實(shí)時(shí)系統(tǒng)的例子課件

第1講實(shí)時(shí)系統(tǒng)引論

主講:黎忠文第1講實(shí)時(shí)系統(tǒng)引論

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引言1.1實(shí)時(shí)系統(tǒng)的定義1.2實(shí)時(shí)系統(tǒng)的例子1.3實(shí)時(shí)系統(tǒng)的特征小結(jié)目錄

引言2引言隨著計(jì)算機(jī)變得更小、更快、更可靠和更便宜，其應(yīng)用范圍更寬了。最初制造的計(jì)算機(jī)只是作為方程求解裝置，現(xiàn)在，其影響已經(jīng)拓展到生活的各個(gè)方面，從洗衣機(jī)到空中交通管制。擴(kuò)展最快的一個(gè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域所涉及的各種應(yīng)用，其主要功能不是信息處理，然而需要信息處理以實(shí)現(xiàn)其主要功能。微處理器控制的洗衣機(jī)是這種系統(tǒng)的一個(gè)好例子。這里，基本功能是洗衣機(jī)，然而，為了洗不同種類的衣服，要執(zhí)行不同的“洗衣程序”。這種類型的計(jì)算機(jī)應(yīng)用通常被稱為實(shí)時(shí)應(yīng)用或嵌入應(yīng)用。估計(jì)世界上有99%的處理器是用于嵌入式系統(tǒng)的。這些嵌入式應(yīng)用的編程對(duì)計(jì)算機(jī)語(yǔ)言提出了特別的要求，因?yàn)樗鼈兺瑐鹘y(tǒng)的信息處理系統(tǒng)有不同的特征。引言隨著計(jì)算機(jī)變得更小、更快、更可靠和更便宜，其1.1實(shí)時(shí)系統(tǒng)的定義牛津計(jì)算詞典(OxfordDictionaryofComputing)對(duì)實(shí)時(shí)系統(tǒng)給出下列定義：實(shí)時(shí)系統(tǒng)是指那些產(chǎn)生輸出的時(shí)間至關(guān)重要的系統(tǒng)，這通常是因?yàn)檩斎雽?duì)應(yīng)于外界的某個(gè)運(yùn)動(dòng)，而輸出又必須與同一運(yùn)動(dòng)相關(guān)。自輸入時(shí)刻到輸出時(shí)刻的時(shí)間滯后必須充分小，以達(dá)到可接受的及時(shí)性。PDCS(PredictablyDependableComputerSystems)工程給出如下定義：實(shí)時(shí)系統(tǒng)是這樣的系統(tǒng)：需要在環(huán)境限定的時(shí)間間隔里對(duì)來(lái)自環(huán)境的激勵(lì)做出反應(yīng)(包括實(shí)際時(shí)間的推移)。1.1實(shí)時(shí)系統(tǒng)的定義牛津計(jì)算詞典(OxfordD1.2實(shí)時(shí)系統(tǒng)的例子上一節(jié)中我們介紹了實(shí)時(shí)系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的含義之后，這一節(jié)中介紹使用它們的例子，主要包括：過(guò)程控制制造業(yè)通信、指揮與控制廣義嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1.2實(shí)時(shí)系統(tǒng)的例子上一節(jié)中我們介紹了實(shí)時(shí)系統(tǒng)1.2.1過(guò)程控制考察圖1-1所示的簡(jiǎn)單例子，計(jì)算機(jī)完成單一的活動(dòng)：通過(guò)控制閥門確保管道中液體的均勻流動(dòng)。當(dāng)檢測(cè)到流量增加時(shí)，計(jì)算機(jī)必須通過(guò)改變閥門角度給予響應(yīng)，該響應(yīng)必須在一個(gè)有限時(shí)間段里發(fā)生以使管道接收端的設(shè)備不致過(guò)載。注意，實(shí)際響應(yīng)可能涉及復(fù)雜的計(jì)算，以算出新的閥門角度。