免费智能真题库 > 历年试卷 > 系统架构设计师 > 2018年下半年 系统架构设计师 上午试卷 综合知识
  第11题      
  知识点:   嵌入式系统   软件设计
  关键词:   低功耗   嵌入式系统   软件设计   系统设计   嵌入式        章/节:   嵌入式系统       

 
嵌入式系统设计一般要考虑低功耗, 软件设计也要考虑低功耗设计,软件低功耗设计一般采用( )。
 
 
  A.  结构优化、编译优化和代码优化
 
  B.  软硬件协同设计、开发过程优化和环境设计优化
 
  C.  轻量级操作系统、算法优化和仿真实验
 
  D.  编译优化技术、软硬件协同设计和算法优化
 
 
 

 
  第3题    2016年下半年  
   43%
嵌入式处理器是嵌入式系统的核心部件,一般可分为嵌入式微处理器(MPU)、微控制器(MCU)、数字信号处理器(DSP)和片上系统(SOC)。以..
  第10题    2018年下半年  
   56%
以下关于串行总线的说法中,正确的是( )。
  第11题    2013年下半年  
   47%
看门狗(WatchDog)是嵌入式系统中一种常用的保证系统可靠性的技术,(11)会产生看门狗中断。
   知识点讲解    
   · 嵌入式系统    · 软件设计
 
       嵌入式系统
        嵌入式计算机系统是与特定功能的设备集成在一起、且隐藏在这个功能系统内部为预定任务而设计的计算机系统。该计算机可对设备的状态进行采集,包括操作者的命令和受控对象的状态,按照设备所要求的、预先设定的特定规律进行计算,计算结果作为命令输出到设备的某些部件,控制某些操作,同时将人所关心的信息显示给操作者。一个典型的嵌入式系统如下图所示。
        
        嵌入式系统组成
        上述嵌入式系统的输入、处理、输出的各个部分,一般情况下都是通过软件运行完成的。因此嵌入式软件是嵌入式系统的重要组成部分,而且体现了系统的思想、方法和规律。
        在当今社会中,嵌入式系统已经和我们的生活息息相关,人们每时每刻都离不了嵌入式系统,如下图所示。
        
        嵌入式系统基本分类
        嵌入式系统一般是实时系统,《牛津计算机字典》对实时系统解释是:“系统的输入对应于一个外部物理世界的运动,而系统输出对应着另外一个物理世界的运动,而这两个运动的时间差必须在可接受的足够小的范围内,实时性就体现在从输入到形成输出所需的时间。”实时系统又进一步定义为硬实时系统和软实时系统两种,如下表所示。
        
        实时系统分类及其特性
        一般认为,嵌入式计算机相对于个人计算机或超级计算机,在软件或硬件上的资源是有限的,硬件资源体现在处理速度、功耗、存储空间等方面,软件资源指有限的应用、有限的操作系统支持、应用代码量少等方面。
        第一款大批量生产的嵌入式系统是美国1961年发布的民兵Ⅰ型导弹内嵌的D-17自动制导计算机。
        随着20世纪60年代早期应用开始,嵌入式系统的价格迅速降低,同时处理功能和能力获得快速提高。以第一款单片机Intel 4004为例,在存储器和外围芯片的配套使用下,实现了计算器和其他小型系统。1978年,美国国家工程制造商协会发布了可编程单片机的“标准”,涵盖了几乎所有以计算机为基础的控制器,如单板计算机、数控设备以及基于事件的控制器,使得微处理器得到了快速发展。
        无一例外,不断发展中的嵌入式计算功能的实现都通过用户需求驱动、顶层定义、硬件定义开始,但核心是软件的算法处理,实际上类似硬件功能通过不同软件的控制就可以实现不同用户所需要的嵌入式功能,如下图所示。
        
