何謂 Real-Time？

多種測試、控制，與設計應用均需要 Real-Time 效能。此份教學內容將涵蓋即時系統的基礎概念。

即時系統介紹

Real-time 作業系統是針對 2 種主要類型的應用所研發：事件回應 (Event Response) 與閉迴路控制系統。事件回應應用，需要一定時間內針對激發所產生的回應；此系統的範例即為汽車中的安全氣囊系統。閉迴路控制系統可持續處理反饋 (Feeddback)，以調整輸出；此系統的範例即為汽車的定速控制系統。此 2 種系統均需要於特定時點完成作業。此類型效能亦與決定機制有關。

即時系統有時分類為「軟式 (Soft)」與「硬式 (Hard)」。軟即時系統通常意指當超過了期限之後，系統的公用程式可相對容忍某段誤差時間。舉例來說，當按下行動電話按鈕要應接來電時，則必須在按下按鈕時即建立連結。然而，此限制時間並非絕對，亦可有些許的延遲時間。反之，硬即時系統則不容許事件之間有任何的時間延遲或誤差。自動化引擎控制單位 (ECU) 必須於時限內處理訊號，並計算零星的插入時脈 (Plug timing)。如果超過時限，則引擎將無法正確運作。如圖 1 所示，過了時限後的作業是否保有其用途，則必須視該系統為軟即時或硬即時系統而定。

如 Microsoft Windows 與 Mac OS 的作業系統為極佳的平台，可開發並執行非必要的量測與控制應用。然而，因為這些作業系統是針對一般用途所設計，因此並不適於執行需要決定機制的效能，或延伸截止時間。

一般用途的作業系統可同步執行多種應用，並確定所有應用可接收某些處理時間。這些作業系統必須能夠回應週邊產品的中斷情況，如滑鼠與鍵盤。使用者必須針對處理器處理工作的情況，進一步限制控制。因此，高優先度的工作可能晚於低優先度的工作，而無法保證重要應用的回應時間。

另一方面來說，即時作業系統可讓使用者自訂工作的優先度，並可依需要先行處理最重要的工作。此功能透過可預測的結果，讓使用者設計應用。

           
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圖1.軟即時與硬即時系統之間的差異

當處理器與閉迴路控制和時效性決定相關時，則需要即時作業系統。這些應用必須根據產生的資料做出相關回應。舉例來說，當 I/O 裝置取樣輸入訊號，並直接傳送至記憶體。接著處理器必須分析訊號，並傳送至對應的正確 I/O 裝置。在此應用中，軟體必須與迴圈有所關聯；因此需要即時作業系統，以確保能於固定時間內產生回應。此外，需要展延執行時間或獨立作業的應用，往往必須透過即時作業系統進行建置。

Real-Time 效能

目前最普遍存在的誤解，即為Real-Time 效能可提升程式的執行速度。但是針對某些案例，Real-Time 效能的確可以提供更精確的可預測時脈特性，以增強其應用。透過這些增強項目，即可在發生特定事件時決定確切的時間。

Real-Time 控制

透過 Real-Time 控制，可持續監控並模擬實體系統。即時控制應用可使用特定的時間區隔，重複執行使用者定義的作業。大多數的即時控制系統均監測實體系統，並比較目前狀態與理想狀態，然後根據比較結果來模擬實體系統。執行迴圈所需的時間則稱為迴圈執行速率 (Loop cycle time)。每個迴圈的速率將依系統複雜性而有所不同。

並將於事件之間量測特定時間區隔的一致性。多種控制運算式，如 PID，即需要具時效的行為 (behavior)。舉例來說，電梯必須依賴控制迴圈的行為，以進一步移動至正確的樓層。若沒有相關的迴圈作業，則電梯將無法穩定地抵達正確的樓層。

在所有即時系統中，仍有稱為抖動 (Jitter) 的錯誤。抖動亦為量測即時系統的方式。如下方圖 2 所示，系統中的期望時間延遲，與其他不同時間延遲之間的最大差異，即為抖動。

圖 2. 抖動圖表範例

Real-Time 事件回應

透過Real-Time 事件回應，即可於所需的時間內回應單一事件。Real-Time 系統可確保單一事件的最大回應時間。此事件可為定期或隨機發生。即時事件回應應用的實例，即為安全監控系統。若實體廠房進入危險狀態，則即時系統必須在固定時間內回應為「危險」事件。

此回應事件的時間則稱為潛時 (Latency)。此亦相似於即時控制應用中的決定機制 (Determinism)。透過 Real-Time 事件回應，可確保案例的潛時長短。

NI Real-Time 技術

LabVIEW Real-Time Module 與 LabWindows/CVI Real-Time Module，均可於專屬的硬體系統中可靠地執行作業。為了符合決定性的需要，LabVIEW FPGA Module 亦結合了包含可新重新設定的 I/O 技術硬體，並提供以毫微秒計的硬體回應。使用 NI 軟體，可以：

• 使用圖形化程式設計或 ANSI C，迅速開發應用
• 輕鬆建構分散式的控制與監控系統
• 可最佳化整合多種 I/O 的時間

NI 提供多種即時硬體系統，包含執行即時 OS 的嵌入式處理器，能夠穩定地產生最大效能。亦可整合多種 I/O 與模組化硬體，適於容納高通道數資料擷取和控制、工業級訊號處理，與安全性隔離。

                    
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圖 3. NI Real-Time 技術

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