1.2實(shí)時(shí)系統(tǒng)的例子1.2.1過(guò)程控制考察圖1-1所示的簡(jiǎn)單例子，計(jì)計(jì)算機(jī)的作用。此計(jì)算機(jī)同使用傳感器和致動(dòng)器的設(shè)備進(jìn)行交互。閥門是致動(dòng)器的一個(gè)例子，而溫度和壓力轉(zhuǎn)換器是傳感器的例子。計(jì)算機(jī)控制傳感器和致動(dòng)器的動(dòng)作以確保在當(dāng)時(shí)的時(shí)間執(zhí)行正確的設(shè)備操作。需要時(shí)，要在受控過(guò)程和計(jì)算機(jī)之間插入模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器。上面的例子只展示了更大控制系統(tǒng)的一個(gè)部件。圖1-2說(shuō)明了嵌入到一個(gè)完整過(guò)程控制環(huán)境中的實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)的作用。此計(jì)算機(jī)同使用傳感器和致動(dòng)器的設(shè)備進(jìn)行交互。閥1.2.2制造業(yè)圖1-3圖解說(shuō)明生產(chǎn)控制計(jì)算機(jī)在制造過(guò)程中的作用。實(shí)際系統(tǒng)由諸如機(jī)床、操作裝置和傳送帶等各種機(jī)械裝置組成。它們都需要由計(jì)算機(jī)控制和協(xié)調(diào)。1.2實(shí)時(shí)系統(tǒng)的例子1.2.2制造業(yè)圖1-3圖解說(shuō)明生產(chǎn)控制計(jì)算機(jī)1.2.3通信、指揮與控制圖1-4表示了一個(gè)指揮控制系統(tǒng)。1.2實(shí)時(shí)系統(tǒng)的例子1.2.3通信、指揮與控制圖1-4表示了1.21.2.4廣義嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的外部特性。通常有一個(gè)模塊包含實(shí)際控制這些裝置所必需的算法，一個(gè)模塊負(fù)責(zé)記錄系統(tǒng)狀態(tài)的變化，一個(gè)模塊檢索并顯示這些變化，還有一個(gè)模塊同操作員進(jìn)行交互。一個(gè)典型的嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可用圖1-5表示，控制系統(tǒng)操作的軟件可以被編制成若干模塊，它們反映環(huán)境1.2實(shí)時(shí)系統(tǒng)的例子1.2.4廣義嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的外部特性。通常有一個(gè)模塊1.3實(shí)時(shí)系統(tǒng)的特征實(shí)時(shí)系統(tǒng)具有許多特征(固有的或強(qiáng)加的)，以下幾小節(jié)將闡明。顯然，并非所有實(shí)時(shí)系統(tǒng)都具有所有這些特征，然而，用于實(shí)時(shí)系統(tǒng)有效編程的任何通用語(yǔ)言(和操作系統(tǒng))都必須有支持這些特征的設(shè)施，實(shí)時(shí)系統(tǒng)的特征有：大且復(fù)雜實(shí)數(shù)處理極其可靠和安全獨(dú)立系統(tǒng)部件的并發(fā)控制1.3實(shí)時(shí)系統(tǒng)的特征實(shí)時(shí)系統(tǒng)具有許多特征(固有1.3.1大且復(fù)雜通常人們認(rèn)為同開(kāi)發(fā)軟件相關(guān)聯(lián)的大多數(shù)問(wèn)題都是同大小和復(fù)雜性有關(guān)的問(wèn)題。編寫小程序不出現(xiàn)重大問(wèn)題，因?yàn)樵O(shè)計(jì)、編碼、維護(hù)和理解都由一個(gè)人完成。如果使用這個(gè)軟件的人離開(kāi)了公司或機(jī)構(gòu)，另一個(gè)人能夠在相對(duì)短的時(shí)間里學(xué)會(huì)這個(gè)程序，確實(shí)，有一種構(gòu)建這種程序的藝術(shù)或技巧，而且小就是美。令人遺憾的是，不是所有軟件都有這種理想的“小巧”特征。