某研究所承擔(dān)了一項(xiàng)宇航嵌入式系統(tǒng)的研制任務(wù)，本項(xiàng)任務(wù)技術(shù)難度大、可靠性要求高、進(jìn)度要求緊，預(yù)計(jì)軟件規(guī)模約在一萬行以上。而該所原先承擔(dān)的相關(guān)項(xiàng)目均是用匯編語(yǔ)言編寫（軟件規(guī)模較小，一般是幾百行）。項(xiàng)目主管工程師將軟件開發(fā)的論證工作分別布置給了王工和李工，要求他們根據(jù)本項(xiàng)目的技術(shù)要求，在一周內(nèi)分別提出軟件的實(shí)施方案。
①該宇航嵌入式系統(tǒng)由數(shù)據(jù)處理機(jī)、信號(hào)處理機(jī)及數(shù)據(jù)采集模塊組成。信號(hào)處理機(jī)主要通過數(shù)據(jù)采集模塊將大量不同時(shí)間周期的外部數(shù)據(jù)采集進(jìn)來，進(jìn)行預(yù)處理（如FFT變換）后提交給數(shù)據(jù)處理機(jī)；數(shù)據(jù)處理機(jī)根據(jù)功能要求完成各種計(jì)算處理工作，并將結(jié)果輸出。為了達(dá)到數(shù)據(jù)處理機(jī)和信號(hào)處理機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)化，這兩類處理機(jī)均采用同種處理機(jī)的體系結(jié)構(gòu)（如PowerPC7410）。整個(gè)系統(tǒng)工作的最大周期為1s，最小周期為5ms。數(shù)據(jù)處理機(jī)上任務(wù)分布如表12-16所示。

②一周后，王工和李工提交了各自的實(shí)施方案，其共同之處在于二者均提出采用操作系統(tǒng)及相應(yīng)的軟件開發(fā)環(huán)境。但是，王工和李工在選擇什么樣的操作系統(tǒng)及開發(fā)環(huán)境方面出現(xiàn)了較大分歧。王工的實(shí)施方案指出，為了滿足本項(xiàng)目的技術(shù)要求，并有利于本所軟件的長(zhǎng)期發(fā)展，應(yīng)選用具有硬實(shí)時(shí)處理能力的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)及開發(fā)環(huán)境（如VxWorks）；而李工的實(shí)施方案指出，操作系統(tǒng)主要完成對(duì)計(jì)算機(jī)資源的管理與分配工作，考慮到人們對(duì)操作系統(tǒng)及軟件開發(fā)工具的熟悉程度，本項(xiàng)目應(yīng)選用具有大眾化的、開發(fā)人員容易上手的嵌入式操作系統(tǒng)（例如，WindowsCE、Linux）。
③在兩人爭(zhēng)執(zhí)不下的情況下，項(xiàng)目主管工程師組織了相關(guān)專家對(duì)王工和李工提交的實(shí)施方案進(jìn)行了評(píng)審。最后，專家組一致認(rèn)為王工的方案切實(shí)可行，操作系統(tǒng)的選型論證充分、客觀，可以作為本所未來幾年中相關(guān)項(xiàng)目的軟件開發(fā)的基本環(huán)境。同時(shí)專家組還就具體實(shí)施選擇嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)及開發(fā)環(huán)境產(chǎn)品時(shí)應(yīng)著重考慮的相關(guān)問題提出了幾點(diǎn)建議。

