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软实时、硬实时和确定性的基本概念


微软公司1995年发表的文献《Real-Time Systems and Microsoft Windows NT》中对硬实时操作系统做了如下定义:硬实时操作系统“必须无故障地在规定的时间间隔内对某个事件作响应,这种响应必须可以预测,而且不受该操作系统所承担的其它活动的影响。”由此可见,硬实时系统必须在预定的时间间隔内不停顿地对其数据或事件进行操作。与此相反,软实时系统仅在平均的意义上以一种定时的方式对其数据或事件进行操作,而不考虑它被延迟进程调用(DPC)中断而产生的停顿。


按此定义,显然Windows NT并非一种硬实时的操作系统。NT不能保证控制的确定性,其软实时的本质难以确保控制应用的有效执行。它用于实时控制还有以下缺陷:线程优先级太少;调度决策不透明和非确定;可能发生优先级颠倒,特别在中断处理时会使高优先级的任务处于等待状态。


将硬实时和软实时的概念引入工业控制系统,其完整的表述应该是:在硬实时系统中,每个事件都必须得到响应,从事件起动到任务執行完成,总在一个有界的时间周期内进行(见图1上半部分);在软实时系统中,某几个事件可能不会触发任务执行而丢失,不能保证任务执行所要求的时间在一个有界的时间周期内(见图1的下半部分)。显然,如果没有硬实时环境的支撑,图1中这个控制器处于不稳定状态,其控制质量难以接受。因此操作系统的硬实时特性是影响控制系统确定性的关键因素。


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图1 对于周期性的实时控制任务硬实时和软实时的处理的差异举例




计算机的性能和确定性不是等同的概念。计算机的性能是一种处理器完成有效工作的能力。一般而言,性能越好表示在一定的时间周期内可以处理的指令越多,通常认为提高执行速度(即提高处理器的主钟频率)便可提高性能。事件等待时间是一个系统对一个异步事件响应能力的度量。系统的事件等待时间与确定性密切相关。它与CPU响应中断并取得总线控制权的时间之和,以及系统将CPU的状态改变为中断处理程序的能力有关。 


明确了硬实时、软实时和控制确定性的概念,就可以认定:硬实时系统的时间安排是事先排定的,所以各个任务保证从对外部事件的响应开始,在jingque的时间限度内开始执行,并在确定的时间间隔内完成程序的执行。因此硬实时系统在时间尺度上是确定性的。软实时系统通常按起始例行程序的平均时间长度考量,因而不可避免会发产生受其它因素制约等待时间,从而使程序执行的时间难以确定。由此可以断定,任务的确定性要求严格的应用必须选用具有确定性特性的硬实时操作系统。


还有一种表述。时间是区分硬实时和软实时的关键参数。在硬实时系统中,将时间线作为在任何情况下都必须遵循的判定准则。硬实时系统不使用任何类型的yongjiu内存,因此它们的进程必须在第一次执行就正确完成,即必须在指定的时间内对事件产生准确的响应。这种硬性的预定时间一般是毫秒级的。此外,硬实时系统的数据文件都是小或中等的存储容量,因而对数据完整性的要求不像对大型数据文件那样,较为简单。像飞行控制系统、飞行交通控制系统、飞机自动驾驶系统、导弹制导系统、反导弹系统、核反应堆控制系统、铁路信号系统、电子医疗装置系统、起搏器、工业控制系统、运动控制系统等都是硬实时系统。



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