實(shí)時(shí)或界面驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用程序常見(jiàn)問(wèn)題及解決方案

　　本文是軟件開(kāi)發(fā)系列文章的第一篇，尤其是嵌入式系統(tǒng)和實(shí)時(shí)應(yīng)用程序的編程。未來(lái)的文章自然會(huì)不時(shí)提及XMOS技術(shù)，因此首先了解 XMOS 適合的軟件世界是有意義的。

　　軟件是一個(gè)了不起的東西。編程語(yǔ)言表達(dá)能力強(qiáng)，編譯速度快，有很多抽象和工具可供開(kāi)發(fā)，更新設(shè)備功能快速簡(jiǎn)便。這意味著系統(tǒng)中由軟件驅(qū)動(dòng)的任何部分都是系統(tǒng)中最靈活的部分——一個(gè)奇妙的部分。

　　然而，軟件真正令人討厭的地方有一個(gè)：快速實(shí)時(shí)處理。這是一種必須在某些外部事件之前完成任務(wù)時(shí)的處理，例如，在顯示器的屏幕刷新之間操作圖像數(shù)據(jù)，或者基于某個(gè)快速時(shí)鐘向外部 I/O 引腳提供數(shù)據(jù)。

　　當(dāng)然，可以使用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，但所有美妙的易用性和靈活性似乎都消失了。軟件開(kāi)發(fā)變得難以維護(hù)。

　　問(wèn)題

　　那么，為什么軟件在面對(duì)實(shí)時(shí)或界面驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用程序時(shí)會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題呢？這些問(wèn)題可以分為幾類(lèi)。

　　問(wèn)題 1：多任務(wù)處理

　　自然，處理器可能會(huì)嘗試執(zhí)行多個(gè)任務(wù)，即使是最簡(jiǎn)單的問(wèn)題。但是，處理器通常一次不能做多于一件事。即使是具有傳統(tǒng)架構(gòu)的多核處理器，在硬件中也可能一次只能做兩到四件事。

　　問(wèn)題在于，自然單線程處理器上的多任務(wù)處理涉及軟件以塊的形式將任務(wù)調(diào)度進(jìn)出處理器。從單個(gè)任務(wù)的角度來(lái)看，調(diào)度意味著您不知道何時(shí)進(jìn)入和何時(shí)離開(kāi)，從而難以滿足實(shí)時(shí)約束。

　　問(wèn)題 2：中斷

　　即使對(duì)于“單線程”應(yīng)用程序，處理器也可能一次做不止一件事。中斷提供了一種隱含形式的多任務(wù)處理。中斷觸發(fā)（例如為 I/O 處理程序提供服務(wù)）與調(diào)度程序切換任務(wù)相同。

　　圖 1：中斷與事件。

　　問(wèn)題 3：缺乏可預(yù)測(cè)

　　性 似乎軟件在時(shí)間方面確實(shí)缺乏可預(yù)測(cè)性。任務(wù)需要在一定的微秒內(nèi)運(yùn)行，但不能保證它們會(huì)。調(diào)度和中斷只是問(wèn)題的一部分。一些微處理器具有用于存儲(chǔ)器訪問(wèn)的高速緩存，并且存儲(chǔ)器訪問(wèn)所花費(fèi)的時(shí)間取決于該高速緩存的狀態(tài)。此外，一些微處理器是超標(biāo)量的，因此每條指令的執(zhí)行時(shí)間都是可變的。這一切都意味著您不能只計(jì)算指令的數(shù)量并知道該指令序列將花費(fèi)多長(zhǎng)時(shí)間。

　　問(wèn)題 4：缺乏資源

　　在嵌入式應(yīng)用中使用實(shí)時(shí)軟件時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)另一個(gè)問(wèn)題：資源不足。內(nèi)存和時(shí)鐘周期需要花錢(qián)，因此有動(dòng)力從低資源設(shè)備中獲得盡可能多的東西。對(duì)于傾向于將資源視為豐富的現(xiàn)代軟件抽象來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)問(wèn)題，例如，內(nèi)存是無(wú)限的資源。

　　解決方案

　　避免實(shí)時(shí)軟件問(wèn)題的一種選擇是在硬件解決方案中實(shí)現(xiàn)它。如果一個(gè)固定的功能部分存在你想要的功能，那真的沒(méi)什么可做的?；蛘?，可重新編程的硬件部件，如FPGA可以，只要你有編程的技能。即使您這樣做，也可能需要一些軟件任務(wù)，因此您必須將 FPGA 與微處理器集成，無(wú)論是在 FPGA 上還是在單獨(dú)的部分上。這種硬件/軟件部門(mén)提供了多種設(shè)計(jì)流程和工具，并且缺乏軟件開(kāi)發(fā)可以提供的不同功能的緊密集成。

　　是否有任何解決方案可以提供軟件開(kāi)發(fā)的所有好處，但不會(huì)出現(xiàn)嘗試進(jìn)行實(shí)時(shí)編程時(shí)出現(xiàn)的問(wèn)題？

