实时系统引论

《实时系统引论》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、第1讲实时系统引论主讲:黎忠文目录引言1.1实时系统的定义1.2实时系统的例子1.3实时系统的特征小结引言随着计算机变得更小、更快、更可靠和更便宜，其应用范围更宽了。最初制造的计算机只是作为方程求解装置，现在，其影响已经拓展到生活的各个方面，从洗衣机到空中交通管制。扩展最快的一个计算机应用领域所涉及的各种应用，其主要功能不是信息处理，然而需要信息处理以实现其主要功能。微处理器控制的洗衣机是这种系统的一个好例子。这里，基本功能是洗衣机，然而，为了洗不同种类的衣服，要执行不同的“洗衣程序”。这种类型的计算机应用通常

2、被称为实时应用或嵌入应用。估计世界上有99%的处理器是用于嵌入式系统的。这些嵌入式应用的编程对计算机语言提出了特别的要求，因为它们同传统的信息处理系统有不同的特征。1.1实时系统的定义牛津计算词典(OxfordDictionaryofComputing)对实时系统给出下列定义：实时系统是指那些产生输出的时间至关重要的系统，这通常是因为输入对应于外界的某个运动，而输出又必须与同一运动相关。自输入时刻到输出时刻的时间滞后必须充分小，以达到可接受的及时性。PDCS(PredictablyDependableCompu

3、terSystems)工程给出如下定义：实时系统是这样的系统：需要在环境限定的时间间隔里对来自环境的激励做出反应(包括实际时间的推移)。1.2实时系统的例子上一节中我们介绍了实时系统和嵌入式系统的含义之后，这一节中介绍使用它们的例子，主要包括：过程控制制造业通信、指挥与控制广义嵌入式计算机系统1.2.1过程控制考察图1-1所示的简单例子，计算机完成单一的活动：通过控制阀门确保管道中液体的均匀流动。当检测到流量增加时，计算机必须通过改变阀门角度给予响应，该响应必须在一个有限时间段里发生以使管道接收端的设备不致过载

4、。注意，实际响应可能涉及复杂的计算，以算出新的阀门角度。1.2实时系统的例子计算机的作用。此计算机同使用传感器和致动器的设备进行交互。阀门是致动器的一个例子，而温度和压力转换器是传感器的例子。计算机控制传感器和致动器的动作以确保在当时的时间执行正确的设备操作。需要时，要在受控过程和计算机之间插入模数和数模转换器。上面的例子只展示了更大控制系统的一个部件。图1-2说明了嵌入到一个完整过程控制环境中的实时1.2.2制造业图1-3图解说明生产控制计算机在制造过程中的作用。实际系统由诸如机床、操作装置和传送带等各种机械

5、装置组成。它们都需要由计算机控制和协调。1.2实时系统的例子1.2.3通信、指挥与控制图1-4表示了一个指挥控制系统。1.2实时系统的例子1.2.4广义嵌入式计算机系统的外部特性。通常有一个模块包含实际控制这些装置所必需的算法，一个模块负责记录系统状态的变化，一个模块检索并显示这些变化，还有一个模块同操作员进行交互。一个典型的嵌入式计算机系统可用图1-5表示，控制系统操作的软件可以被编制成若干模块，它们反映环境1.2实时系统的例子1.3实时系统的特征实时系统具有许多特征(固有的或强加的)，以下几小节将阐明。显然

6、，并非所有实时系统都具有所有这些特征，然而，用于实时系统有效编程的任何通用语言(和操作系统)都必须有支持这些特征的设施，实时系统的特征有：大且复杂实数处理极其可靠和安全独立系统部件的并发控制1.3.1大且复杂通常人们认为同开发软件相关联的大多数问题都是同大小和复杂性有关的问题。编写小程序不出现重大问题，因为设计、编码、维护和理解都由一个人完成。如果使用这个软件的人离开了公司或机构，另一个人能够在相对短的时间里学会这个程序，确实，有一种构建这种程序的艺术或技巧，而且小就是美。令人遗憾的是，不是所有软件都有这种理想

7、的“小巧”特征。Lehman和Belady(1985)在试图描述大系统的特征时，拒绝了那种认为庞大就是同指令数目、代码行数或组成一个程序的模块数目成正比的简单而且或许是直观的概念。他们将庞大同多样性联系起来，将庞大的程度同多样性的数量联系起来，诸如指令数目和开发工作量这样的传统指标，就只是多样性的特征。1.3实时系统的特征1.3.2实数处理图1-6举例说明了一个反馈控制器，这是最普通的形式，但也使用前馈控制器。为了计算出如何改变输入变量向量才能在输出向量上产生理想效果，该设备必须有一个数学模型。这些模型的推导属

8、于另一个学科—控制论。设备的模型常常是一个一阶常微分方程组，这些微分方程建立了系统的输出同设备的内部状态和其输入变量之间的联系。改变设备的输出涉及求解这些微分方程，以得到所需的输入值。大多数物理系统都有惯性，所以改变不是瞬时的。在一个固定时间段里使系统移动到一个新的设置点上的实时需求，将增加数学模型和物理系统所需处理的复杂性。1.3实时系统的特征由于这些困难、模型的复杂性、不同输入和输