当前嵌入式控制系统的系统设计方法是（）。

阅读以下关于嵌入式实时系统设计的描述，回答问题1至问题3。 【说明】 嵌入式系统是当前航空、航天、船舶及工业、医疗等领域的核心技术，嵌入式系统可包括实时系统与非实时系统两种。某宇航公司长期从事航空航天飞行器电子设备的研制工作，随着业务的扩大，需要大量大学毕业生补充到科研生产部门。按照公司规定，大学毕业生必须进行相关基础知识培训，为此，公司经理安排王工对他们进行了长达一个月的培训。

【问题1】（7分） 王工在培训中指出：嵌入式系统主要负责对设备的各种传感器进行管理与控制。而航空航天飞行器的电子设备由于对时间具有很强的敏感性，通常由嵌入式实时系统进行管控，请用300字以内文字说明什么是实时系统，实时系统有哪些主要特性。 【问题2】（8分） 实时系统根据应用场景、时间特征以及工作方式的不同，存在多种实时特性，大致有三种分类方法，即时间类别、时间需求和工作方式结构。根据自己所掌握的“实时性”知识，将图3-1给出的实时特性按三种分类方式，填写图3-1中(1)～(8)处空白。 备选答案：时限的危害程度；时间角色；弱；时间响应；固定；时限／反应时间；时间明确；输入／输出激励；时间触发；强；周期／零星／非周期；事件触发。图3-1 实时特性分类图 【问题3】（10分） 可靠性是实时系统的关键特性之一，区分软件的错误(Error)、缺陷（Defect）、故障(Fault)和失效(Failure)概念是软件可靠性设计工作的基础。请简要说明错误、缺陷、故障和失效的定义；并在图3-2中标出错误、缺陷和失效出现阶段，说明缺陷、故障和失效的表现形式，填写图3-2中(1)～(6)处的空白。

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。

试题三 （25 分）

阅读以下关于嵌入式系统设计方面的叙述，在答题纸上回答问题 1 至问题 3。

某公司承担了一项大型物料配送中心的研发项目，使用自动化设备进行货物的存取。系统主要由两部分组成，其一是装有智能设备的配送车，用于自动化装卸货物；其二是用于管理和调度这些配送车的物料配送中心。如图 3-1 所示。

智能设备接受配送中心发出的存取货指令，根据货舱地址和舱位位置等参数，自动控制配送车行走，并调整机械臂到达目标舱位，当存取完货物后，再次等待配送中心指令。其中，视频监视器用于采集工作现场的视频数据，该数据用于智能设备识别配送车当前位置。

公司经理将智能设备的研制任务交给了李工。李工投入了大量的时间，通过一个月的努力，提交了智能设备的设计方案。但是，出乎李工预料，该方案被专家评审会否定了。评审意见指出，李工的设计方案实施成本高，并且在技术上有缺陷，建议重新设计。

【问题 1】 （10 分）

李工的设计方案指出，考虑到智能设备工作的环境条件非常恶劣，并且处理机要处理大量的视频信息，所以，智能设备的硬件设计应考虑以下几点：

（1）由于智能设备要处理大量的图像数据，智能设备中的处理机应采用目前先进的、具有很强数据处理和信号处理能力的 MPC7410 处理器，并采用双处理机结构，以增加设备的容错能力；

（2）为了使智能设备适应不同环境条件，其设备的环境温度指标必须满足军用标准要求（-55 度～+70 度） ，因此，元器件必须经过严格筛选，并考虑芯片散热问题；

（3）由于智能设备与配送中心的数据交换采用无线通信，而配送中心又要控制多台配送车，为了保证通信数据的安全性，避免相互干扰，设计中应考虑采用安全措施，实施数据加解密操作，密钥由配送中心统一管理与分发。

请用 300 字以内的文字说明上述三点设计考虑有何问题。

【问题 2】 （6 分）

图 3-2 是李工在设计方案中给出的智能设备工作状态转换图。

（1）请指出图中的两处错误（在图中圈出）并用 200 字以内的文字说明理由；

（2）给出正确的状态转换图。

【问题 3】 （9 分）

针对李工的设计缺陷，请用 300 字以内的文字说明本项目应如何进行正确设计

阅读以下关于嵌入式系统设计方面的叙述，在回答问题1至问题3。

某公司承担了一项大型物料配送中心的研发项目，使用自动化设备进行货物的存取。系统主要由两部分组成：其一是装有智能设备的配送车，用于自动化装卸货物：其二是用于管理和调度这些配送车的物料配送中心。如图3-1所示。

智能设备接受配送中心发出的存取货指令，根据货舱地址和舱位位置等参数，自动控制配送车行走，并调整机械臂到达目标舱位，当存取完货物后，再次等待配送中心指令。其中，视频监视器用于采集工作现场的视频数据，该数据用于智能没备识别配送车当前位置。

