实时系统 博学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（硬件结构图见图12-8），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64KB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一帧。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32B为基本数据块，分别以20ms、40ms、60ms、1s这4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一帧"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。 请用150字以内的文字说明针对IOC模块的多路RS422接口的数据采集，其驱动程序使用中断方式或查询方式的主要差别是什么？主要优缺点有哪些？
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64KB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一帧。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32B为基本数据块，分别以20ms、40ms、60ms、1s这4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一帧"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。 请用150字以内的文字说明针对IOC模块的多路RS422接口的数据采集，其驱动程序使用中断方式或查询方式的主要差别是什么？主要优缺点有哪些？
用150字以内的文字，说明公司制定的TLS软件架构的层次特点，并针对上述功能需求①～④，说明架构中各层内涵。
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。请填写图12-20（f）中的（1）～（8），并用300字以内的文字对上述6种处理器结构的工作原理进行简要描述。
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。 如图12-22所示为控制软件的数据流程关系，请根据本题给出的各个功能模块，填补其中的空缺处。 
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。 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。
在TLS软件架构的基础上，关于选择哪种类型的嵌入式操作系统问题，李工与总工程师发生了严重分歧。李工认为，宇航系统是实时系统，操作系统的处理时间越快越好，隔离意味着以时间作代价，没有必要，建议选择类似于VxWorks5.5的操作系统；总工程师认为，应用软件间隔离是宇航系统安全性要求，宇航系统在选择操作系统时必须考虑这一点，建议选择类似于Linux的操作系统。 请说明两种操作系统的主要差异，完成表12-8中的空白部分，并针对本任务要求，用200字以内的文字说明你选择操作系统的类型和理由。 
某研究所承担了一项宇航嵌入式系统的研制任务，本项任务技术难度大、可靠性要求高、进度要求紧，预计软件规模约在一万行以上。而该所原先承担的相关项目均是用汇编语言编写（软件规模较小，一般是几百行）。项目主管工程师将软件开发的论证工作分别布置给了王工和李工，要求他们根据本项目的技术要求，在一周内分别提出软件的实施方案。
①该宇航嵌入式系统由数据处理机、信号处理机及数据采集模块组成。信号处理机主要通过数据采集模块将大量不同时间周期的外部数据采集进来，进行预处理（如FFT变换）后提交给数据处理机；数据处理机根据功能要求完成各种计算处理工作，并将结果输出。为了达到数据处理机和信号处理机的标准化，这两类处理机均采用同种处理机的体系结构（如PowerPC7410）。整个系统工作的最大周期为1s，最小周期为5ms。数据处理机上任务分布如表12-16所示。
②一周后，王工和李工提交了各自的实施方案，其共同之处在于二者均提出采用操作系统及相应的软件开发环境。但是，王工和李工在选择什么样的操作系统及开发环境方面出现了较大分歧。王工的实施方案指出，为了满足本项目的技术要求，并有利于本所软件的长期发展，应选用具有硬实时处理能力的嵌入式实时操作系统及开发环境（如VxWorks）；而李工的实施方案指出，操作系统主要完成对计算机资源的管理与分配工作，考虑到人们对操作系统及软件开发工具的熟悉程度，本项目应选用具有大众化的、开发人员容易上手的嵌入式操作系统（例如，WindowsCE、Linux）。
③在两人争执不下的情况下，项目主管工程师组织了相关专家对王工和李工提交的实施方案进行了评审。最后，专家组一致认为王工的方案切实可行，操作系统的选型论证充分、客观，可以作为本所未来几年中相关项目的软件开发的基本环境。同时专家组还就具体实施选择嵌入式实时操作系统及开发环境产品时应着重考虑的相关问题提出了几点建议。
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