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1.1 嵌入式系统与实时性要求

1.1.1 嵌入式系统的定义与核心特征

嵌入式系统（Embedded System）是一种专用于执行特定任务的计算机系统，其硬件与软件被紧密集成并封装于其所控制的更大设备内部。与通用计算机（如个人电脑、服务器）追求“普适性”和“高性能”不同，嵌入式系统的核心设计准则是“专用性”、“可靠性”与“成本效益”[1]。其典型物理形态通常不是独立的、可被用户直接感知的“计算机”，而是作为功能模块嵌入到如家用电器、工业机器、医疗仪器、交通工具乃至消费电子等最终产品之中。

嵌入式系统的核心特征可以归纳为以下三点：

• 资源高度受限：受制于成本、功耗和物理尺寸，嵌入式系统的计算资源（如处理器主频、内存容量）、存储资源和能源供给通常都经过精密计算，以满足最低需求为目标，这与资源富余的通用计算平台形成鲜明对比。
• 与物理世界直接交互：嵌入式系统通过各类传感器（Sensor）感知外部物理世界的状态（如温度、压力、位置），并通过执行器（Actuator）对外部世界施加控制（如驱动电机、打开阀门、点亮屏幕）。这种实时交互是其存在的主要价值。
• 确定性与实时性要求：许多嵌入式应用要求系统行为在时间上是可预测的。对于给定的输入，系统必须在有限且确定的时间范围内产生正确的输出或响应。这种对时间约束的遵从，即为“实时性”（Real-Time）。

1.1.2 实时性要求的本质与分类

实时性的本质并非单纯追求“速度快”，而是追求行为在时间维度上的“确定性”（Determinism）和“可预测性”（Predictability）。一个响应速度为1微秒但不稳定的系统，在严格意义上可能不如一个稳定在10毫秒内响应的系统“实时”。根据违反时间约束（Deadline）所导致后果的严重程度，实时性通常被严格区分为“硬实时”与“软实时”两种类型。

1. 硬实时（Hard Real-Time）
硬实时系统要求任务必须在绝对严格的截止时间前完成。错过截止期限不仅被视为功能错误，更可能导致灾难性的系统失效，造成生命危险、重大财产损失或环境破坏。硬实时系统的设计核心是在最坏情况执行时间（Worst-Case Execution Time, WCET）分析下，确保所有关键任务都能在其截止期限前完成。

• 典型应用案例：
  • 汽车电子：防抱死制动系统必须在轮胎即将抱死的瞬间（毫秒级）内完成传感器数据读取、计算并调整制动压力。错过截止期限意味着制动失控。
  • 航空电传飞控：飞行控制计算机必须持续、稳定地在数毫秒周期内完成对舵面的控制，以维持飞机姿态。响应延迟可能导致飞行失稳。
  • 工业安全控制：急停按钮被按下时，控制信号必须在规定时间内（如IEC 61800-5-2标准对安全转矩关断有明确时间要求）切断电机动力。延迟将导致人员伤亡。

2. 软实时（Soft Real-Time）
软实时系统对任务的截止期限有要求，但偶尔、有限度地错过截止期限是可以容忍的。系统的整体性能和功能会因响应延迟而下降，但不会导致系统完全失效。软实时系统更关注平均性能和吞吐量。

• 典型应用案例：
  • 消费电子：智能手机的视频播放或触控响应。偶尔的帧率下降或触控延迟会影响用户体验，但不会使设备损毁。
  • 多媒体流：网络视频通话允许一定的数据包延迟和抖动，通过缓冲机制可以平滑播放，短暂的卡顿可以被接受。
  • 机器人上层规划：移动机器人的全局路径规划算法，允许在数百毫秒甚至秒级内完成重新规划，短暂的延迟不会导致机器人立即碰撞。

为更清晰地区分，下表总结了硬实时与软实时的关键差异：

表1：硬实时与软实时系统对比

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对比维度	硬实时系统	软实时系统
截止期限要求	绝对严格，必须在截止期限前完成	相对宽松，可容忍偶然或有限的超时
超时后果	灾难性失效（安全、财产损失）	性能降级，用户体验下降
设计目标	保证最坏情况下的确定性，100%时间约束满足	优化平均性能和吞吐量