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  第4题      
  知识点：   硬件体系结构   操作系统   嵌入式操作系统   嵌入式软件   软件系统   实时操作系统   体系结构   项目计划   虚拟化技术   硬件   用户需求   总体设计

 
计算机虚拟化是一种新型的计算模式，能够动态组织多种计算资源，隔离硬件体系结构和软件系统之间的依赖关系，实现透明化、可伸缩的计算系统构架，提高计算资源的使用效率和遗产软件的重用。
某公司是一家长期从事嵌入式软件研制的单位。随着虚拟化技术发展，公司决策层决定在公司原有嵌入式实时操作系统基础上，研制具备虚拟化能力的新一代嵌入式操作系统产品。公司将该项目的总体设计任务交给了王工，要求他充分调研用户需求，尽快拿出项目的计划书，并给出项目的技术实施途径。一个月后，王工向公司决策层提交了项目计划书和技术实施途径报告，在公司讨论会上引起技术争议，其焦点主要集中在两个方面：虚拟化体系架构问题和虚拟化中的安全因素问题。
 
问题：4.1   当前虚拟化的实现技术主要有全虚拟化和半虚拟化两种，请用200字以内的文字说明两种虚拟化技术的主要差别，并用箭线指出图3-1所示的虚拟化特性分属哪种虚拟化技术。
 
问题：4.2   具有虚拟化能力的嵌入式实时操作系统目前仅支持单核处理器，而不支持多核，请用100字以内的文字说明其主要原因。表3-1给出如果采用虚拟化技术支持多核时存在的四种共享资源和四种潜在安全隐患，请用箭线指出这些潜在安全隐患分别会发生在哪种共享资源的环境下。
 
 
 

   知识点讲解    
   · 硬件体系结构    · 操作系统    · 嵌入式操作系统    · 嵌入式软件    · 软件系统    · 实时操作系统    · 体系结构    · 项目计划    · 虚拟化技术    · 硬件    · 用户需求    · 总体设计
 
       硬件体系结构
        微处理器是整个嵌入式系统的核心，负责控制系统的执行。外部设备是嵌入式系统同外界交互的通道，常见的外部设备有flash存储器、键盘、输入笔、触摸屏、液晶显示器等，在很多嵌入式系统中还有与系统用途紧密相关的各种专用外设。嵌入式系统中经常使用的存储器有3种类型，分别是RAM、ROM和混合存储器。系统的存储器用于存放系统的程序代码、数据和系统运行的结果。
        嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器，根据目前的使用情况，嵌入式处理器可以分为如下几类：
        （1）嵌入式微处理器。由通用计算机中的CPU演变而来，在功能上跟普通的微处理器基本一致，但是它具有体积小、功耗低、质量轻、成本低及可靠性高的优点。通常，嵌入式微处理器和ROM、RAM、总线接口及外设接口等部件安装在一块电路板上，称为单板计算机。
        （2）嵌入式微控制器。又称为单片机，整个计算机系统都集成到一块芯片中。嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成有存储器、总线、总线逻辑、定时器／计数器、监督定时器、并口／串口、数模／模数转换器、闪存等必要外设。与嵌入式微处理器相比，嵌入式微控制器的最大特点是单片化，因而体积更小、功耗和成本更低，可靠性更高。
        （3）嵌入式数字信号处理器。一种专门用于信号处理的处理器，DSP（Digital Signal Processor，数字信号处理器）是芯片内部采用程序和数据分开的结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的DSP指令，可以用来快速实现各种数字信号的处理算法。目前，DSP在嵌入式系统中使用非常广泛，如数字滤波、快速傅立叶变换及频谱分析等。
        （4）嵌入式片上系统。一种在一块芯片上集成很多功能模块的复杂系统，例如，把微处理器内核、RAM、USB、IEEE 1394、Bluetooth（蓝牙）等集成到一个芯片中，构成一个嵌入式片上系统，从而大幅度缩小了系统的体积、降低了系统的复杂度、增强了系统的可靠性。在大量生产时，生产成本也远远低于单元部件组成的电路板系统。根据用途不同，嵌入式片上系统可以分为通用片上系统和专用片上系统两类。专用类的嵌入式片上系统一般是针对某一或某些系统而设计的。
 
