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  第3题      
  知识点：   工业   基础知识   培训   嵌入式系统   医疗

 
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：3.1   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：3.2   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。
 
问题：3.3   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。
 
 
 

   知识点讲解    
   · 工业    · 基础知识    · 培训    · 嵌入式系统    · 医疗
 
       工业
        立体显示技术可以应用于过程控制、数值模拟、CAD/CAM（计算机辅助设计／制造）设计、工业检测、远程监视、危险产品生产安装以及远程机器人视觉显示等各个方面，可以带来前所未有的逼真视觉效果。
        目前，3D技术在专业行业的应用已经十分成熟，包括汽车设计制造、船舶设计制造、航天航空、能源动力、机械电子、建筑房产、城市规划等行业，3D技术为设计方式和用户界面带来了新的革命。3D技术常用的设计软件包括ProE、AutoCAD、3Dmax、MAYA等，这些工具已经成为行业必备的设计软件。在工业设计领域，ProE和AutoCAD已经具备了丰富的3D设计功能，并被广大工程设计人员所采用；在图形图像领域，3Dmax、MAYA已经被广大艺术和IT工作者熟练使用。
 
       基础知识
               关系数据库系统
               关系数据库系统是支持关系数据模型的数据库系统。
               关系数据库应用数学方法来处理数据库中的数据。最早提出将这类方法用于数据处理的是1962年CODASYL发表的“信息代数”一文，之后有1968年David Child在7090机上实现的集合论数据结构，但系统而严格地提出关系模型的是美国IBM公司的E.F.Codd。
               1970年E.F.Codd在美国计算机学会会刊Communication of the ACM上发表的题为“A Relational Model of Data for Shared Data Banks”的论文，开创了数据库系统的新纪元。以后，他连续发表了多篇论文，奠定了关系数据库的理论基础。
               20世纪70年代末，关系方法的理论研究和软件系统的研制均取得了很大成果，IBM公司的San Jose实验室在IBM370系列机上研制的关系数据库实验系统System R获得成功。1981年IBM公司又宣布了具有System R全部特征的新的数据库软件产品SQL/DS问世。与System R同期，美国加州大学柏克利分校也研制了Ingres关系数据库实验系统，并由Inges公司发展成为Ingres数据库产品。
               几十年来，关系数据库系统的研究取得了辉煌的成就。关系方法从实验室走向了社会，涌现出许多性能良好的商品化关系数据库管理系统（RDBMS）。如著名的IBM DB2、Oracle、Ingres、SYBASE、Informix等。数据库的应用领域迅速扩大。
               关系的相关名词
               （1）属性（Attribute）：在现实世界中，要描述一个事务常常取若干特征来表示。这些特征称为属性。例如学生用学号、姓名、性别、系别、年龄、籍贯等属性来描述。
               （2）域（Domain）：每个属性的取值范围所对应一个值的集合，称为该属性的域。例如，学号的域是6位整型数；姓名的域是10位字符；性别的域为｛男，女｝；……一般在关系数据模型中，对域还加了一个限制，所有的域都应是原子数据（atomic data）。例如，整数、字符串是原子数据，而集合、记录、数组是非原子数据。关系数据模型的这种限制称为第一范式（first normal form，简称1NF）条件。但也有些关系数据模型突破了1NF的限制，称为非1NF的。
               （3）目或度（Degree）：D1×D2×…×Dn的子集的称作在域D1，D2…，Dn上的关系，表示为R（D1，D2，…，Dn）。这里的R表示关系的名字，n是关系的目或度。
               （4）候选码（Candidate Key）：若关系中的某一属性或属性组的值能唯一标识一个元组，则称该属性或属性组为候选码。
               （5）主码（Primary Key）：或称主键，若一个关系有多个候选码，则选定其中一个为主码。
               （6）主属性（Prime attribute）：包含在任何候选码中的属性称为主属性。不包含在任何候选码中的属性称为非主属性（NonPrime attribute）。
               （7）外码（Foreign key）：如果关系模式R中的属性或属性组非该关系的码，但它是其他关系的码，那么该属性集对关系模式R而言是外码。
               例如，客户与贷款之间的借贷联系c-l（
               ，loan-no），属性c-id是客户关系中的码，所以c-id是外码；属性loan-no是贷款关系中的码，所以loan-no也是外码。
               （8）全码（All-key）：关系模型的所有属性组是这个关系模式的候选码，称为全码。
               例如，关系模式R（T，C，S），属性T表示教师，属性C表示课程，属性S表示学生。假设一个教师可以讲授多门课程，某门课程可以由多个教师讲授，学生可以听不同教师讲授的不同课程，那么，要想区分关系中的每一个元组，这个关系模式R的码应为全属性T、C和S，即All-key。
               笛卡儿积与关系
               【定义7.1】设D1，D2，D3，…，Dn为任意集合，定义D1，D2，D3，…，Dn的笛卡儿积为：
               D1×D2×D3×…×Dn=｛（d1，d2，d3，…，dn）｜di∈Di，i=l，2，3，…，n｝
               其中集合中的每一个元素（d1，d2，d3，…，dn）叫作一个n元组（n-tuple，即n个属性的元组），元素中的每一个值di叫作元组一个分量。若Di（i=1，2，3，…，n）为有限集，其基数（Cardinal number，元组的个数）为mi（i=1，2，3，…，n），则D1×D2×D3×…×Dn的基数M为：。
               注意：笛卡儿积可以用二维表来表示。
               【定义7.2】D1×D2×D3×…×Dn的子集叫作在域D1，D2，D3，…，Dn上的关系，记为R（D1，D2，D3，…，Dn），称关系R为n元关系。
               定义7.2可以得出一个关系，也可以用二维表来表示。关系中属性的个数称为“元数”，元组的个数称为“基数”。关系模型中的术语与一般术语的对应情况可以通过下图中的学生关系说明。
               
