實時計算機系統

實時計算機系統是指在限定的時間內能對外來事件作出反應的系統。因此，若一個計算機系統需要在確切的時間內從外部環境輸入數據並向它輸出數據，或執行一些其他的處理，則這個系統就是實時計算機系統。

基本介紹

• 中文名：實時計算機系統
• 外文名：real-time computer system
• 定義：限時內對外來事件作出反應的系統
• 結構：集中式結構和分散式結構
• 系統：計算機
• 套用學科：計算機原理

概述

實時計算機系統的實時性是指它對輸入數據即時作出反應(回響)的能力，可以用反應(回響)時間這個術語對實時性作定量描述。所謂反應時間是指一個系統對輸入數據產生反應所需要的時間。實時計算機系統中的測控對象，可以是溫度、壓力、液位、流量，也可以是飛行器的速度及仰角，或數控工具機的坐標等，因此，在不同的作業過程中，計算機系統的反應時間差異懸殊，從毫秒級到小時級不等。一般而言，實時計算機系統是指在某一環境下對現場監測、控制對象的量值變化、狀態變化等，能夠在整個系統運作所允許的時間間隔內對之進行監測、數據處理、即時地改變其控制參數並導致影響上述環境的計算機系統。實時計算機系統的例子很多。例如飛彈飛行測量控制系統，程控交換機的計算機控制系統，化工生產過程監控系統，數控工具機的控制系統，高速公路的監控系統，各種家用電器的電腦控制系統等。

實時計算機系統的關鍵是系統具有實時性。所謂實時性，是指系統中的不同操作的優先權不是平等的而是有高低之分的，具有高優先權的操作，由調度程式安排使它先執行，即先獲得CPU的處理服務。此外，有的實時計算機系統具有搶占調度的功能，即在正常的工作情況下，若某一優先權高的任務的激活條件得到滿足，系統將中斷正常運行，轉去執行優先權高的任務，待結束後，再返回執行原先的任務。

體系結構

集中式結構

集中式結構的基礎是立足於單套計算機可以完成所擔負的測控任務。為了提高系統可靠性通常採用雙工熱備份或冗餘技術，而冗餘中的基本獨立工作單元仍是單套計算機系統，這就是集中式的含義。這種結構中，所有測控系統中所要求的數據處理和數據通信都集中於單套系統，它是測控系統中實時計算機系統所採用的主要結構，無論是測控中心，還是測控站均毫無例外，其典型的組成如圖所示。

這種結構的優點是系統結構簡單，實時性好。所謂簡單是指雙工系統下兩機控制簡單，單機系統運行方式簡單，與測控設備的數據通信的組織簡單。基於多年的經驗，系統越簡單，可靠性越高，分析問題也越容易。

這種模式是在早期測控任務相對容易、實時計算機單機可靠性指標很低(僅幾十小時)的情況下完成航天測控任務的一種有效的辦法。這種較簡單的集中式結構支撐了我國航天測控事業從無到有，並發展到可支持國外衛星發射這么長一段歷程。

集中式結構中還有一種嵌入式結構。所謂嵌入式是指把計算機作為測控設備中的一個單元來對待，是作為某個設備中的一個基本單位，比如s波段統一測控系統(USB)中的遠程監控分系統，從整體上它屬於USB中的單元。超短波安全遙控地面設備中的

安全控制台是以計算機為核心的單元，它是嵌入遙控地面設備中的嵌入式系統。在實時計算機系統中，通信控制處理機中的HDLC規程板就嵌有8751作為板內信息交換的控制，其組成圖如圖所示。

在該板上控制HDLC通信晶片工作的是一個嵌入式的單片機子系統。該板插入586計算機系統。該計算機要管理數塊HDLC規程板和一塊話音板，因此HDLC規程板實際上是嵌入通信接口處理機中的一個嵌入式子系統。由圖可知，板中的單片計算器是87C51，存儲器由程式數據存儲器和緩衝存儲器組成，控制的對象(也可認為是I/O部件)是HDLC通信晶片。該晶片實現串列通信的輸入和輸出功能，其速率可達2Mbit/s/路/單向，板上的嵌入軟體由引導程式和裝入程式兩部分組成。裝入程式主要完成HDLC晶片初始化、8237DMA晶片初始化和處理HDLC數據收發以及每幀之後的中斷，並實現與主機(586)的數據交換。

分散式結構

分散式系統是計算機發展中一個新的有發展前景的結構，其嚴格定義並未取得一致意見，但大多數人認為，分散式系統是由多台計算機組成的系統，更確切地說，它包含如下幾個方面的含義。

(1)系統中的任意兩台計算機可以通過通信手段交換信息；

(2)系統中各台計算機沒有主次之分，都獨立自主，既沒有控制整個系統的主機，也沒有受控於它機的從機；

(3)系統的資源為所有用戶共享；

(4)系統中的若干台計算機可以互相協作來完成一項共同的任務，或者說一個程式可分布於幾台計算機上並行運行。

分散式結構可分為多計算機或多處理器系統和計算機網路系統。

多處理器系統是指由數百個甚至成千上萬個處理器集成在一起，採用並行處理的辦法來解決極高難度的數學、物理和工程問題的一種分散式系統。

計算機網路是用通信線路、通信設備或用網路設備將分散的具有獨立功能的多個計算機系統互聯，按照通信協定進行數據通信，實現資源共享的計算機集合。在這種模式下，計算任務是由大量自主而又互相連線的計算機來完成。

1)功能分散式系統

用互聯設施將擔負不同任務的獨立計算機連在一起共同完成一個總任務的系統，稱為功能分散式系統。

執行實時控制任務時，特定的機器擔負固定的任務，比如外測任務、遙測任務等等。採用靜態分布，減少了動態調度的複雜性和滯後性。為了提高可靠性仍採用冗餘手段。

2)計算機網路

網路技術發展到今天，已使人們可以通過網路訪問全世界任何計算機中的資源。世界上最著名的Intemet網上的用戶每年以數百萬計個向上猛增。可以通過網路看政治動態、經濟訊息、世界局勢，也可以通過網路逛商店、採購物品和遊覽名勝古蹟。網路是當今計算機系統中最為發展迅速的一個結果。因此，有許多人把計算機乾脆就稱作網路計算系統。