某研究所承擔(dān)了一項(xiàng)宇航嵌入式系統(tǒng)的研制任務(wù)，本項(xiàng)任務(wù)技術(shù)難度大、可靠性要求高、進(jìn)度要求緊，預(yù)計(jì)軟件規(guī)模約在一萬行以上。而該所原先承擔(dān)的相關(guān)項(xiàng)目均是用匯編語(yǔ)言編寫（軟件規(guī)模較小，一般是幾百行）。項(xiàng)目主管工程師將軟件開發(fā)的論證工作分別布置給了王工和李工，要求他們根據(jù)本項(xiàng)目的技術(shù)要求，在一周內(nèi)分別提出軟件的實(shí)施方案。
①該宇航嵌入式系統(tǒng)由數(shù)據(jù)處理機(jī)、信號(hào)處理機(jī)及數(shù)據(jù)采集模塊組成。信號(hào)處理機(jī)主要通過數(shù)據(jù)采集模塊將大量不同時(shí)間周期的外部數(shù)據(jù)采集進(jìn)來，進(jìn)行預(yù)處理（如FFT變換）后提交給數(shù)據(jù)處理機(jī)；數(shù)據(jù)處理機(jī)根據(jù)功能要求完成各種計(jì)算處理工作，并將結(jié)果輸出。為了達(dá)到數(shù)據(jù)處理機(jī)和信號(hào)處理機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)化，這兩類處理機(jī)均采用同種處理機(jī)的體系結(jié)構(gòu)（如PowerPC7410）。整個(gè)系統(tǒng)工作的最大周期為1s，最小周期為5ms。數(shù)據(jù)處理機(jī)上任務(wù)分布如表12-16所示。

②一周后，王工和李工提交了各自的實(shí)施方案，其共同之處在于二者均提出采用操作系統(tǒng)及相應(yīng)的軟件開發(fā)環(huán)境。但是，王工和李工在選擇什么樣的操作系統(tǒng)及開發(fā)環(huán)境方面出現(xiàn)了較大分歧。王工的實(shí)施方案指出，為了滿足本項(xiàng)目的技術(shù)要求，并有利于本所軟件的長(zhǎng)期發(fā)展，應(yīng)選用具有硬實(shí)時(shí)處理能力的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)及開發(fā)環(huán)境（如VxWorks）；而李工的實(shí)施方案指出，操作系統(tǒng)主要完成對(duì)計(jì)算機(jī)資源的管理與分配工作，考慮到人們對(duì)操作系統(tǒng)及軟件開發(fā)工具的熟悉程度，本項(xiàng)目應(yīng)選用具有大眾化的、開發(fā)人員容易上手的嵌入式操作系統(tǒng)（例如，WindowsCE、Linux）。
③在兩人爭(zhēng)執(zhí)不下的情況下，項(xiàng)目主管工程師組織了相關(guān)專家對(duì)王工和李工提交的實(shí)施方案進(jìn)行了評(píng)審。最后，專家組一致認(rèn)為王工的方案切實(shí)可行，操作系統(tǒng)的選型論證充分、客觀，可以作為本所未來幾年中相關(guān)項(xiàng)目的軟件開發(fā)的基本環(huán)境。同時(shí)專家組還就具體實(shí)施選擇嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)及開發(fā)環(huán)境產(chǎn)品時(shí)應(yīng)著重考慮的相關(guān)問題提出了幾點(diǎn)建議。

博學(xué)公司最近簽訂了一份控制系統(tǒng)軟件的研制合同。合同技術(shù)要求如下：
①本控制系統(tǒng)的軟件運(yùn)行平臺(tái)擬采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，控制系統(tǒng)的工作周期為10ms，要求控制軟件能夠精確地按事先預(yù)定的時(shí)間順序完成數(shù)據(jù)的采集、處理和輸出。
②為了提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，控制系統(tǒng)采用容錯(cuò)處理，即用兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的計(jì)算機(jī)承擔(dān)相同的工作，通過交叉對(duì)比，實(shí)現(xiàn)控制的雙余度管理；當(dāng)任何一臺(tái)計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)可以進(jìn)行單余度控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖12-21所示。

③在10ms工作周期內(nèi)的時(shí)間分配如表12-15所示。

公司總工程師將本項(xiàng)任務(wù)交付給項(xiàng)目主管李工程師實(shí)施，要求李工按雙方合同要求完成本項(xiàng)目的策劃、需求分析和方案設(shè)計(jì)工作，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的可靠性要求，并特別提示：目前比較流行的嵌入式操作系統(tǒng)普遍采用可搶占式優(yōu)先級(jí)調(diào)度策略，不能滿足用戶關(guān)于"能夠精確地按事先預(yù)定的時(shí)間順序完成數(shù)據(jù)的采集、處理和輸出"的要求。

