产品。

实时计算
实时计算描述了计算系统在严格限制的时间范围内响应给定输入的能力。在嵌入式系统的环境中,工程师通过 在嵌入式设备上安装特殊类型的操作系统来实现实时计算。操作系统可以概念化为嵌入式硬件和软件之间的桥梁。嵌入式工程师有两种基本类型可供选择:
1、通用操作系统(GPOS)-GPOS是位于嵌入式系统中的硬件和应用程序之间的软件层。GPOS由内核,内存管理,网络和提供给应用程序的其他服务组成。GPOS用于任务对时间不敏感且计算能力比快速响应时间更高价值的情况。
2、实时操作系统(RTOS)-RTOS用于对时间敏感或对时间要求严格的嵌入式系统应用程序。时间紧迫的任务定义为必须在指定的时间限制内执行任务以避免对用户造成负面影响的任务。在时间紧迫的系统中,完成任务的价值与其及时性相关,并且在截止日期之后完成的任务可能具有负值。RTOS包含一个任务计划程序组件,其目的是确保关键任务能够按时完成,即使这意味着牺牲其他性能领域。
实时嵌入式系统是那些集成了实时操作系统的系统,可确保设备在嵌入式软件指定的时间限制内能够响应感官输入。实时嵌入式系统根据其提供的实时响应的类型进一步分类。
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实时嵌入式系统的分类
实时嵌入式系统将实时操作系统的功能与微控制器(硬件)和独特的应用程序(软件)结合在一起,以解决业务问题。根据与应用程序相关的时间限制,有三种类型的RTOS在功能上有所不同。
硬RTOS- 当至关重要的是不能错过任何截止日期并且在规定的时间内完成所有任务时,将实施硬RTOS。在硬RTOS中,系统中的延迟严格地有时间限制,以确保以100%的比率满足截止日期,任何错过的截止日期都被视为系统故障。
固定的RTOS- 在固定的RTOS中,偶尔可能会出现错误,但有一项了解,即错过最后期限会导致设备性能下降。使用坚固的RTOS的设备有时可能会错过最后期限,但是只要相对很少发生故障,应用程序就可以恢复。
软RTOS- 在软RTOS中,按时完成任务可以优化用户体验,但是如果错过最后期限,性能不会完全下降。考虑一个运行游戏引擎的视频游戏机:它必须安排任务并按时完成任务,以使游戏平稳运行,但是稍有延迟或偶尔出现性能下降并不一定会破坏玩家的体验。
实时嵌入式系统设计模式
设计模式描述了在设计特定类型的设备时通常会发生的问题的可重复解决方案。该模式描述了工程师如何解决特定问题,这是从解决类似问题的框架中获得的。设计模式可帮助嵌入式系统工程师在开发产品时避免浪费时间,从而限制了总调试时间并缩短了上市时间。
以下设计模式对于构建实时嵌入式系统的工程师很有用:
对象设计模式
管理器设计模式-管理器对象可以实现为跟踪嵌入式系统应用程序中的多个实体,其中系统必须支持相同或相似类型的多个实体。
资源管理器模式-此设计模式可用于为同一类型的多个资源实现集中式资源管理器。
Half Call设计模式-此设计模式用于需要多个通信协议之间进行交互的实现。
协议设计模式
协议栈设计模式-此设计模式可用于实现分层协议,并在协议栈内动态插入和删除协议层。
协议层设计模式-此设计模式用于解耦协议层并减少协议堆栈各层之间的依赖性。
协议数据包设计模式-此设计模式为实时嵌入式系统提供了简化的缓冲体系结构,实现了一个支持各种协议层的添加和提取的单个缓冲区。
建筑设计模式
处理器体系结构模式-实时嵌入式系统有许多可能的体系结构已被记录为设计模式。每个体系结构设计模式都指定其自己的流程和模块以及相应的角色和职责。一些可用的选项包括:
运维处理器架构
中央管理架构
模块管理器架构
设备控制器架构
**功能协调模式-**在实时嵌入式系统设计中,每个任务都应包括一个功能协调器。功能协调可确保功能不会因丢包或任务失败而导致失败。功能协调还可以帮助嵌入式系统在请求超时后恢复。
计时器管理设计模式-计时器管理是实时嵌入式系统的关键功能。定时器管理设计模式经常用于解决实时嵌入式设备的需求。它们包括故障检测,消息丢失和故障恢复序列,不活动检测,排序操作以及其他确保任务在指定期限内完成的功能。

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