實時系統(tǒng)
博學(xué)公司承擔(dān)了一項嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)項目。該項目主要用于車載電子系統(tǒng)中監(jiān)視發(fā)動機及燃油系統(tǒng)等系統(tǒng)工作狀況，并通過綜合儀表顯示給駕駛員。經(jīng)過多次與用戶溝通，形成以下技術(shù)要求：
（1）本項目的硬件平臺由主處理機模塊和多種接口模塊組成，底板采用標(biāo)準(zhǔn)VME總線（硬件結(jié)構(gòu)圖見圖12-8），具體硬件模塊配置如下：
①主處理機模塊（CPM）采用PowerPC755，主頻266MHz，配有SDRAM存儲器和FLASH存儲器；提供一個定時/計數(shù)器；支持16級中斷和二級Cache。
②輸入輸出模塊（IOC）支持16路RS422接口信號，傳輸速率不低于115.2kbps，IOC模塊與CPM模塊的數(shù)據(jù)交換采用64KB雙端口存儲器。
③離散量接口模塊（DAM）支持64路開關(guān)型離散量輸入輸出接口；2路頻率量輸入；12位A/D轉(zhuǎn)換器和12位D/A轉(zhuǎn)換器。
④圖形處理模塊（GPM）用于顯示圖形，支持OpenGL標(biāo)準(zhǔn)接口軟件。
⑤MBI模塊主要提供1553B外總線接口，PSM為電源支持模塊。
（2）本項目軟件主要工作在CPM模塊中，完成對外部設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、分析和相應(yīng)的控制，將監(jiān)視結(jié)果以圖形方式顯示給駕駛員。該系統(tǒng)的軟件主要包括外部接口驅(qū)動軟件、VME數(shù)據(jù)傳輸軟件、處理軟件、圖形顯示和外總線（1553B）數(shù)據(jù)交換軟件。要求數(shù)據(jù)的采集必須確保每幀數(shù)據(jù)無丟失，并在本幀內(nèi)完成數(shù)據(jù)的處理工作，本幀信息顯示給駕駛員的時刻最晚不能超過下一幀。詳細(xì)的技術(shù)要求如下：
①16路RS422接口主要完成對汽車燃油系統(tǒng)、動力系統(tǒng)和駕駛員命令的數(shù)據(jù)采集與控制。RS422數(shù)據(jù)傳輸格式將以32B為基本數(shù)據(jù)塊，分別以20ms、40ms、60ms、1s這4個不同周期交換數(shù)據(jù)。
②64路離散量數(shù)據(jù)主要監(jiān)控發(fā)動機工作狀態(tài)，要求每10ms采集一次，并在下一個10ms周期內(nèi)將發(fā)動機狀況顯示到駕駛員座艙。
③多路模擬量數(shù)據(jù)主要采集發(fā)動機轉(zhuǎn)速、油量及汽車的其他數(shù)據(jù)，為駕駛員監(jiān)控汽車狀態(tài)提供必要的量化數(shù)據(jù)。模擬量數(shù)據(jù)的刷新頻率為1s。
④外總線（1553B）主要完成該系統(tǒng)與汽車其他電子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換。
公司將本項目交給項目主管李工實施，要求李工按技術(shù)要求完成本項目的軟件設(shè)計工作，公司根據(jù)合同關(guān)于"數(shù)據(jù)的采集必須確保每幀數(shù)據(jù)無丟失，并在本幀內(nèi)完成數(shù)據(jù)的處理工作，本幀信息顯示給駕駛員的時刻最晚不能超過下一幀"的要求，提醒李工設(shè)計中重點考慮整個系統(tǒng)的實時性問題。李工完成設(shè)計后，提交公司評審，會上就李工設(shè)計中存在的缺陷展開了激烈討論，最終達成一致。
李工在設(shè)計IOC模塊軟件時指出：為了使CPM模塊能夠及時處理RS422數(shù)據(jù)，在IOC與CPM間的雙端口存儲器中為每個422通道設(shè)計一級緩沖，當(dāng)某通道接收一個字節(jié)時，就將數(shù)據(jù)放入緩沖，由CPM接收（其結(jié)構(gòu)見圖12-9）。這樣的好處在于每當(dāng)有數(shù)據(jù)輸入時，CPM模塊可立即讀取，而增大雙口緩沖的目的是在CPM來不及處理時可防止數(shù)據(jù)的丟失。同時，IOC中的程序相對簡單、實時性好、可以不考慮422通道的數(shù)據(jù)傳輸周期，只要按查詢方式對16路422輸入進行查詢讀取即可。