       操作系统
        编写嵌入式软件有两种选择：一是自己编写内核；二是使用现成的操作系统。如果嵌入式软件只需要完成一项非常小的工作，例如在电动玩具、空调中，就不需要一个功能完整的操作系统。但如果系统的规模较大、功能较复杂，那么最好还是使用一个现成的操作系统。可用于嵌入式系统软件开发的操作系统有很多，但关键是如何选择一个适合开发项目的操作系统，可以从以下几点进行考虑：
        （1）操作系统提供的开发工具。有些实时操作系统只支持该系统供应商的开发工具，因此，还必须从操作系统供应商处获得编译器、调试器等；而有的操作系统应用广泛，且有第三方工具可用，因此选择的余地比较大。
        （2）操作系统向硬件接口移植的难度。操作系统到硬件的移植是一个重要的问题，是关系到整个系统能否按期完工的一个关键因素。因此，要选择那些可移植性程度高的操作系统，以避免因移植带来的种种困难。
        （3）操作系统的内存要求，有些操作系统对内存有较大要求。
        （4）操作系统的可剪裁性、实时性能等。
 
       嵌入式操作系统
               嵌入式操作系统的概念
               嵌入式操作系统是指在嵌入式系统中的操作系统。嵌入式操作系统运行在嵌入式智能芯片环境中，对整个智能芯片以及它所操作、控制的各种部件装置等资源进行统一协调、调度、指挥和控制。
               嵌入式操作系统的特点
               嵌入式操作系统具有占用空间小、执行效率高、方便进行个性化定制和软件要求固化存储等特点。
               （1）微型化。由于硬件平台的局限性，如主存少、字长短、运行速度有限、能源少（用微小型电池）、外部设备和控制对象千变万化，因此，不论从性能还是从成本角度考虑，都不允许它占用很多资源，系统代码量少，应在保证应用功能的前提下，以微型化作为特点来设计嵌入式操作系统的结构与功能。
               （2）可定制。嵌入式操作系统的运行平台多种多样，应用更是千变万化，表现出专业化的特点。从减少成本和缩短研发周期方面考虑，要求它能运行在不同的微处理机平台上，能针对硬件变化进行结构与功能上的配置，以满足不同应用的需要。
               （3）实时性。嵌入式操作系统广泛应用于过程控制、数据采集、传输通信、多媒体信息及一些需要迅速响应的场合，实时响应要求严格，因此实时性是其主要特点之一。
               （4）可靠性。系统构件、模块和体系结构必须达到应有的可靠性，对关键要害应用还要提供容错和防故障措施，以进一步提高可靠性。
               （5）易移植性。为了提高系统的易移植性，通常采用硬件抽象层（Hardware Abstraction Level，HAL）和板级支撑包（Board Support Package，BSP）的底层设计技术。HAL提供了与设备无关的特性，屏蔽了硬件平台的细节和差异，向操作系统上层提供了统一接口，保证了系统的可移植性。
               嵌入式系统开发环境
               嵌入式系统开发环境通常配有源码级可配置的系统模块设计、丰富的同步原语、可选择的调度算法、可选择的主存分配策略、定时器与计数器、多方式中断处理支持、多种异常处理选择、多种通信方式支持、标准C语言库、数学运算库和开放式应用程序接口等。较著名的嵌入式操作系统有Windows CE、VxWorks、pSOS、Palm OS等。
 