博學(xué)公司最近簽訂了一份控制系統(tǒng)軟件的研制合同。合同技術(shù)要求如下：
①本控制系統(tǒng)的軟件運(yùn)行平臺(tái)擬采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，控制系統(tǒng)的工作周期為10ms，要求控制軟件能夠精確地按事先預(yù)定的時(shí)間順序完成數(shù)據(jù)的采集、處理和輸出。
②為了提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，控制系統(tǒng)采用容錯(cuò)處理，即用兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的計(jì)算機(jī)承擔(dān)相同的工作，通過交叉對(duì)比，實(shí)現(xiàn)控制的雙余度管理；當(dāng)任何一臺(tái)計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)可以進(jìn)行單余度控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖12-21所示。

③在10ms工作周期內(nèi)的時(shí)間分配如表12-15所示。

公司總工程師將本項(xiàng)任務(wù)交付給項(xiàng)目主管李工程師實(shí)施，要求李工按雙方合同要求完成本項(xiàng)目的策劃、需求分析和方案設(shè)計(jì)工作，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的可靠性要求，并特別提示：目前比較流行的嵌入式操作系統(tǒng)普遍采用可搶占式優(yōu)先級(jí)調(diào)度策略，不能滿足用戶關(guān)于"能夠精確地按事先預(yù)定的時(shí)間順序完成數(shù)據(jù)的采集、處理和輸出"的要求。

如圖12-22所示為控制軟件的數(shù)據(jù)流程關(guān)系，請(qǐng)根據(jù)本題給出的各個(gè)功能模塊，填補(bǔ)其中的空缺處。

博學(xué)公司最近簽訂了一份控制系統(tǒng)軟件的研制合同。合同技術(shù)要求如下：
①本控制系統(tǒng)的軟件運(yùn)行平臺(tái)擬采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，控制系統(tǒng)的工作周期為10ms，要求控制軟件能夠精確地按事先預(yù)定的時(shí)間順序完成數(shù)據(jù)的采集、處理和輸出。
②為了提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，控制系統(tǒng)采用容錯(cuò)處理，即用兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的計(jì)算機(jī)承擔(dān)相同的工作，通過交叉對(duì)比，實(shí)現(xiàn)控制的雙余度管理；當(dāng)任何一臺(tái)計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)可以進(jìn)行單余度控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖12-21所示。

③在10ms工作周期內(nèi)的時(shí)間分配如表12-15所示。

公司總工程師將本項(xiàng)任務(wù)交付給項(xiàng)目主管李工程師實(shí)施，要求李工按雙方合同要求完成本項(xiàng)目的策劃、需求分析和方案設(shè)計(jì)工作，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的可靠性要求，并特別提示：目前比較流行的嵌入式操作系統(tǒng)普遍采用可搶占式優(yōu)先級(jí)調(diào)度策略，不能滿足用戶關(guān)于"能夠精確地按事先預(yù)定的時(shí)間順序完成數(shù)據(jù)的采集、處理和輸出"的要求。

博學(xué)公司最近簽訂了一份控制系統(tǒng)軟件的研制合同。合同技術(shù)要求如下：
①本控制系統(tǒng)的軟件運(yùn)行平臺(tái)擬采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，控制系統(tǒng)的工作周期為10ms，要求控制軟件能夠精確地按事先預(yù)定的時(shí)間順序完成數(shù)據(jù)的采集、處理和輸出。
②為了提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，控制系統(tǒng)采用容錯(cuò)處理，即用兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的計(jì)算機(jī)承擔(dān)相同的工作，通過交叉對(duì)比，實(shí)現(xiàn)控制的雙余度管理；當(dāng)任何一臺(tái)計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)可以進(jìn)行單余度控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖12-21所示。