Lehman和Belady(1985)在試圖描述大系統(tǒng)的特征時(shí)，拒絕了那種認(rèn)為龐大就是同指令數(shù)目、代碼行數(shù)或組成一個(gè)程序的模塊數(shù)目成正比的簡(jiǎn)單而且或許是直觀的概念。他們將龐大同多樣性聯(lián)系起來(lái)，將龐大的程度同多樣性的數(shù)量聯(lián)系起來(lái)，諸如指令數(shù)目和開(kāi)發(fā)工作量這樣的傳統(tǒng)指標(biāo)，就只是多樣性的特征。1.3實(shí)時(shí)系統(tǒng)的特征1.3.1大且復(fù)雜通常人們認(rèn)為同開(kāi)發(fā)軟件相關(guān)聯(lián)1.3.2實(shí)數(shù)處理圖1-6舉例說(shuō)明了一個(gè)反饋控制器，這是最普通的形式，但也使用前饋控制器。為了計(jì)算出如何改變輸入變量向量才能在輸出向量上產(chǎn)生理想效果，該設(shè)備必須有一個(gè)數(shù)學(xué)模型。這些模型的推導(dǎo)屬于另一個(gè)學(xué)科—控制論。設(shè)備的模型常常是一個(gè)一階常微分方程組，這些微分方程建立了系統(tǒng)的輸出同設(shè)備的內(nèi)部狀態(tài)和其輸入變量之間的聯(lián)系。改變?cè)O(shè)備的輸出涉及求解這些微分方程，以得到所需的輸入值。大多數(shù)物理系統(tǒng)都有慣性，所以改變不是瞬時(shí)的。在一個(gè)固定時(shí)間段里使系統(tǒng)移動(dòng)到一個(gè)新的設(shè)置點(diǎn)上的實(shí)時(shí)需求，將增加數(shù)學(xué)模型和物理系統(tǒng)所需處理的復(fù)雜性。1.3實(shí)時(shí)系統(tǒng)的特征1.3.2實(shí)數(shù)處理圖1-6舉例說(shuō)明了一個(gè)反饋控由于這些困難、模型的復(fù)雜性、不同輸入和輸出的數(shù)目，大多數(shù)控制器都用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。將數(shù)字部件引入到系統(tǒng)里面改變了控制循環(huán)的性質(zhì)。圖1-7是對(duì)較早模型的修改。標(biāo)記了*的項(xiàng)目現(xiàn)在是離散值，采樣和保存操作由一個(gè)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器進(jìn)行，兩個(gè)轉(zhuǎn)換器都在計(jì)算機(jī)的直接控制之下。由于這些困難、模型的復(fù)雜性、不同輸入和輸出的數(shù)目，大1.3.3極其可靠和安全

社會(huì)越是把要害功能的控制讓位給計(jì)算機(jī)，就迫使計(jì)算機(jī)越是不能失效。銀行之間的自動(dòng)資金轉(zhuǎn)移系統(tǒng)的失效會(huì)導(dǎo)致無(wú)法挽回的數(shù)百萬(wàn)美元的損失，發(fā)電廠的一個(gè)有故障部件可能導(dǎo)致重癥監(jiān)護(hù)室的一個(gè)關(guān)鍵的生命支持系統(tǒng)的失效，等等，這些頗為驚人的例子說(shuō)明計(jì)算機(jī)硬件和軟件必須是可靠的和安全的。實(shí)時(shí)系統(tǒng)的大塊頭和復(fù)雜性加重了可靠性問(wèn)題。不僅必須考慮到應(yīng)用中固有的、可預(yù)見(jiàn)的困難，還要考慮到有差錯(cuò)的軟件設(shè)計(jì)引入的困難。1.3實(shí)時(shí)系統(tǒng)的特征1.3.3極其可靠和安全社會(huì)越是把要害功能的控制1.3.4獨(dú)立系統(tǒng)部件的并發(fā)控制嵌入式系統(tǒng)通常由計(jì)算機(jī)和若干共存的外部構(gòu)件組成，計(jì)算機(jī)程序必須同它們同時(shí)交互。并行地存在是這些外部現(xiàn)實(shí)世界構(gòu)件的本性。對(duì)表現(xiàn)出并發(fā)性的系統(tǒng)而言，同它的軟件生產(chǎn)相關(guān)的一個(gè)主要問(wèn)題是如何在程序結(jié)構(gòu)中表達(dá)并發(fā)性，一種方法是把它完全留給程序員，這時(shí)，程序員就必須構(gòu)造系統(tǒng)以循環(huán)執(zhí)行一個(gè)處理各種并發(fā)任務(wù)的程序序列。