第1次课 课堂作业 看视频和教材完成以下问题： 1、嵌入式系统的概念是什么？包含哪三要素？ 2、嵌入式

阅读以下关于某嵌入式实时系统的软件需求的叙述，回答问题1、问题2和问题3。

某公司承担了一项嵌入式实时控制系统的软件开发任务，其内容是按系统要求的固定的时间序列采集、处理、输出数据，以实现对多个设备的综合控制。

系统由硬件和软件组成，硬件由处理机(采用PowerPC603e，主频133MHz)、存储器、定时器、中断控制器、双口存储器(空间大小1 024KB)、4路422半双工串行接口 (其中两路的频率115 200Hz，另两路频率38400Hz)、两路A/D、D/A数模转换器和10路离散量接口组成。系统的软件需求如下(注：B：字节；s：秒；ms：毫秒)：

.系统要求以5ms为周期从双口存储器中采集1 024KB的输入数据，处理任务的时间约为1ms；(称为5ms任务)

.要求以20ms为周期从两路422接口(115 200Hz)中采集一定格式的大小系统为64B的数据，在完成处理(处理时间约为4ms)任务后，分别输出大小为16B的控制命令；(称为20ms任务)

.系统要求以60ms为周期从两路422接口(38400Hz)中采集一定数据格式的大小为6B数据，从两路A/D接口采集28位数据，在完成处理(处理时间约为2ms)任务后，分别输出大小为2B的控制命令和一个28位D/A数据，输出8路离散量控制数据；(称为60ms任务)

.作为系统的安全监控保障，系统要求在每1s内对系统软硬件状态进行测试并完成系统工作的状态记录工作。该任务共需处理时间是5ms。(称为1s任务)

本公司课题组根据用户的硬件环境及对软件的需求，就软件的实施方案展开了激烈的讨论，讨论的首要问题就是本系统中软件的运行平台是采用嵌入式实时操作系统还是在裸机上直接开发，李工程师(简称李工)提出为了保证系统的实时性，应该采用在裸机上直接开发的方式，关键部分采用汇编语言编写，而王工程师(简称王工)提出，由于系统将由多种周期的处理任务组成，为了保证系统的可靠性，应该采用商用嵌入式实时操作系统作为本项目的开发基础，经过充分论证，最后李工接受了王工的建议，并申报课题组组长，课题组长同意采用了操作系统的方案，并指出必须尽快对需求的时间性能做出评估。

请用450字以内文字简要说明王工提出的采用嵌入式实时操作系统的理由或优点，并说明选择操作系统产品时需要重点考虑其哪些功能与性能?

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。

A、嵌入式系统针对特定领域会有不同的要求

B、嵌入式系统对实时性要求高，但可靠性要求低

C、嵌入式系统极其关注成本

D、嵌入式系统开发需要特殊的工具和开发方法

A、嵌入式系统极其关注成本

B、嵌入式系统开发需要特殊的工具和开发方法

C、嵌入式系统针对特定领域会有不同的要求

D、嵌入式系统对实时性要求高，但可靠性要求低

嵌入式系统由硬件部分和软件部分构成。以下不属于嵌入式系统软件的是（ ）。（ ）A.系统内核 B.驱动程序 C. FPGA编程软件 D.嵌入式中间件

试题四（共15分）

阅读以下关于某嵌入式系统BIT的说明，回答问题1至问题3，将答案填入答题纸

的对应栏内。

【说明】

【说明】

某公司负责研制一个嵌入式计算机系统，如图4-1所示。该系统以PowerPC处理器

为核心，通过AD进行实时数据采集，并将采集来的数据进行预处理后，通过RS422总

线发送给后端计算中心。

同时为了提高产品的安全性和可靠性，设计实现了机内自测试(Built In Test，BIT)。

BIT依靠自身电路和程序完成对计算机平台硬件的功能检查、故障诊断与隔离。

【问题1】(6分)

王工负责对该系统进行故障模式分析，识别出了该系统可能出现的故障模式，如表

4.1所示。请将属于CPU和RAM的故障填写在答题纸的对应栏中。

【问题2]（3分）

王工设计了三种BIT测试程序，分别是上电BIT、周期BIT、维护BIT。运行流程

如图4-2所示。

图4-2软件运行流程示意图

请回答下面三个问题，将答案填写在答题纸的对应栏中。

(1)请问不影响和破坏任务正常运行的是哪一种BIT?

(2)请问具有最完备的测试用例集合，可用于故障隔离和定位的是哪一种BIT?

(3)请问确保设备单元在使用前都被测式的是哪一种BIT?

【问题3]（6分）

李工负责设计CPU单元的BIT测试算法，通过对每组指令分别设计一组测试用例，

定义不同的操作数、操作码和预期值，在指令运行后比较结果与预期值。由于该系统选

用的处理器集成了多级Cache（高速缓存），并且指令缓存和数据缓存是分开的，执行指

令功能测试前需要刷新指令Cache，以保证与内存中的测试代码一致。每个测试项的测

试结果正确为0，故障为1。

以32位字比较指令cmpw测试为例，cmpw将寄存器rA和rB内数据比较的结果（大于、

小于、等于）放入条件寄存器CIX，其操作码为Ox7COOOOOO，测试用例数据如表4.2所示。

表4.2字比较指令CI ipw测试用例数据

cmpw指令功能测试的算法流程示意如图4—3所示。请补全流程图4.3中的执行操作，

将答案填写在答题纸的对应栏中。

A、提高CPU效率

B、实现实时处理

C、可以及时处理故障

D、以上都不对