               学生关系与术语的对应情况
               上图中属性S_no、Sname、SD和Sex分别表示学号、姓名、所在院系、性别。该学生关系模式可表示为：学生（
               ，Sname，SD，Sex）；属性S_no加下画线表示该属性为主码；属性Sex的域为男、女，等等。从图中不难看出，该学生关系的元数为4，基数为6。
               关系的三种类型
               关系的三种类型如下：
               （1）基本关系（通常又称为基本表或基表）：实际存在的表，它是实际存储数据的逻辑表示。
               （2）查询表：查询结果对应的表。
               （3）视图表：是由基本表或其他视图表导出的表。由于它本身不独立存储在数据库中，数据库中只存放它的定义，所以常称为虚表。
 
       培训
        培训包括旨在提高项目团队成员能力的全部活动。
        培训可以是正式或非正式的。培训方式包括课堂培训、在线培训、计算机辅助培训、在岗培训（由其他项目团队成员提供）、辅导及训练。
        应按人力资源管理计划中的安排来实施预定的培训。也应根据管理项目团队过程中的观察、交谈和项目绩效评估的结果，来开展必要的计划外培训，培训成本通常应该包括在项目预算中，或者由执行组织承担（如果增加的技能有利于未来的项目）。培训可以由内部或外部培训师来执行。
 
       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。
 
       医疗
        现代先进的医疗诊断技术的共同特点是以现代物理技术为基础，借助计算机技术对医疗影像进行数字化和重建处理。计算机在成像过程中起到至关重要的作用。随着临床要求的不断提高以及多媒体技术的发展，出现了新一代具有多媒体处理功能的医疗诊断系统。多媒体医疗影像系统在媒体种类、媒体介质、媒体存储及管理方式、诊断辅助信息、直观性和实时性等方面都使传统诊断技术相形见绌。
        事实上，在医疗诊断中经常采用的实时动态视频扫描、声影处理等技术都是多媒体技术成功应用的例证。多媒体数据库技术从根本上解决了医疗影像的另一关键问题——影像存储管理问题。多媒体和网络技术的应用还使远程医疗从理想变成现实。
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