        嵌入式计算机的层次化架构
        当基础硬件接口、计算和存储资源、总线与网络乃至各种传感器、作动器、液压等以模块化、通用化、组合化等变得越来越成熟,他们就可以方便地组合成硬件平台。而软件却恰恰相反,基本是为满足人类某种新的设想或应用要求开始进行新的设计。这些设计从诸如领域、实现功能、性能、可靠性、安全性等方面,可以是全新理念设备、或是适应性修改升级等途径,都会导致软件有不同程度的差异。
        嵌入式系统具有以下特征:
        (1)嵌入式系统的时间敏感性。嵌入式实时系统对时间响应都是有要求的。例如对于一个设备的运动控制系统,从操作指令发出,嵌入式计算机根据指令和外部条件计算并输出到动作器的动作,要保证在所有的条件下、在确定的时间内产生所需的输出。这对于设计者来说,一般的实时系统都会围绕这个关键需求进行系统设计。另外为了满足时间敏感性要求,确保在最复杂行为和最大延时情况下,系统操作不发生延迟,要求处理器的利用率要有40%左右的余量。有时为满足某些强实时嵌入式系统的应答时间限定在毫秒级或更低,需要在高级语言中嵌入低级语言编程实现。
        (2)嵌入式系统的可靠性和安全性。嵌入式计算机系统的失效带来的可能是个人娱乐系统故障的微小损失,可能是铁路信号失效的巨额经济损失,也可能是战略武器控制等经济损失以及重大的社会政治影响等。所以在某种设计缺陷被诱发后,对于不同的系统需要采取不同的策略,例如对具有重大影响的系统,要求计算机或计算机软件对设计缺陷、制造缺陷等失效采取“永不放弃”的安全性设计技术,将损失控制在可接受的范围内。在有人为输入情况下,嵌入式系统还需考虑最大可能地减少人为失误所引起的系统失效。这些算法或机制可以是输入有效性合理性检查、硬件容错、软件容错、错误后的系统缓慢降级、系统进入安全模式等。
        (3)嵌入式软件的复杂性。软件复杂度取决于问题规模和复杂度。简单问题的软件可由个人完成,甚至可以进行软件正确性证明;即使过程中更换人员,花费少许时间就可掌握和维护。但如汽车控制、飞机控制等大型复杂软件,其需要根据复杂的外部输入、按照多变量物理规律和人们的预期,实现预定的功能。软件需要根据系统的外部事件及其组合,考虑各种处理、逻辑、时序、边界、超出边界的鲁棒性等进行详细算法和策略研究。还需要考虑如安全性、可靠性、维护性等质量要求。更困难的是大规模软件需要团队联合定义、并行开发、持续维护,同时考虑处理平台限制条件。
 
       软件设计
               软件设计的任务
               在给定系统的需求规格说明书后,需要对软件的结构进行设计,并对设计的过程进行管理。在嵌入式系统的软件设计过程中,需要完成以下一些任务。
                      准备工作计划
                      在软件设计之前,首先要制订详细的工作计划,其内容包括:
                      .过程管理方案:包括软件开发的进度管理、软件规模和所需人年的估算、开发人员的技能培训等;
                      .开发环境的准备方案:包括开发工具的准备、开发设备的准备、测试装备的准备、分布式开发环境下的开发准则等;
                      .软硬件联机调试的方案:联调的起始时间、地点、人员和具体的准备工作;
                      .质量保证方案:包括质量目标计划、质量控制计划等;
                      .配置控制方案:包括配置控制文档的编写、配置控制规则的制订等。
                      确定软件的结构
                      设计软件的各个组成部分,包括:
                      .任务结构的设计:使用操作系统提供的函数,设计出一个最佳的任务结构;
                      .线程的设计;
                      .公共数据结构的设计:在确保系统一致性的基础上,设计出所需的公共数据;
                      .操作系统资源的定义;
                      .类的设计;
                      .模块结构设计:在设计时要充分考虑模块的划分、标准化、可重用和灵活性等;
                      .内存的分配与布局。
                      设计评审
                      对于软件设计的结果,进行一次设计评审,并在必要时对设计进行修正。具体内容包括:
                      .确认每件工作的执行方法是否恰当,其内容是否完善;
                      .确认该设计完成了系统需求规格说明书所要求的功能和服务;
                      .评估任务结构设计、评估类的设计、评估模块结构设计;
                      .对软件设计的结果进行总结,编写出相应的文档。
                      维护工作计划
                      执行软件设计工作控制,在每日、每周和每月的时间粒度上对进度进行控制,确保软件设计能够如期完成。
                      与硬件部门密切合作、相互协调
                      根据工作计划中的安排,定期与硬件部门召开会议,协调各自的进展。如果软件规格说明书发生了变化,立即进行调整,重新进行软件设计。
                      控制工作的结果,把工作记录存档
                      掌握当前的工作进展情况,尽早地发现和分析问题,并采取相应的措施。对各种事件进行跟踪记录,包括:
                      .执行过程控制,跟踪进展情况并定期记录、存档。
                      .执行质量控制,保留质量记录。
                      .记录产品的配置、版本变化、bug的发现和处理等信息。
               软件架构设计
               软件架构也称为软件体系结构,需要考虑如何对系统进行分解,对分解后的组件及其之间的关系进行设计,满足系统的功能和非功能需求。软件架构形成过程如下图所示。
               
