实时系统的例子通信指挥与控制

1.2
实时系统的例子
制造业
1.2.2
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
通信、指挥与控制
1.2.3
图1-4表示了 一个指挥控制系 统。
1.2
实时系统的例子
广义嵌入式计算机系统
1.3
实时系统的特征
实数处理
1.3.2
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。
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，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
实时系统的特征
1.1
实时系统的定义
牛津计算词典(Oxford Dictionary of Computing)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(Predictably Dependable Computer Systems) 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)。
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1.3
实时系统的特征
独立系统部件的并发控制
1.3.4
嵌入式系统通常由计算机和若干共存的外部构件组成， 计算机程序必须同它们同时交互。并行地存在是这些外部 现实世界构件的本性。对表现出并发性的系统而言，同它 的软件生产相关的一个主要问题是如何在程序结构中表达 并发性，一种方法是把它完全留给程序员，这时，程序员 就必须构造系统以循环执行一个处理各种并发任务的程序 序列。
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。
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。注意，实际 响应可能涉及复杂的计算，以 算出新的阀门角度。
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 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。
1.2.4
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 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。
1.3
实时系统的特征
1.3.3
社会越是把要害功能的控制让位给计算机，就迫使计 算机越是不能失效。银行之间的自动资金转移系统的失 效会导致无法挽回的数百万美元的损失，发电厂的一个 有故障部件可能导致重症监护室的一个关键的生命支持 系统的失效，等等，这些颇为惊人的例子说明计算机硬 件和软件必须是可靠的和安全的。 实时系统的大块头和复杂性加重了可靠性问题。不 仅必须考虑到应用中固有的、可预见的困难，还要考虑 到有差错的软件设计引入的困难。
由于这些困难、模型的复杂性、不同输入和输出的数 目，大多数控制器都用计算机实现。将数字部件引入到 系统里面改变了控制循环的性质。图1-7是对较早模型 的修改。标记了*的项目现在是离散值，采样和保存操作 由一个模拟/数字转换器进行，两个转换器都在计算机的 直接控制之下。
1.3
实时系统的特征
极其可靠和安全
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
实时系统的例子
过程控制
1.2.1
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。
大且复杂
1.3.1
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。