③在10ms工作周期內(nèi)的時(shí)間分配如表12-15所示。

公司總工程師將本項(xiàng)任務(wù)交付給項(xiàng)目主管李工程師實(shí)施，要求李工按雙方合同要求完成本項(xiàng)目的策劃、需求分析和方案設(shè)計(jì)工作，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的可靠性要求，并特別提示：目前比較流行的嵌入式操作系統(tǒng)普遍采用可搶占式優(yōu)先級(jí)調(diào)度策略，不能滿足用戶關(guān)于"能夠精確地按事先預(yù)定的時(shí)間順序完成數(shù)據(jù)的采集、處理和輸出"的要求。

李工接到任務(wù)后，認(rèn)為本項(xiàng)目比較簡(jiǎn)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(bào)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(duì)系統(tǒng)需求的理解不夠深入。為實(shí)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(jì)開發(fā)等方面應(yīng)做出哪些安排和規(guī)定？
②請(qǐng)寫出關(guān)于余度表決算法的考慮。

甲公司承擔(dān)了一項(xiàng)為宇航系統(tǒng)配套生產(chǎn)高性能嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的任務(wù)，用戶要求該系統(tǒng)要具有高速并發(fā)處理能力、低功耗、高可靠性，并可以有效地防止系統(tǒng)故障的蔓延。根據(jù)用戶對(duì)本項(xiàng)目的要求，甲公司成立了軟/硬件兩個(gè)項(xiàng)目組，總體設(shè)計(jì)由硬件組承擔(dān)，負(fù)責(zé)高性能嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，軟件組負(fù)責(zé)確定軟件的技術(shù)需求和應(yīng)用軟件開發(fā)平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)工作。
在處理器選型方面，硬件組王工與軟件組張工在討論采用哪種CPU體系結(jié)構(gòu)方面發(fā)生爭(zhēng)議。目前，流行的處理器結(jié)構(gòu)包括單核結(jié)構(gòu)、多處理器結(jié)構(gòu)、超線程結(jié)構(gòu)、多核結(jié)構(gòu)、共享Cache的多核結(jié)構(gòu)和超線程技術(shù)的多核結(jié)構(gòu)共6種，如圖12-20所示。

甲公司承擔(dān)了一項(xiàng)為宇航系統(tǒng)配套生產(chǎn)高性能嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的任務(wù)，用戶要求該系統(tǒng)要具有高速并發(fā)處理能力、低功耗、高可靠性，并可以有效地防止系統(tǒng)故障的蔓延。根據(jù)用戶對(duì)本項(xiàng)目的要求，甲公司成立了軟/硬件兩個(gè)項(xiàng)目組，總體設(shè)計(jì)由硬件組承擔(dān)，負(fù)責(zé)高性能嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，軟件組負(fù)責(zé)確定軟件的技術(shù)需求和應(yīng)用軟件開發(fā)平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)工作。
在處理器選型方面，硬件組王工與軟件組張工在討論采用哪種CPU體系結(jié)構(gòu)方面發(fā)生爭(zhēng)議。目前，流行的處理器結(jié)構(gòu)包括單核結(jié)構(gòu)、多處理器結(jié)構(gòu)、超線程結(jié)構(gòu)、多核結(jié)構(gòu)、共享Cache的多核結(jié)構(gòu)和超線程技術(shù)的多核結(jié)構(gòu)共6種，如圖12-20所示。

在本項(xiàng)目中，如果計(jì)算機(jī)采用了多線程技術(shù)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序的并發(fā)操作，程序設(shè)計(jì)人員將面臨多種挑戰(zhàn)，其主要原因在于：程序會(huì)同時(shí)發(fā)生多個(gè)動(dòng)作，對(duì)這些同時(shí)發(fā)生的動(dòng)作及它們之間的交互進(jìn)行管理將面臨4方面的挑戰(zhàn)，即同步、通信、負(fù)載均衡和可伸縮性，用200字以內(nèi)的文字對(duì)上述4種挑戰(zhàn)進(jìn)行簡(jiǎn)要描述，并給出如表12-14所示的常用并發(fā)程序設(shè)計(jì)模式的分解方式。