               架构的形成过程概要
               软件架构设计需要从用户业务需求、未来应用环境、需求分析、硬件基础、接口输入、数据处理、运算或控制规律、用户使用等方面进行综合、权衡和分析基础上产生。面向某种问题的架构一旦确定就很难改变,随后的架构设计需要通过一系列的迭代开发完善,使得软件架构日趋成熟、稳定。
               软件架构的重要作用也在于控制一个软件系统的使用、成本和风险。好的架构要求是和谐的软件架构,包括与上一级系统架构相互和谐、与系统中同一级的其他组件架构互相和谐,确保系统满足性能、可靠性、安全性、信息安全性和互操作性等方面的关键要求,也具有可扩展、可移植性,从而为一个软件带来长久的生命力。
               在大量开发实践中,有很多广泛使用并被普遍接受的软件架构设计原则,这些原则独立于具体的软件开发方法,主要包括抽象、信息隐藏、强内聚和松耦合、关注点分离等。
               (1)抽象:这是软件架构的核心原则,也是人们认识复杂客观世界的基本方法。抽象的实质是提取主要特征和属性,从具体的事务中通过封装来忽略细节,并且运用这些特征和属性,描述一个具有普遍意义的客观世界。软件架构设计中需要对流程、数据、行为等进行抽象。复杂系统含有多层抽象,从而有多个不同层次架构。
               (2)信息隐藏:包括局部化设计和封装设计。局部化设计就是将一个处理所涉及到的信息和操作尽可能地限制在局部的一个组件中,减少与其他组件的接口。而封装设计是将组件的外部访问形式尽可能简单、统一。
               (3)强内聚和松耦合:强内聚是指软件组件内的特性,即组件内所有处理都高度相关,所有处理组合在一起才能组成一个相对完整的功能。而松耦合是指软件组件之间的特性,软件组件之间应尽量做到没有或极少的直接关系,使其保持相对独立,这样使得未来的修改、复用简单,修改之后带来的影响最小。
               (4)关注点分离:所谓关注点是软件系统中可能会遇到的多变的部分。如为适应不同运行接口条件,需要进行适应性的参数调整和驱动配置。关注点分离设计是将这部分组件设计成为相对独立的部分,使未来的系统容易配置和修改。而核心的部分可以保持一个相对独立的稳定状态。如果功能分配使得单独的关注点组件足够简单,那么就更容易理解和实现。但“展示某些关注点得到满足时,可能会影响到其他方面的关注点,但架构师必须能够说明所有关注点都已得到满足”。
               以上的原则中,删除需求细节或对细节进行抽象是最重要的工作,为用户的需求创建抽象模型,通过抽象将特殊问题映射为更普遍的问题类别,并识别各种模式。
               软件架构设计使用纵向分解和横向分解两种方式。纵向分解就是分层,横向分解就是将每一个层面分成相对独立的部分。经过分解之后,可以将一个完整的问题分解成多个模块来解决。模块是其中可分解、可组装,功能独立、功能高度内聚、之间低耦合的一个组件。
               类似于建筑架构,软件架构也决定了软件产品的好用、易用、可靠、信息安全、可扩展、可重用等特性,好的软件架构也给人完整、明确、清晰等赏心悦目的感觉,具有较长的生命力。
               架构设计是围绕业务需求带来的问题空间到系统解决空间第一个顶层设计方案。按照抽象原则,在这个阶段进行的架构设计关注软件设计环节抽象出来的重要元素,而不是所有的设计元素。在架构设计时将软件这些要素看作是黑盒,架构设计需要满足黑盒的外部功能和非功能需求的目标。一个软件的架构设计首先为软件产品的后续开发过程提供基础,在此基础上可将一个大规模的软件分解为若干子问题和公共子问题。而一般意义的软件设计是软件的底层设计,开发人员需要关注各子问题或要素的进一步分解和实现,是根据架构设计所定义的每个要素的功能、接口,进一步实现要素组件内部的配置、处理和结构。在遵守组件外部属性前提下,考虑实现组件内部的细节及其实现方法。对于其中的公共子问题,形成公共类和工具类,从而可以达到重用的目的。
               一般的软件构架是根据需求自上而下方式来设计,即首先掌握和研究利益相关方的关键需求,基本思路是首先进行系统级的软件架构设计,需要将软件组件与其外部环境属性绑定在一起,关注软件系统与外部环境的交联设计;其次将一个大的系统划分成各组成部分,这些部分可以按照架构设计的不同方法,分为层次或成为模块;之后再开始研究所涉及到的要素,再实现这些要素以及定义这些要素之间的关系。
               在实际工作中,软件构架也可采用自底向上的方法,前提是已经建立了一个成熟稳定的软件架构,也可以称之为“模式”。模式是组织一级设计某一类具体问题的顶层思路,是为了解决共有问题解的方案模板,但并不是一个问题的设计或设计算法。
               模式常常整合在一起使用,提供解决更大、更复杂问题的解决方案,而组成一个解决问题的通用框架。框架往往提供统一平台和开发工具,而且已经高效地利用了已经经过验证的模式、技术和组件。在新软件系统的设计中指定沿用或重用这种架构框架,这时其他重要元素可以在这个架构基础上针对新的需求进行扩展,有时是针对性地进行参数化设计。所以在架构设计中可以借用模式的概念进行设计,采用成熟的先进的设计框架和工具提高开发的效率,保证设计正确性。
               下图所示是针对架构设计中非功能需求的多维度分析,从中可知任何一个因素的变化都会带来对其他因素的影响。实际上软件架构设计属于软件设计过程的一部分,但超越了系统内部的算法和数据结构的详细设计。
               