會上，王工提出了強烈的反對意見，認(rèn)為這種設(shè)計方法絕對不可取，這種方法只考慮了軟件的簡單與便利，而沒有針對軟件特點考慮問題，在設(shè)計中對實時性、負(fù)載平衡分配以及實現(xiàn)算法上均存在缺陷，必須改進。
（1）你認(rèn)為李工的設(shè)計在實時性、負(fù)載平衡分配和實現(xiàn)算法上存在怎樣的缺陷？詳細(xì)說明理由。
（2）請給出IOC模塊和CPM模塊之間雙口存儲器數(shù)據(jù)交換方法。
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如圖12-22所示為控制軟件的數(shù)據(jù)流程關(guān)系，請根據(jù)本題給出的各個功能模塊，填補其中的空缺處。
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為了防止系統(tǒng)故障的蔓延，解決應(yīng)用進程間的相互影響，在超線程技術(shù)的多核結(jié)構(gòu)需要選擇一種嵌入式操作系統(tǒng)作為本高性能嵌入式計算機系統(tǒng)的運行環(huán)境，請用200字以內(nèi)的文字說明選擇的操作系統(tǒng)應(yīng)具備哪些主要功能。
李工接到任務(wù)后，認(rèn)為本項目比較簡單，很快就安排3名技術(shù)人員分別負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集/輸出模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和比較監(jiān)控模塊的編寫。總工程師聽到匯報后，認(rèn)為李工的方案和安排不妥，理由是李工忽視了系統(tǒng)的可靠性要求，對系統(tǒng)需求的理解不夠深入。為實現(xiàn)系統(tǒng)關(guān)于可靠性方面的需求：①你認(rèn)為在組織結(jié)構(gòu)、人員分工、設(shè)計開發(fā)等方面應(yīng)做出哪些安排和規(guī)定？②請寫出關(guān)于余度表決算法的考慮。
請用200字以內(nèi)的文字說明李工應(yīng)如何設(shè)計優(yōu)先級調(diào)度策略，并按照如表12-14所示的要求實現(xiàn)任務(wù)流程處理。
請解釋李工提出的動態(tài)冗余和N版本程序設(shè)計技術(shù)，給出如圖12-18所示模塊M2采用如圖12-19所示的動態(tài)冗余技術(shù)后的可靠度。
王工提出，根據(jù)用戶要求，本嵌入式系統(tǒng)應(yīng)具有高速并行處理能力，采用多處理器結(jié)構(gòu)比較適合，主要理由是多處理器結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單、可支持多個進程在不同處理器上并發(fā)處理：而張工提出，必須分清"多處理器結(jié)構(gòu)"與"多核結(jié)構(gòu)"的優(yōu)點和缺點，多處理器結(jié)構(gòu)雖然支持多進程的并發(fā)處理，但沒有直接實現(xiàn)多線程并發(fā)執(zhí)行；多核結(jié)構(gòu)可以直接實現(xiàn)多線程并發(fā)執(zhí)行。要提高應(yīng)用的并行性就必須利用多個硬件資源的并行工作，建議采用超線程技術(shù)的多核結(jié)構(gòu)的處理器。請?zhí)顚憟D12-20（f）中的（1）～（8），并用300字以內(nèi)的文字對上述6種處理器結(jié)構(gòu)的工作原理進行簡要描述。
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