1.3實(shí)時(shí)系統(tǒng)的特征1.3.4獨(dú)立系統(tǒng)部件的并發(fā)控制嵌入式系統(tǒng)通常1.3.5實(shí)時(shí)設(shè)施在任何實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，響應(yīng)時(shí)間都是決定性的，但是，要設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)保證在所有可能條件下都能在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候產(chǎn)生適當(dāng)?shù)妮敵鍪欠浅＠щy的，為此，在所有時(shí)刻充分地利用計(jì)算資源常常是不可能的。由于這個(gè)原因，實(shí)時(shí)系統(tǒng)通常被構(gòu)建成處理器的使用都有可觀的空閑能力，以保證“最壞情況行為”不致在系統(tǒng)操作的關(guān)鍵階段產(chǎn)生任何不希望的延遲。有了適當(dāng)?shù)奶幚砟芰?，需要語(yǔ)言和運(yùn)行時(shí)的支持使程序員能夠：規(guī)定動(dòng)作進(jìn)行的時(shí)間。規(guī)定動(dòng)作完成的時(shí)間。對(duì)所有時(shí)間需求都不能滿足的情況做出響應(yīng)。對(duì)時(shí)間需求動(dòng)態(tài)改變的情況做出響應(yīng)。1.3實(shí)時(shí)系統(tǒng)的特征1.3.5實(shí)時(shí)設(shè)施在任何實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，響應(yīng)時(shí)間都是1.3.6同硬件接口的交互嵌入式系統(tǒng)的特性要求計(jì)算機(jī)部件同外部世界交互。它們需要為現(xiàn)實(shí)里種類繁多的設(shè)備監(jiān)視傳感器和控制致動(dòng)器。這些設(shè)備經(jīng)由輸入和輸出寄存器同計(jì)算機(jī)交互，它們的操作需求是依賴于設(shè)備和依賴于計(jì)算機(jī)的。這些設(shè)備還產(chǎn)生中斷，以通知處理器某些操作已經(jīng)完成或引發(fā)了出錯(cuò)狀態(tài)。過(guò)去，同設(shè)備的對(duì)接要么是留給操作系統(tǒng)去控制，要么需要程序員使用匯編語(yǔ)言插入對(duì)寄存器和中斷的控制和操縱?，F(xiàn)在，因?yàn)樵O(shè)備多種多樣，而且和它們相關(guān)的交互具有時(shí)間緊迫的本性，所以對(duì)它們的控制經(jīng)常必須是直接的，不再經(jīng)過(guò)操作系統(tǒng)的功能層次。此外，可靠性需求也反對(duì)使用低級(jí)編程技術(shù)。1.3實(shí)時(shí)系統(tǒng)的特征1.3.6同硬件接口的交互嵌入式系統(tǒng)的特性要求計(jì)1.3.7高效的實(shí)現(xiàn)和執(zhí)行環(huán)境由于實(shí)時(shí)系統(tǒng)對(duì)時(shí)間的要求極為苛刻，實(shí)現(xiàn)效率要比在其他系統(tǒng)中更重要。有趣的是，使用高級(jí)語(yǔ)言的主要好處是使程序員能將實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)抽象掉，集中精力去解決手頭的問(wèn)題，但是，嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)程序員不能享受這種好處。他或她必須不斷地關(guān)心使用特定語(yǔ)言功能的代價(jià)。例如，對(duì)某個(gè)輸入的響應(yīng)需要在一毫秒之內(nèi)，那么就沒(méi)有必要使用一個(gè)執(zhí)行時(shí)間為一微妙的語(yǔ)言功能！1.3實(shí)時(shí)系統(tǒng)的特征1.3.7高效的實(shí)現(xiàn)