甲公司承擔(dān)了一項(xiàng)為宇航系統(tǒng)配套生產(chǎn)高性能嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的任務(wù)，用戶要求該系統(tǒng)要具有高速并發(fā)處理能力、低功耗、高可靠性，并可以有效地防止系統(tǒng)故障的蔓延。根據(jù)用戶對(duì)本項(xiàng)目的要求，甲公司成立了軟/硬件兩個(gè)項(xiàng)目組，總體設(shè)計(jì)由硬件組承擔(dān)，負(fù)責(zé)高性能嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，軟件組負(fù)責(zé)確定軟件的技術(shù)需求和應(yīng)用軟件開發(fā)平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)工作。
在處理器選型方面，硬件組王工與軟件組張工在討論采用哪種CPU體系結(jié)構(gòu)方面發(fā)生爭(zhēng)議。目前，流行的處理器結(jié)構(gòu)包括單核結(jié)構(gòu)、多處理器結(jié)構(gòu)、超線程結(jié)構(gòu)、多核結(jié)構(gòu)、共享Cache的多核結(jié)構(gòu)和超線程技術(shù)的多核結(jié)構(gòu)共6種，如圖12-20所示。

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(jì)簡(jiǎn)單、可支持多個(gè)進(jìn)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(diǎn)和缺點(diǎn)，多處理器結(jié)構(gòu)雖然支持多進(jìn)程的并發(fā)處理，但沒有直接實(shí)現(xiàn)多線程并發(fā)執(zhí)行；多核結(jié)構(gòu)可以直接實(shí)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(gè)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(qǐng)?zhí)顚憟D12-20（f）中的（1）～（8），并用300字以內(nèi)的文字對(duì)上述6種處理器結(jié)構(gòu)的工作原理進(jìn)行簡(jiǎn)要描述。

某軟件公司開發(fā)一項(xiàng)基于數(shù)據(jù)流的軟件，其系統(tǒng)的主要功能是對(duì)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行多次分析、處理和加工，生成需要的輸出數(shù)據(jù)。需求方對(duì)該系統(tǒng)的軟件可靠性要求很高，要求系統(tǒng)能夠長(zhǎng)時(shí)間無故障運(yùn)行。該公司將該系統(tǒng)設(shè)計(jì)交給王工負(fù)責(zé)。王工給出該系統(tǒng)的模塊示意圖如圖12-18所示。王工解釋：只要各個(gè)模塊的可靠度足夠高，失效率足夠低，則整個(gè)軟件系統(tǒng)的可靠性是有保證的。

李工對(duì)王工的方案提出了異議。李工認(rèn)為王工的說法有兩個(gè)問題：第一，即使每個(gè)模塊的可靠度足夠高，假設(shè)各個(gè)模塊的可靠度均為0.99，但是整個(gè)軟件系統(tǒng)模塊之間全部采用串聯(lián)，則整個(gè)軟件系統(tǒng)的可靠度為0.99=0.96，即整個(gè)軟件系統(tǒng)的可靠度下降明顯；第二，軟件系統(tǒng)模塊全部采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)，一旦某個(gè)模塊失效，則意味著整個(gè)軟件系統(tǒng)失效。
李工認(rèn)為，應(yīng)該在軟件系統(tǒng)中采用冗余技術(shù)中的動(dòng)態(tài)冗余或者軟件容錯(cuò)的N版本程序設(shè)計(jì)技術(shù)，對(duì)容易失效或者非常重要的模塊進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)，將模塊之間的串聯(lián)結(jié)構(gòu)部分變?yōu)椴⒙?lián)結(jié)構(gòu)，來提高整個(gè)軟件系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)，李工給出了采用動(dòng)態(tài)冗余技術(shù)后的軟件系統(tǒng)模塊示意圖，如圖12-19所示。

劉工建議，李工方案中M1和M4模塊沒有采用容錯(cuò)設(shè)計(jì)，但M1和M4發(fā)生故障有可能導(dǎo)致嚴(yán)重后果。因此，可以在M1和M4模塊設(shè)計(jì)上采用檢錯(cuò)技術(shù)，在軟件出現(xiàn)故障后能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并報(bào)警，提醒維護(hù)人員進(jìn)行處理。
注：假設(shè)各個(gè)模塊的可靠度均為0.99