嵌入式节能设计主要有哪些方法？软件节能技术主要包括哪两个方面？具体又有哪些开发技术？

试题三（共25分）

阅读以下关于嵌入式系统能耗管理设计的描述,在答题纸上回答问題1至问题3。

随着嵌入式系统智能化技术的持续发展，系统的能耗问题已成为亟待解决的难题。某宇航公司研发的一款手持式野外辅助装备，需要较长的巡航时间，由于设计时对功耗问题考虑不周，使得产品出现了批次责任事故。公司领导决定抽调王工等5人组建专门的攻关小组，要求在三个月内完成故障归零。王工接到任务后，经反复论证 与实验，给公司提交了一份基于软件动态节能的改进方案，得到了领导及专家的好评。

【问题1】（7分） 在嵌入式系统中节能技术一般分为静态节能和动态节能两种，请用300字以内文 字分别说明什么是静态节能技术和动态节能技术，并列举三种动态节能技术。 【问题2】（6分） 王工的方案得到认可后，他带领团队研究了调度方式和系统能耗之间的关系，请用150字以内的文字说明为了节约系统能耗而釆用的设备调度策略的核心思路，并说明设备调度策略与任务实时性的关系。 【问题3】（12分） 根据上述设备有效调度时刻的策略，分析以下实例，并将答案写在答题纸上。 手持式野外辅助装备由三个实时任务和三个独立设备组成（分别表示为：t1、t2 和t3；s1、s2和S3），表3-1给出了手持式设备实时任务的时间参数表，这些任务使用独立的设备并且所有设备的特征一致，各设备待机超时可直接进入睡眠状态，处于睡眠状态的设备要经过转换状态后才能进入运行状态。假设初始状态（t=0）设备处于工作状态，且所有设备的工作状态功率为60mw/ms，转换功率为30mw/ms，睡眠功率 为10mv/ms。同时假设设备被唤醒的转换时间为10ms。设备待机后被关闭的超时值为10ms。 图3-1给出了未考虑节能需求时任务调度算法，在釆用了设备有效时刻调度策略之后，三个设备100ms周期内将按一定顺序被依次关闭和唤醒。图3-2给出了采用设备有效时刻调度策略后s1的功率随时间的变化规律。请计算此时三个设备在100ms 周期内的功耗，并计算100ms周期内，每个设备的节能比。 节能比 = （未节能情况下的系统能耗 - 节能后系统能耗）÷ 未节能情况下的系统能耗

具体叙述你在嵌入式系统的设计过程中是如何组织与实施软件开发工作的，采用了哪些主要的策略和技术?解决了哪些主要的矛盾和问题?使用过什么工具和环境?

阅读以下关于嵌入式系统软件设计方面的叙述，回答问题1至问题3。

某公司承担了一项嵌入式系统软件开发项目。该项目主要用于车载电子系统中监视发动机及燃油系统等系统工作状况，并通过综合仪表显示给驾驶员。经过多次与用户沟通，形成以下技术要求：

(1)本项目的硬件平台由主处理机模块和多种接口模块组成，底板采用标准VME总线(硬件结构图如图3-1所示)，具体硬件模块配置如下。

①主处理机模块(CPM)采用PowerPC755，主频266MHz，配有SDRAM存储器和FLASH存储器；提供一个定时/计数器；支持16级中断和二级cache。

②输入输出模块(IOC)支持16路RS422接口信号，传输速率不低于115.2kbps，IOC模块与CPM模块的数据交换采用64KByte双端口存储器。

③离散量接口模块(DAM)支持64路开关型离散量输入输出接口；2路频率量输入；12位A/D转换器和12位：D/A转换器。

④图形处理模块(GPM)用于显示图形，支持OpenGL标准接口软件。

⑤MBI模块主要提供1553B外总线接口，PSM为电源支持模块。

(2)本项目软件主要工作在CPM模块中，完成对外部设备的数据采集、分析和相应的控制，将监视结果以图形方式显示给驾驶员。该系统的软件主要包括外部接口驱动软件、VME数据传输软件、处理软件、图形显示和外总线(1553B)数据交换软件。要求数据的采集必须确保每帧数据无丢失，并在本帧内完成数据的处理工作，本帧信息显示给驾驶员的时刻最晚不能超过下帧。详细的技术要求如下。

①16路RS422接口主要完成对汽车燃油系统、动力系统和驾驶员命令的数据采集与控制。RS422数据传输格式将以32Byte为基本数据块，分别以20ms、40ms、60ms和1s四个不同周期交换数据。

