【導讀】電氣和計算機工程令人興奮但挑戰性的領域之一是嵌入式系統設計。如果您不確定什么是嵌入式系統設計，請參閱文章末尾的鏈接。嵌入式系統設計如此具有挑戰性的部分原因在于任何嵌入式系統都需要眾多的設計約束。這些因素包括功耗、有限的內存、I/O 可用性、溫度、空間限制，當然還有總體成本。對于某些嵌入式系統，一個特別重要的約束是時間。
電氣和計算機工程令人興奮但挑戰性的領域之一是嵌入式系統設計。如果您不確定什么是嵌入式系統設計，請參閱文章末尾的鏈接。嵌入式系統設計如此具有挑戰性的部分原因在于任何嵌入式系統都需要眾多的設計約束。這些因素包括功耗、有限的內存、I/O 可用性、溫度、空間限制，當然還有總體成本。對于某些嵌入式系統，一個特別重要的約束是時間。
當系統必須在嚴格定義的時間內響應事件或請求時，我們將其稱為實時系統。這個規定的時間被稱為期限。這些系統必須是可預測的，因此根據定義是確定性的。
如果實時系統是嵌入式的，我們稱其為實時嵌入式系統。我們在本文中互換使用這兩個術語。實時嵌入式系統的示例是“關鍵任務”應用，例如飛機控制、防抱死制動系統、起搏器和可編程邏輯控制器。
實時系統可以根據錯過其時序約束的可接受性進行分類。如果錯過時間限制是不可接受的，例如，如果這可能導致人員傷亡，我們將其稱為硬實時系統。上面提到的起搏器就是一個例子。
如果缺少時序約束是可以接受但不受歡迎的，我們將其稱為軟實時系統。電子郵件系統、無線路由器和有線電視盒都有其設計要滿足的實時限制。即便如此，錯過這些期限的后果通常很小或微不足道，例如，您可能會因為您喜歡的電視節目必須緩沖一秒鐘而感到惱火。當軟實時系統錯過給定操作的期，該操作不會立即失去其所有價值。相反，該值會隨著時間的推移而減小，即，隨著時間超出截止日期，該值會逐漸減小到零（參見圖 1 左側）。
許多系統存在從硬到軟的范圍，錯過期限并不是不可接受的，但這樣做會使正在執行的操作立即失去其所有價值。屬于此范圍內的系統通常稱為固定實時系統（參見圖 1 中間）。
在硬實時系統中，錯過期限不僅會造成價值完全損失，還會造成負價值，即損害（見圖 1，右）。
圖 1.實時系統分類（改編自：Rochange、Uhrig 和Sainrat 。“時間可預測架構”。2014 年，1.1.2）
每個實時系統都有一組旨在滿足的時序約束。如果系統沒有時間限制，那么它就不是實時的。這些時序約束可以分為兩類：事件響應和任務調度。
事件是系統必須響應的刺激。這些可以在硬件和軟件中啟動，它們表明發生了某些事情并且必須進行處理。當事件以內部或外部中斷的形式出現時，它可能看起來熟悉。例如，當按下按鈕時，系統可能會感知到這一情況并執行必要的操作。系統檢測到變化時可以隨時生成事件。系統檢測到事件的時刻和響應該事件的時刻之間的時間稱為延遲。延遲定義為響應時間減去檢測時間。
L = T r – T d
任務調度
任務是需要由系統處理器運行的一組指令。一些實時系統設計人員更喜歡安排任務，特別是如果這些任務定期運行的話。許多嵌入式系統需要重復感測大量輸入，然后根據這些新信息修改輸出。這些類型的系統適合使用任務。這些任務通常使用稱為調度程序的軟件結構來調度和運行。計劃任務應該運行和實際運行之間的時間稱為抖動。抖動定義為實際時間減去期望時間。
J = T a – T d
無論實時系統是否使用事件響應、任務調度或兩者，終目標都是盡可能減少延遲和抖動，同時定義可接受的上限（壞情況）。
設計模式
如何著手設計實時嵌入式系統？隨著系統需求的增長和時序限制的收緊，在滿足期限的同時管理嵌入式系統的所有需求變得越來越困難。以下是整個行業使用的一些既定原則。
循環賽
循環調度是用于管理實時系統約束的和廣泛使用的調度算法之一。正如其名稱所示，它的工作原理是：它讓每個系統組件輪流使用共享資源并完成所需的任務。下面的圖 2 顯示了 CPU 在切換到下一個任務之前為每個任務提供 500 毫秒的處理時間。任務可能會也可能不會在 500 毫秒內完成，并且通常會在輪到他們時從上次中斷的地方繼續。
圖 2.循環任務調度程序
排隊
實時系統中另一個有用的結構是隊列。隊列可以被認為是一條生產線，其中的物品進入并等待處理。準備好后，系統從隊列中刪除下一個項目并處理它。這樣，需要執行的新任務可以放入隊列中，并在系統處理之前的任務時等待。終，新任務得到處理，盡管后面還有更多任務。圖 3 顯示了先進先出 (FIFO) 隊列，其中任務 C 位于隊列中，直到任務 A 和任務 B 都被處理為止。
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