　　一種選擇是使用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) （RTOS） - 具有用于實(shí)時(shí)應(yīng)用程序的額外不同功能的傳統(tǒng)操作系統(tǒng)。首先，多個(gè)任務(wù)的調(diào)度具有優(yōu)先級(jí)和時(shí)間感知性，因此調(diào)度程序試圖保證任務(wù)滿足它們的時(shí)間約束。其次，操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)使得所有系統(tǒng)任務(wù)的最壞情況執(zhí)行時(shí)間都是已知的，使您能夠進(jìn)行一些最壞情況執(zhí)行時(shí)間 （WCET） 分析。

　　然而，傳統(tǒng)微處理器上的 RTOS 提供了相當(dāng)重量級(jí)的解決方案。它試圖將非自然實(shí)時(shí)的東西轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)時(shí)框架。即使調(diào)度是實(shí)時(shí)感知的并且對(duì)系統(tǒng)任務(wù)執(zhí)行 WCET，處理器的非確定性（緩存、超標(biāo)量執(zhí)行）仍然存在。這樣做的結(jié)果是，即使使用相當(dāng)快的微處理器，由于操作系統(tǒng)的開(kāi)銷(xiāo)，也很難以亞微秒的限制完成任務(wù)。這類(lèi)任務(wù)傳統(tǒng)上仍由 ASICS 或 FPGA 處理。

　　XMOS 設(shè)備提供了一種全新的解決方案，將軟件的優(yōu)勢(shì)與硬件解決方案的實(shí)時(shí)性能相結(jié)合。

　　XMOS：專(zhuān)為實(shí)時(shí)而設(shè)計(jì)

　　XMOS 處理器專(zhuān)為具有快速外部 I/O 約束的實(shí)時(shí)處理而構(gòu)建。它們旨在將最好的硬件設(shè)計(jì)與最好的軟件設(shè)計(jì)相結(jié)合。

　　解決方案 1：硬件多任務(wù)

　　XMOS 設(shè)備在硬件中處理多任務(wù)，一組任務(wù)在不同的軟件線程上運(yùn)行。每個(gè)時(shí)鐘周期都有一個(gè)不同的線程以循環(huán)方式交換到上下文中。這意味著您不必?fù)?dān)心調(diào)度程序 - 您可以將每個(gè)線程視為以設(shè)定速度運(yùn)行的獨(dú)立實(shí)體。它也是一種天然的多核架構(gòu)，因此添加更多內(nèi)核意味著可以運(yùn)行更多獨(dú)立任務(wù)。

　　解決方案 2：事件驅(qū)動(dòng)的架構(gòu)

　　XMOS 設(shè)備上沒(méi)有操作系統(tǒng)層。每個(gè)線程都明確響應(yīng)事件，而不是中斷。這種方法意味著沒(méi)有隱藏的任務(wù)可以跳入并擾亂軟件的時(shí)間安排。

　　解決方案 3：可預(yù)測(cè)

　　的執(zhí)行 缺少操作系統(tǒng)和軟件調(diào)度程序，再加上沒(méi)有緩存的內(nèi)存（每次內(nèi)存訪問(wèn)需要 1 個(gè)線程周期）以及每個(gè)線程使用獨(dú)立資源，這意味著使用 XMOS，您可以獲得實(shí)時(shí)所需的可預(yù)測(cè)性 -時(shí)間應(yīng)用。你知道一個(gè)指令序列需要多長(zhǎng)時(shí)間是靜態(tài)的。此外，XMOS 提供了一個(gè)時(shí)序分析器 （XTA） 工具，該工具可以準(zhǔn)確地測(cè)量?jī)蓚€(gè)代碼點(diǎn)之間的最壞情況執(zhí)行時(shí)間（考慮到控制流的多個(gè)路徑、函數(shù)調(diào)用）。

　　解決方案 4：托管資源

　　XMOS 器件專(zhuān)為嵌入式應(yīng)用而設(shè)計(jì)，因此成本低、資源少。軟件程序員的關(guān)鍵是管理這些資源。軟件開(kāi)發(fā)工具（基于標(biāo)準(zhǔn) C 編譯器的擴(kuò)展工具）跟蹤資源使用情況，因此您知道您不會(huì)在運(yùn)行時(shí)用完。如果您需要更多內(nèi)存、處理能力或 I/O，只需添加另一個(gè)內(nèi)核，因?yàn)橘Y源是完全可擴(kuò)展的。

　　這些工具還確保每個(gè)線程只使用自己的資源，而不會(huì)干擾其他線程。

　　結(jié)論

　　本文介紹了實(shí)時(shí)應(yīng)用軟件編程的困難以及 XMOS 系列器件設(shè)計(jì)背后的動(dòng)機(jī)。下次您設(shè)計(jì)需要實(shí)時(shí)處理和 I/O 編程的系統(tǒng)時(shí)，請(qǐng)查看 XMOS，了解如何將軟件開(kāi)發(fā)的優(yōu)勢(shì)與實(shí)時(shí)性能相結(jié)合。