2016架构三
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】
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。
【问题1我的解答】
实时系统是进程之间能够没有延迟或在较短延迟的情况下，完成进行之间异步数据交换的系统。
实时系统的特点：可靠性强，异步通信延迟率低的特点
【问题2我的解答】
1）强
2）时间触发
3）事件触发
4）周期
5）零星
6）非周期
7）输入激励
8）输出激励
【问题3我的解答】
1）测试人员产生
2）用户使用产生
3）用户使用产生
4）编译开发时
5）系统测试时
6）发布运行时
【问题1标准答案】
实时系统是指向系统发出一条指令之后，在一个极短的时间内，系统回复结果。
实时系统的特征：
1）时间约束性
2）可预测性
3）可靠性
4）与外部环境的交互作用性
5）多任务类型
6）约束的复杂性
7）具有短暂超载的特征
【问题2标准答案】
1）强
2）时间响应
3）时间明确
4）时限/反应时间
5）输入输出激励
6）周期/零星/非周期
7）时间触发
8）事件触发
【问题3标准答案】
软件错误：是指在软件的生存期内的不希望或者是不可接受的人为错误，其结果是导致软件缺陷的产生。
软件缺陷：存在于软件（文档，数据，程序）之中的那些不希望或者不可接受的偏差。
软件故障：是指软件运行过程中产生的一种不希望或不可接受的内部状态。
软件失效：是指在软件运行过程中产生的一种不期望或不可接受的外部行为结果。
1）存在
2）引起
3）用户经历
4）在开发过程中
5）在产品中
6）在运行时
【解析】
实时系统的特性包括：
一、时间约束性
实时系统的任务具有一定的时间约束（截止时间）。根据截止时间，实时系统的实时性分为“硬实时”和“软实时”。硬实时是指应用的时间需求能够得到完全满足，否则就造成重大安全事故，甚至造成重大的生命财产损失和生态破坏，如在航空航天、军事、核工业等一些关键领域中的应用。软实时是指某些应用虽然提出时间需求，但实时任务偶尔违反这种需求对系统运行及环境不会造成严重影响，如监控系统等和信息采集系统等。
二、可预测性
可预测性是指系统能够对实时任务的执行时间进行判断，确定是否能够满足任务的时限要求。由于实时系统对时间约束要求的严格性，使可预测性称为实时系统的一项重要性能要求。除了要求硬件延迟的可预测性以外，还要求软件系统的可预测性，包括 应用程序的 响应时间是可预测的，即在有限的时间内完成必须的工作；以及 操作系统的可预测性，即实时原语、调度函数等运行开销应是有界的，以保证应用程序执行时间的有界性。
三、可靠性
大多数实时系统要求有较高的 可靠性。在一些重要的实时应用中，任何不可靠因素和计算机的一个微小故障，或某些特定强实时任务（又叫关键任务）超过时限，都可能引起难以预测的严重后果。为此，系统需要采用 静态分析和保留资源的方法及冗余配置，使系统在最坏情况下都能正常工作或避免损失。可靠性已成为衡量实时系统性能不可缺少的重要指标。
四、与外部环境的交互作用性
实时系统通常运行在一定的环境下，外部环境是实时系统不可缺少的一个组成部分。计算机子系统一般是控制系统，它必须在规定的时间内对外部请求做出反应。外部物理环境往往是被控子系统，两者互相作用构成完整的实时系统。大多数控制子系统必须连续运转以保证子系统的正常工作或准备对任何异常行为采取行动。
五、多任务类型
在实时系统中，不但包括周期任务、偶发任务、非周期任务，还包括非实时任务。实时任务要求要满足时限，而非实时任务要求要使其 响应时间尽可能的短。多种类型任务的混合，使系统的可调度性分析更加困难。
六、约束的复杂性
任务的约束包括时间约束、资源约束、执行顺序约束和 性能约束。时间约束是任何实时系统都固有的约束。资源约束是指多个实时任务共享有限的资源时，必须按照一定的资源访问控制协议进行同步，以避免死锁和高优先级任务被低优先级任务堵塞的时间（即优先级倒置时间）不可预测。执行顺序约束是指各任务的启动和执行必须满足一定的时间和顺序约束。例如，在分布式端到端（end-to-end）实时系统很重，同一任务的各子任务之间存在前驱/后驱约束关系，需要执行同步协议来管理子任务的启动和控制子任务的执行，使它们满足时间约束和系统可调度要求。性能约束是指必须满足如 可靠性、可用性、可预测性、服务质量Qos等性能指标。
七.具有短暂超载的特点
在实时系统中，即使一个功能设计合理、资源充足的系统也可能由于一下原因超载：
1）系统元件出现老化，外围设备错误或系统发生故障。随着系统运行时间的增长，系统元件出现老化，系统部件可能发生故障，导致系统可用资源降低，不能满足实时任务的时间约束要求。
2）环境的动态变化。由于不能对未来的环境、系统状态进行正确有效地预测，因此不能从整体角度上对任务进行调度，可能导致系统超载。
3）应用规模的扩大。原先满足实时任务时限要求的系统，随着应用规模的增大，可能出现不能满足任务时限要求的情况，而重新设计、重建系统在时间和经济上又不允许。
软件失效的机理可描述为：软件错误→软件缺陷→软件故障→软件失效
1、软件错误：在可以预见的时期内，软件仍将由人来开发。在整个软件生存期的各个阶段，都贯穿者人的直接或间接的干预。然而，人难免犯错误，这必然给软件留下不良的痕迹。软件错误是指在软件生存期内的不希望或不可接受的人为错误，其结果是导致软件缺陷的产生。可见，软件错误是一种人为过程，相对于软件本身，是一种外部行为。
2、软件缺陷：软件缺陷是存在于软件（文档、数据、程序）之中的那些不希望或不可接受的偏差，如少一个逗号、多一语句等。其结果是软件运行于某一特定条件时出现软件故障，这时称软件缺陷被激活。
3、软件故障：软件故障是指软件运行过程中出现的一种不希望或不可接受的内部状态。譬如，软件处于执行一个多余循环过程时，我们说软件出现故障。此时若无时当的措施（容错）加以及时处理，便产生软件失效。显然，软件故障是一种动态行为。
4、软件失效：软件失效是指软件运行时产生 的一种不希望或不可接受的外部行为结果