公司经理将智能设备的研制任务交给了李工。李工投入了大量的时间，通过一个月的努力，提交了智能设备的设计方案。但是，出乎李工预料，该方案被专家评审会否定了。评审意见指出，李工的设计方案实施成本高，并且在技术上有缺陷，建议重新设计。

李工的设计方案指出，考虑到智能设备工作的环境条件非常恶劣，并且处理机要处理大量的视频信息，所以，智能设备的硬件设计应考虑以下几点：

(1)由于智能设备要处理大量的图像数据，智能设备中的处理机应采用目前先进的、具有很强数据处理和信号处理能力的MPC7410处理器，并采用双处理机结构，以增加设备的容错能力：

(2)为了使智能设备适应不同环境条件，其设备的环境温度指标必须满足军用标准要求(-55度～+70度)，因此，元器件必须经过严格筛选，并考虑芯片散热问题：

(3)由于智能设备与配送中心的数据交换采用无线通信，而配送中心义要控制多台配送车，为了保证通信数据的安全性，避免相互千扰，设计中应考虑采用安全措施，实施数据加解密操作，密钥由配送中心统一管理与分发。

请用300字以内的文字说明上述三点设计考虑有何问题。

【题目描述】

                      试题一 （共15 分）

阅读以下关于某嵌入式系统设计方案的叙述，回答问题 1 至问题3，将答案填入答题纸的对应栏内。

 

【说明 】

通常计算机按其体系结构分为冯·诺依曼（Von neumann）结构和哈佛（Harvard）结构。冯·诺伊曼结构，也称普林斯顿结构，是一种将程序指令存储器和数据存储器合并在一起的存储器结构。哈佛结构是一种将程序指令存储和数据存储分开的存储器结构。复杂系统的不同处理器可采用不同类型体系结构。

某嵌入式系统由数据处理模块、信号处理模块和光纤网络交换模块组成，如图 1-1所示。其中数据处理模块的主处理器选用 PPC7447，内部集成了二级 CACHE，并有SDAM存储器、FLASH、NvRAM、实时时钟、FC(Fabric Channel)通信接口、以太网接口和 RS232 接口；信号处理模块采用 DSP TMS320C6000，并有 FC 通信接口、RS232

接口，用于SPM与外部数据通信；光纤网络交换模块提供FC 协议交换能力，主要由控制单元和交换单元两部分组成。  

本嵌入式系统的数据处理模块主要接收外部命令、控制系统运行、与系统其它模块通讯；信号处理模块主要进行图形图像处理，需要较大的运算量和较高的运算速度。

【 问题1】（6 分）     

回答下列问题，将答案填写在答题纸对应的栏目中。

本嵌入式系统的数据处理模块采用 （1） 体系结构，信号处理模块采用 （2） 体系结构。

在设计中断时，中断触发方式一般分为沿中断和电平中断。沿中断利用 （3） 或 （4） 作为中断触发信号, 电平中断利用 （5） 或 （6） 作为中断触发信号。 

【 问题2 】（5 分）     

在设计数据处理模块 DPM 时，假设某桥芯片内部集成一路递增定时器，定时器位宽为32位，最高位为控制使能位，输入时钟为25MHz。请回答下面三个问题，将答案填写在答题纸对应的栏目中（给出表达式即可）。

（1）该定时器最长定时时间是多少（单位ns）？

（2）设置10ms定时时间，则定时器的初值为多少？

（3）若改为一路递减定时器，设置10ms定时时间，则定时器的初值为多少？

【 问题 3】（ 4分）    

 嵌入式系统底层FC通讯驱动对大数据采用DMA数据传输。图1-2是未完成的DMA数据传输工作流程图，请从下面①～⑧中选择正确的答案，完成该图，将答案填写在答题纸的对应栏中。

备选答案： 

① 字计数器计数       

②DMA 发送中断      

③DMA 响应 

④ DMA 接收4个字节    

⑤ 发送内存地址       

⑥ 再次修改内存地址 

⑦ 传送结束         

⑧ 继续传送                                                               

                        

【我提交的答案】：冯.诺伊曼结构，哈佛结构

【参考答案分析】：

试题一（共15分）

【问题1】（6分，每空1分）

（1） 冯.诺依曼 或Von neumann

（2） 哈佛 或Harvard

（3）～（4）：答案次序无关。答案为：上升沿、下降沿

（5）～（6）：答案次序无关。答案为：高电平、低电平

【问题2】（5分）

（1）40*231或85899345920                （1分）

（2）10*106/40或250000     （2分）

（3）231-10*106/40或2147233648   （2分）

【问题3】（4分，每空1分）

（1）DMA响应，或③

（2）发送内存地址，或⑤

（3）字计数器计数，或①

（4）传送结束，或⑦

                      