       嵌入式软件
        软件实际上是客观世界问题空间与解空间的具体实现，也是人类知识的提炼、抽象和固化。软件是计算机相关的：
        （1）完成预定功能和性能的可执行的指令（计算机程序）序列。
        （2）程序操作的信息或数据结构。
        （3）描述程序操作、数据和使用的文档。
        嵌入式软件是为完成某特定用途而开发的、驻留在预先定义的嵌入式计算机平台上的软件。随着微电子技术飞速发展带来的智能化需求的不断扩展，嵌入式软件无处不在，规模也越来越大。
        近三十年来，随着现代化战争信息化程度的不断提高，随着装备由机械化向信息化的战略转型，军用软件已经渗透到军事应用的各个方面，成为装备及其体系中不可或缺的组成部分，其发展和应用水平代表着一个国家的装备实力。美国国防部在2002年的《国防科学技术领域计划》中就把军用软件设计和改进作为重要研究领域，制定了军用软件发展的近、中、远期目标。2011年，美国政府、国防部、海陆空三军、洛克希德·马丁公司等26个组织组成工作组，专题研究军事装备中软件研制和部署存在的问题，形成《美国国防部与国防工业领域软件工程的重大问题报告》，对军用软件的发展提出建议。这些都说明了军用软件在现代化战争中的重要地位和作用。
        随着飞机机载计算机的广泛使用，机载软件从无到有、规模从小到大、复杂度从低到高。软件负责数据的采集、存储和处理。实时进行各种逻辑判断、数学运算、行为推导、状态转换等处理，帮助飞行员优化各种操作，实现飞行航路计算、姿态控制、环境控制、燃油输送、任务计算、状态监控、信息显示报警、人机界面控制等功能，不夸张地说，飞行员每一个操作、飞机的每一个动作的完成都离不开软件运行。而软件的复杂性、重要性还体现在：
        （1）从计算机理论和技术发展趋势来说，硬件和软件没有明确界限，原来使用硬件实现的功能在尽可能地向软件迁移，技术进步越来越显现在软件方面。
        （2）软件直接和飞机安全功能相关，而且这种相关性越来越高，如电传飞控软件。
        （3）软件的特殊性导致了需要有特殊的规则保证系统的安全性、可靠性。
        与硬件不同，软件至今尚未摆脱手工方式。更严重的是，软件在开发过程中涉及到了各行各业的工作人员，其中包括业务定义人员、系统分析员、系统设计人员、软件架构师、软件工程师、软件测试工程师以及质量工程师等。实际上这些人员中只有软件工程师是专业软件开发人员，其他人员都需要同时具备软件和其他行业的背景。因此与其他行业比较，软件行业具有以下鲜明的特点：
        （1）抽象性：软件直接反映了人的思维逻辑实体，同时几乎没有具体物理实体，且没有明显的制造过程。
        （2）客观问题越来越复杂，软件也随之越来越复杂，而且软件技术的进步速度落后于需求增长的速度。
        （3）相对于通用硬件，软件开发成本昂贵，随着问题规模的加大、成本急剧增加。
        （4）软件运行和使用没有磨损或老化现象。
        （5）软件对硬件和环境有着不同程度的依赖性。
        （6）大多数软件是新开发的，通过已有构件组装技术尚不成熟。
        （7）软件工作结果涉及到许多社会因素。
        以上特点使得软件开发进展情况较难衡量，软件质量不易评价，从而使软件产品的生产管理、过程控制及质量保证都相当困难。
        对于嵌入式软件而言，它除了具有通用软件的一般特性，同时还具有一些与嵌入式系统密切相关的特点。这些特点包括：
        （1）软件受资源的限制。由于嵌入式系统的资源一般比较有限，所以嵌入式软件必须尽可能地精简，才能适应这种状况。
        （2）开发难度大。嵌入式软件的运行环境和开发环境一般比较复杂，从而加大了它的开发难度。首先，由于硬件资源有限，使得嵌入式软件在时间和空间上都受到严格的限制，但要想开发出运行速度快、存储空间少、维护成本低的软件，需要开发人员对编程语言、编译器和操作系统有深刻的了解。其次，嵌入式软件一般都要涉及到底层软件的开发，应用软件的开发也是直接基于操作系统的，这就需要开发人员具有扎实的软、硬件基础，能灵活运用不同的开发手段和工具，具有较丰富的开发经验。最后，对于嵌入式软件来说，它的开发环境与运行环境是不同的。嵌入式软件是在目标系统上运行，但开发工作要在另外的开发系统中进行，当编程人员将应用软件调试无误后，再把它放到目标系统上去。
        （3）实时性和可靠性要求高。实时性是嵌入式系统的一个重要特征，许多嵌入式系统要求具有实时处理的能力，这种实时性主要是靠软件层来体现的。软件对外部事件做出反应的时间必须要快，在某些情况下还要求是确定的、可重复实现的，不管系统当时的内部状态如何，都是可以预测的。同时，对于事件的处理一定要在限定的时间期限之前完成，否则就有可能引起系统的崩溃。例如，火箭飞行控制系统就是实时的，它对飞行数据采集和燃料喷射时机的把握要求非常的准确，否则就难以达到精确控制的目的，从而导致飞行控制的失败。
        与实时性相对应的是可靠性，因为实时系统往往应用在一些比较重要的领域，如航天控制、核电站、工业机器人等等，如果软件出了问题，那么后果是非常严重的，所以要求这种嵌入式软件的可靠性必须非常高。
        （4）要求固化存储。为了提高系统的启动速度、执行速度和可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中，而不是像通常的计算机系统那样，存储在磁盘等载体中。
 
       软件系统
        网络系统软件包括网络操作系统和网络协议等。网络操作系统是指能够控制和管理网络资源的软件，是由多个系统软件组成，在基本系统上有多种配置和选项可供选择，使得用户可根据不同的需要和设备构成最佳组合的互联网络操作系统。网络协议是保证网络中两台设备之间正确传送数据的约定。
 
       实时操作系统
        实时是指计算机对于外来信息能够以足够快的速度进行处理，并在被控对象允许的时间范围内做出快速反应。实时系统对交互能力要求不高，但要求可靠性有保障。为了提高系统的响应时间，对随机发生的外部事件应及时做出响应并对其进行处理。
        实时系统分为实时控制系统和实时信息处理系统。实时控制系统主要用于生产过程的自动控制，例如数据自动采集、武器控制、火炮自动控制、飞机自动驾驶和导弹的制导系统等。实时信息处理系统主要用于实时信息处理，例如飞机订票系统、情报检索系统等。实时系统与分时系统除了应用的环境不同，主要有以下三点区别：
        （1）系统的设计目标不同。分时系统是设计成一个多用户的通用系统，交互能力强；而实时系统大多是专用系统。
        （2）交互性的强弱不同。分时系统是多用户的通用系统，交互能力强；而实时系统是专用系统，仅允许操作并访问有限的专用程序，不能随便修改，且交互能力差。
        （3）响应时间的敏感程度不同。分时系统是以用户能接收的等待时间为系统的设计依据，而实时系统是以被测物体所能接受的延迟为系统设计依据。因此，实时系统对响应时间的敏感程度更强。
 
