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  第14题      
  知识点:   嵌入式系统概论   安全性   嵌入式系统
  章/节:   操作系统       

 
嵌入式系统已被广泛应用到各行各业。嵌入式系统是一个内置于设备中,对设备的各种传感器进行管理与控制的系统。通常,根据系统对时间的敏感程度可将嵌入式系统划分为(14)两种,而实时系统又可分为强实时(Hard Real-Time)系统和弱实时(Weak Real-Time)系统;如果从安全性要求看,嵌入式系统还可分为(15)。
 
 
  A.  嵌入式系统和嵌入式实时系统
 
  B.  控制系统和业务系统
 
  C.  安全攸关系统和非安全攸关系统
 
  D.  CPS系统和非CPS系统
 
 
 

 
  第18题    2022年上半年  
   33%
嵌入式实时系统存在许多调度算法。如果调度程序根据任务的紧急程度确定该任务的优先级,任务紧急程度高,被赋予的优先级就高,可..
  第15题    2022年上半年  
   32%
嵌入式系统已被广泛应用到各行各业。嵌入式系统是一个内置于设备中,对设备的各种传感器进行管理与控制的系统。通常,根据系统对..
  第52题    2019年上半年  
   77%
“从减少成本和缩短研发周期考虑,要求嵌入式操作系统能运行在不同的微处理器平台上,能针对硬件变化进行结构与功能上的配置。”..
   知识点讲解    
   · 嵌入式系统概论    · 安全性    · 嵌入式系统
 
       嵌入式系统概论
        嵌入式系统是一种以应用为中心,以计算机技术为基础,可以适应不同应用对功能、可靠性、成本、体积、功耗等方面的要求,集可配置可裁减的软、硬件于一体的专用计算机系统。它具有很强的灵活性,主要由嵌入式硬件平台、相关支撑硬件、嵌入式操作系统、支撑软件以及应用软件组成。
                      嵌入式系统的特点
                      嵌入式系统具有以下特点:
                      (1)系统专用性强。嵌入式系统是针对具体应用的专门系统。它的个性化很强,软件和硬件结合紧密。一般要针对硬件进行软件的开发和移植,根据硬件的变化和增减对软件进行修改。
                      (2)软、硬件依赖性强。嵌入式系统的专用性决定了其软、硬件的互相依赖性很强,两者必须协同设计,以达到共同实现预定功能的目的,并满足性能、成本和可靠性等方面的严格要求。
                      (3)系统实时性强。在嵌入式系统中,有相当一部分系统对外来事件要求在限定的时间内及时做出响应,具有实时性。
                      (4)处理器专用。嵌入式系统的处理器一般是为某一特定目的和应用而专门设计的,通常具有功耗低、体积小、集成度高等优点,能够把许多在通用计算机上需要由板卡完成的任务和功能集成到芯片内部,从而有利于嵌入式系统的小型化和移动能力的增强。
                      (5)多种技术紧密结合。嵌入式系统通常是计算机技术、半导体技术、电力电子技术及机械技术与各行业的具体应用相结合的产物。通用计算机技术也离不开这些技术,但它们相互结合的紧密程度不及嵌入式系统。
                      (6)系统透明性。嵌入式系统在形态上与通用计算机系统差异很大,它的输入设备往往不是常见的鼠标和键盘之类的设备,甚至没有输出装置,用户可能根本感觉不到它所使用的设备中有嵌入式系统的存在,即使知道,也不必关心这个嵌入式系统的相关情况。
                      (7)系统资源受限。嵌入式系统为了达到结构紧凑、可靠性高及降低系统成本的目的,其存储容量、I/O设备数量和处理器的处理能力都比较有限。
                      实时系统的概念
                      简单地说,实时系统可以看成对外部事件及时响应的系统。现实世界中,并非所有的嵌入式系统都具有实时特性,所有的实时系统也不一定都是嵌入式的。但这两种系统并不互相排斥,兼有这两种特性的系统称为实时嵌入式系统(Real-Time Embedded System, RTES),通常简称为实时系统。我们先介绍与RTES相关的几个概念。
                      (1)逻辑(或功能)正确:指系统对外部事件的处理能够产生正确的结果。
                      (2)时间正确:指系统对外部事件的处理必须在预定的周期内完成。
                      (3)死线(Deadline):指系统必须对外部事件处理的最迟时间界限,错过此界限可能产生严重后果。通常,计算必须在到达死线前完成。
                      (4)实时系统:指功能正确和时间正确同时满足的系统,二者同等重要。换言之,实时系统有时间约束并且是死线驱动的。但是在某些系统中,为了保证功能正确性,有可能牺牲时间正确性。
                      根据对错失死线的容忍程度不同,可以将RTES分为软RTES和硬RTES。
                      (1)硬RTES:必须满足其灵活性接近零死线要求的RTES。死线必须满足,否则就会产生灾难性的后果,并且死线之后得到的处理结果或是零级无用,或是高度贬值。在硬RTES中,错失死线后的处理结果是价值为零,错失死线的惩罚是灾难性的。
                      (2)软RTES。必须满足死线的要求,但是有一定灵活性。死线可以包含可变的容忍等级、平均的时间死线,甚至是带有不同程度的可接受性的响应时间的统计分布。在软RTES中,错失死线后处理结果的价值根据应用的性质随时间按某种关系下降,死线错失不会导致系统失败。由于一个或多个错失的死线对软RTES的运行没有决定性的影响,一个软RTES不必预测是否可能有悬而未决的死线错失。相反,软RTES在探知到错失一个死线时可以启动一个恢复进程。
                      在RTES中,任务的开始时与死线或完成时间同样重要,由于任务缺少需要的资源(例如,CPU和内存等),就有可能阻碍任务的开始并直接导致任务完成的错失和死线,因此,死线问题演变成资源的调度问题。
 
       安全性
        (1)可用性。可用性评价指标及测量,如下表所示。
        
        可用性评价指标及测量
        
        (2)完整性。完整性评价指标及测量,如下表所示。
        
        完整性评价指标及测量
        (3)保密性。保密性评价指标及测量,如下表所示。
        
        保密性评价指标及测量
        
 
       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。
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第14题    在手机中做本题