②64路离散量数据主要监控发动机工作状态，要求每10ms采集一次，并在下一个10ms周期内将发动机状况显示到驾驶员座舱。

③多路模拟量数据主要采集发动机转速、油量及汽车的其他数据，为驾驶员监控汽车状态提供必要的量化数据。模拟量数据的刷新频率为1s。

④外总线(1553B)主要完成该系统与汽车其他电子系统的数据交换。

公司将本项目交给项目主管李工实施，要求李工按技术要求完成本项目的软件设计工作，公司根据合同关于“数据的采集必须确保每帧数据无丢失，并在本帧内完成数据的处理工作，本帧信息显示给驾驶员的时刻最晚不能超过下帧”的要求，提醒李工设计中重点考虑整个系统的实时性问题。李工完成设计后，提交公司评审，会上就李工设计中存在的缺陷展开了激烈讨论，最终达成一致。

李工在设计IOC模块软件时指出：为了使CPM模块能够及时处理RS422数据，在IOC与CPM间的双端口存储器中为每个422通道设计一级缓冲，当某通道接收一个字节时，就将数据放入缓冲，由CPM接收(其结构如图3-2所示)。这样的好处在于每当有数据输入时，CPM模块可立即读取，而增大双口缓冲的目的是在CPM来不及处理时可防止数据的丢失。同时，IOC中的程序相对简单、实时性好、可以不考虑422通道的数据传输周期，只要按查询方式对16路422输入进行查询读取即可。

会上，王工提出了强烈的反对意见，认为这种设计方法绝对不可取，这种方法只考虑了软件的简单与便利，而没有针对软件特点考虑问题，在设计中对实时性、负载平衡分配及实现算法上均存在缺陷，必须改进。

(1)你认为李工的设计在实时性、负载平衡分配和实现算法上存在怎样的缺陷?详细说明理由。

(2)请给出IOC模块和CPM模块之间双口存储器数据交换方法。

A. 组态环境，模拟运行环境

B. 设计环境，运行环境

C. 开发环境，组态环境

D. 组态环境，设计环境串行通信模式

阅读以下嵌入式多核程序设计技术方面的叙述，回答问题1至问题3。

甲公司承担了一项为宇航系统配套生产高性能嵌入式计算机系统的任务，用户要求该系统要具有高速并发处理能力、低功耗、高可靠性，并可以有效地防止系统故障的蔓延。根据用户对本项目的要求，甲公司成立了软/硬件两个项目组，总体设计由硬件组承担，负责高性能嵌入式计算机系统体系结构设计，软件组负责确定软件的技术需求和应用软件开发平台的软件设计工作。

在处理器选型方面，硬件组王工与软件组张工在讨论采用哪种CPU体系结构方面发生争议。目前，流行的处理器结构包括了单核结构、多处理器结构、超线程结构、多核结构、共享Cache的多核结构和超线程技术的多核结构六种，如下图所示。

王工提出，根据用户要求，本嵌入式系统应具有高速并行处理能力，采用多处理器结构比较适合，主要理由是多处理器结构设计简单、可支持多个进程在不同处理器上并发处理；而张工提出，必须分清“多处理器结构”与“多核结构”的优点和缺点，多处理器结构虽然支持多进程的并发处理，但没有直接实现多线程并发执行；多核结构可以直接实现多线程并发执行。要提高应用的并行性就必须利用多个硬件资源的并行工作，建议采用超线程技术的多核结构的处理器。请填写下图(f)中的(1)～(8)，并用300字以内的文字对上述六种处理器结构的工作原理进行简要描述。

嵌入式系统设计需求分析阶段主要包括()。

A、分析用户的需求

B、确定硬件软件

C、检查需求分析的结果

D、确定项目的约束条件

E、概要设计

软件设计包括哪四个既独立又相互联系的活动？

A、宿主/目标机的设计方法

B、直接开发板软件设计方法

C、直接开发板软件设计方法

D、仿真器设计方法

在嵌入式系统中，软件采用开放式架构已成为新的发展趋势。软件架构设计的优劣将直接影响软件的重用和移植能力。

某软件公司主要从事宇航领域的嵌入式软件研发工作。经二十多年的发展，其软件产品已被广泛应用于各种航天飞行器中。该公司积累了众多成熟软件，但由于当初没有充分考虑软件的架构，原有软件无法被再利用，为适应嵌入式软件技术发展需要，该公司决策层决定成立宇航嵌入式软件开放式架构研究小组，为公司完成开放式架构的定义与设计，确保公司软件资源能得到充分利用。研究小组查阅了大量的国外资料和标准，最终将研究重点集中在了SAEAS4893《通用开放式架构（GOA）框架》标准，图20-1给出了GOA定义的架构图。