       体系结构
        RPR的体系结构如下图所示。RPR采用了双环结构，由内层的环1和外层的环0组成，每个环都是单方向传送。相邻工作站之间的跨距包含传送方向相反的两条链路。RPR支持多达255个工作站，最大环周长为2000km。
        
        RPR体系结构
 
       项目计划
        项目计划阶段，监理的主要工作如下。
        （1）对软件计划的相关内容（重点是组织、技术标准、开发计划和进度要求等）、项目计划过程、项目计划组织和文档格式等进行审查，确认是否满足要求。
        （2）给出符合要求的结论。
        （3）确定其可否作为软件开发的前提和依据。
        项目计划监理的基本准则如下。
        （1）承建单位制订了软件项目计划，同时该项目计划通过了正式的评审，软件项目计划对项目组织、进度计划、工程标准进行了承诺，项目的风险分析合理，风险管理方案可行。
        （2）项目的阶段划分是明确的。
 
       虚拟化技术
        虚拟化或虚拟技术（Virtualization）是一种资源管理技术，是将计算机的各种实体资源（CPU、内存、磁盘空间、网络适配器等）予以抽象、转换后呈现出来，并可供分割、组合为一个或多个电脑配置环境。云计算中的虚拟化往往指的是系统虚拟化。
        系统虚拟化是指将一台物理计算机系统虚拟化为一台或多台虚拟计算机系统。每个虚拟计算机系统（简称虚拟机）都拥有自己的虚拟硬件（如CPU、内存和设备等），来提供一个独立的虚拟机执行环境，被称为虚拟机监控器（Virtual Machine Monitor，VMM）。虚拟机基本结构如下图所示。
        
        虚拟机结构示意图
        当前主流的虚拟化技术实现结构可以分为三类：Hypervisor模型、宿主模型和混合模型。在Hypervisor模型中，VMM可以看作是一个扩充了虚拟化功能的操作系统，对底层硬件提供物理资源的管理功能，对上层的客户机操作系统提供虚拟环境的创建和管理功能。宿主模型中，VMM作为宿主操作系统独立的内核模块。物理资源由宿主机操作系统管理，VMM提供虚拟化管理。宿主模型和Hypervisor模型的优缺点恰好相反。宿主模型的最大优点是可以充分利用现有操作系统的设备驱动程序以及其他功能，缺点是虚拟化效率较低，安全性取决于宿主操作系统。而Hypervisor模型虚拟化效率高、安全，但是需要自行开发设备驱动和其他一些功能。混合模型集成了上述两类模型的优点。混合模型中，VMM让出大部分I/O设备的控制权，将它们交由一个运行在特权虚拟机中的特权操作系统来控制。因此，混合模型下CPU和内存的虚拟化由VMM负责，而I/O虚拟化由VMM和特权操作系统共同合作完成。
 
       硬件
        硬件是计算机物理设备的总称，也称为硬件设备，通常是电子的、机械的、磁性的或光的元器件或装置，一般分为中央处理器、存储器和输入、输出设备。
 
       用户需求
        收集用户需求是要找出用户需要的重要服务和功能。收集用户需求的机制主要包括与用户群的交流、用户服务和需求归档3个方面。
        收集用户需求最常用的方式有观察和问卷调查、集中访谈、采访关键人物。在整个设计和实施阶段，应始终保持与关键人员之间的交流，以确保网络工程建设不偏离用户需求。
        用户服务表用于表示收集和归档的需求信息，也用来指导管理人员和网络用户进行讨论。
 
       总体设计
        总体设计也被称为概要设计，是系统开发过程中关键的一步。系统的质量及一些整体特性基本上是由这一步的成果所决定的。总体设计的主要任务是完成对系统总体结构和基本框架的设计。系统总体结构设计包括两方面的内容，系统总体布局设计和系统模块化结构设计。
        模块化设计的工作任务包括如下内容。
        .按需求和设计原则将系统划分为若干功能模块。
        .决定每个模块的具体功能和职责。
        .分析和确定模块间的调用关系。
        .确定模块间的信息传递。
        系统总体布局方案包括系统网络拓扑结构设计和系统资源配置设计方案。
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