               架构的多维度分析
               在架构设计阶段,需要定义边界条件、描述系统组织结构、对系统的定量属性进行约束、帮助对模型进行描述并基本构造早期的原型、更准确地描述费用和时间的评估。
               软件设计方法
               在将系统分解为各个组件的过程中,需要采取不同的策略,而每个策略则关注不同的设计概念。根据分解过程中所采用的不同策略,设计方法有基于功能分解的设计方法、基于信息隐藏的设计方法和基于模型驱动开发的设计方法等分类。
               (1)基于功能分解的设计方法。实时结构化分析与设计采用了功能分解,系统被分解为多个函数,并且以数据流或控制流的形式定义函数之间的接口;基于并发任务结构化的设计(Design Approach for Real-Time Systems,DARTS)提供了任务结构化标准,辅助人员确定系统中的并发任务,并指导定义任务接口。
               (2)基于信息隐藏的设计方法。面向对象(Object Oriented,OO)设计方法将数据和数据上操作封装在对象实体中,对象外界不能够直接对对象内部进行访问和操作,只能通过消息间接访问对象,符合人类思维方式,提高软件的扩展性、维护性和重用性。
               (3)基于模型驱动开发的设计方法。通过借助有效的(Model Driven Development,MDD)工具,构建和维护复杂系统的设计模型,直接产生高质量的代码,将开发的重心从编码转移到设计。当前使用较为广泛的MDD工具有IBM公司的Rhapsody。
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