嵌入式实时系统开发的软硬件考虑和关键工艺

    随着嵌入式实时系统复杂度的提高，设计工程师在定义和分析系统初始要求时必须认真考虑软硬件的协同关系。通常设计工程师还必须权衡系统的灵活性、速度、成本、计划和可用工具之间的关系。

    本文将描述嵌入式系统和实时系统的关键特性，并探讨在选择或开发硬件和软件组件的基础上开发高效嵌入式系统的解决方案，同时详细说明嵌入式系统和实时系统开发所特有的关键工艺技术。

    嵌入式系统通常是一个包含微处理器的特殊计算机系统，是一个较大系统或设备的组成部分，它在很大程度上决定了设备的功能特性。许多具备数字接口的设备如微波设备、录像机(VCR)和汽车等都会用到嵌入式系统。有些嵌入式系统需要使用操作系统，有些则用单个程序实现整个逻辑，但所有嵌入式系统提供的功能都要比通用计算系统更专业些。嵌入式系统功能包括：

    1.监视环境－从输入传感器读取数据,然后处理数据并显示结果。

    2.控制环境－产生并向激励器发送命令。

    3.转换信息－转换并处理收集到的数据。

    虽然通过传感器和激励器完成与外部世界的交互是嵌入式系统的重要特点，但这些嵌入式系统还提供适合它们所在设备的特殊功能。嵌入式系统一般用来执行控制程序、有限状态机和信号处理算法。这些系统还必须检测内部计算环境和周围电磁系统中发生的故障并对此做出响应。

嵌入式系统特性

    嵌入式系统的设计挑战是使嵌入式系统的独特性能与设备的特殊约束条件相一致。以下是一些嵌入式系统的重要特性：

    1.特殊应用系统－嵌入式系统不同于通用处理器，它针对特殊应用进行了优化。

    2.反应性系统－反应性计算的意思是系统(主要是软件部分)根据传感器信息对环境作出响应，并利用激励器控制环境，同时系统速度能与环境速度同步。

    3.分布式－嵌入式系统的一般特征是多个通信进程在多个通过通信链路链接的CPU或ASIC上运行。

    4.异类性－不同的嵌入式系统一般具有不同的结构，以便在处理严格设计约束的嵌入式系统时能够提供更好的设计便利性。

    5.苛刻环境－许多嵌入式系统并不工作在受控的环境中，因此它们必须能够经受过热、振动、冲击、电源波动和其它恶劣的物理环境条件的考验。

    6.系统安全性和可靠性－由于嵌入式系统复杂度和运算量的不断增长，需要更多地考虑系统安全因素。

    7.小型化、重量轻－为了达到便携目的，许多嵌入式系统的重量必须设计得很轻。

    8.成本敏感性－不同的嵌入式系统对成本的敏感性有很大的不同。

实时系统的特性

    实时系统要求在外部环境指定的时间间隔内对来自环境的激励信号作出响应(包括物理时间的过渡)。从输入时间到输出时间的延迟必须足够小，以满足可以接受的时间值。通常实时系统需要对环境作出连续及时的响应。

    计算的正确性不仅依赖于结果，而且取决于输出发生的时间。一个实时系统必须满足有限响应时间约束条件，否则会产生严重的后果。如果后果是性能的劣化而不是故障，那么这种系统可以看作是一个软实时系统。如果后果是系统发生故障，那么这种系统就是一种硬实时系统。

    实时系统有反应式和嵌入式两种类型。反应式实时系统会与环境发生连续的互作用，而嵌入式实时系统主要用于控制大型系统中安装的特殊硬件。

嵌入式系统开发生命周期

    许多系统设计工程师都会经历硬件/软件协同设计的过程(图1)，此过程中硬件与软件将同时进行开发。理解硬件与软件功能相互之间的关系及界限有助于确保设计要求得到完整正确的理解和实现。

    早在设计要求的定义与分析阶段，系统开发人员就必须与设计工程师协同分配硬件或/和软件方面的要求。这种分配的依据是早期系统仿真、原型设计和行为建模结果、工程师自己的经验以及上文提及的各种因素权衡结果(图2)。一旦分配结束，就可以立即着手具体的设计和实现。实时系统开发中软硬件的并行设计会使用到各种分析技术，包括：

    1.硬件与软件仿真；

    2.硬件/软件协同仿真；

    3.可调度的建模技术，如速率恒定分析；

    4.原型设计和渐进式开发。

    可以在各种抽象层次使用的仿真技术主要用于开展早期的性能评估。低层仿真可以用来为总线宽度和数据流程建模，这对性能评估是非常有用的。高层仿真可以满足功能的交互，并促成硬件/软件权衡研究及有效性设计。利用仿真可以将一个复杂的系统向下抽象成基础组件和行为。仿真还助于解决功能性问题(数据与算法)、行为(进程排序)或性能问题(资源利用、吞吐量和时序)。

理解设计要求

    在作执行任何类型的处理器评估时，首先要详细理解用户的功能和非功能性要求。功能性要求通常比较容易获得，而非功能性要求较难定量测量。但对于实时系统来说，定义响应时间这样的要求是非常重要的。实时要求可以有以下几种：

    1.激励－激励(S-S)：到系统去的两个激励之间的实时关系；

    2.激励-响应(S-R)：一个激励与来自系统的一个后序响应之间的实时关系；

    3.响应-激励(R-S)：一个响应与到系统去的一个后序激励之间的实时关系；

    4.响应-响应(R-R)：来自系统的两个响应之间的实时关系。

    S-R和R-R关系定义了对指定系统的时序要求。这种情况下所实现的功能必须足够快(或足够慢)才能满足时序要求。S-S和R-S约束暗示系统必须能够从环境(可能是一个用户或另外一个系统)中检测出特定时序约束的破坏。这些约束与功能的快慢没有关系，相反它们能够检测出某些遭到破坏的时序约束并采取必要的措施。

    因此要从最初系统要求设计时就很好地理解这一点，因为S-R和R-R约束可以引导设计工程师进行代码优化，而S-S和R-S约束需要用额外的软件来检测和响应时序冲突。