【我的疑问】（如下，请求专家帮助解答）

递增定时器和递减定时器是如果触发的 ？

A、如果系统对成本并不敏感，则可以考虑将大部分算法用FPGA实现。

B、如果系统对成本比较敏感，则可以考虑将大部分算法用MCU实现。

C、具体分配的方案，应根据系统的性能要求，在性能与成本等因素之间折衷。

D、在FPGA内部可以通过定制IP内核的方式将FPGA用作为MCU的协处理器，进一步增强系统的灵活性。

阅读以下关于嵌入式系统I2C总线接口电路的技术说明，根据要求回答问题。

【说明】

I2C总线是一种多主控器总线，对多个IC器件具有控制总线的能力。采用串行I2C总线技术设计接口电路，可节约嵌入式系统微处理器的I/O端口。图6-17给出了一种实现了键盘、时钟和实时参数存储三个功能模块的应用电路。图6-17中仅应用I2C总线构成单主控器的系统。此时时钟线SCL仅由微处理器驱动，因此可以用微处理器的一根I/O线作为SCL信号线，将其设置为输出方式，由软件控制产生串行时钟信号；用微处理器的另一根I/O线作为I2C总线的串行数据线，由软件控制在时钟的低电平期间读取或输出数据。

在图6-17中采用ATMEL公司的E2PROM AT24C64(IC8)实现了系统初始化数据、仪表系数、用户设置的参数或某些重要的实时数据参数的存储。DS1302时钟芯片可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，且具有闰年补偿功能，工作电压宽达2.5～5.5 V。8位并行I/O口扩展器件PCF8574具有口输出锁存功能，可直接驱动大电流LED管，同时还带有一个中断请求输出端INT(漏极开路方式)。在图6-17中，将PCF8574器件的8位准双向口外挂了一个4×4键盘矩阵。

电阻R36、R37在图6-17电路中有何作用。请在100字以内简要说明。

A、对于该系统的控制结构，优先采用闭环控制，因为这样可以比较精确的调节电机转速，有利于小车的平稳、快速的运动。

B、对于该系统的软件架构，可以考虑采用前后台系统，将和速度控制相关的任务设计为中断服务程序，以满足控制的实时性要求。

C、对于该系统的微处理器，可以考虑采用低成本的ARM Cortex-M3或M4解决方案，因为系统虽有比较高的实时性要求，但任务数并不太多，且不存在很多的并发性任务。

D、对于该系统的用户任务，除了必须的控制任务、系统初始化任务外，必须考虑各种异常情况和系统保护等。

阅读以下关于工业控制系统软件方面的叙述，在回答问题1至问题4。

某公司新近签订了一份控制系统软件的研制合同。合同技术要求如下：

(1)本控制系统的软件运行平台拟采用嵌入式实时操作系统，控制系统的工作周期为10ms，要求控制软件能够精确地按事先预定的时间顺序完成数据的采集、处理和输出。

(2)为了提高整个系统的可靠性，控制系统采用容错处理，即用两个相对独立的计算机承担相同的工作，通过交叉对比，实现控制的双余度管理；当任何一台计算机出现故障时，系统可以进行单余度控制。系统结构如图4-1所示。

(3)在10ms工作周期内的时间分配如表4-1所示。

公司总工程师将本项任务交付给项目主管李工程师实施，要求李工按双方合同要求完成本项目的策划、需求分析和方案设计工作，重点强调系统的可靠性要求，并特别提示：目前比较流行的嵌入式操作系统普遍采用可抢占式优先级调度策略，不能满足用户关于“能够精确地按事先预定的时间顺序完成数据的采集、处理和输出”的要求。

李工接到任务后，认为本项目比较简单，很快就安排3名技术人员分别负责数据采集/输出模块、数据处理模块和比较监控模块的编写。总工程师听到汇报后，认为李工的方案和安排不妥，理由是李工忽视了系统的可靠性要求，对系统需求的理解不够深入。为实现系统关于可靠性方面的需求：

(1)你认为在组织结构、人员分工、设计开发等方面应做出哪些安排和规定?

(2)请写出关于余度表决算法的考虑。

①本控制系统的软件运行平台拟采用嵌入式实时操作系统，控制系统的工作周期为10ms，要求控制软件能够精确地按事先预定的时间顺序完成数据的采集、处理和输出。

②为了提高整个系统的可靠性，控制系统采用容错处理，即用两个相对独立的计算机承担相同的工作，通过交叉对比，实现控制的双余度管理；当任何一台计算机出现故障时，系统可以进行单余度控制。系统结构如图12-21所示。

③在10ms工作周期内的时间分配如表12-15所示。

公司总工程师将本项任务交付给项目主管李工程师实施，要求李工按双方合同要求完成本项目的策划、需求分析和方案设计工作，重点强调系统的可靠性要求，并特别提示：目前比较流行的嵌入式操作系统普遍采用可抢占式优先级调度策略，不能满足用户关于"能够精确地按事先预定的时间顺序完成数据的采集、处理和输出"的要求。