試題三 (共25分)

閱讀以下嵌入式多核程序設(shè)計技術(shù)方面的敘述,回答問題1至問題3。

甲公司承擔了一項為宇航系統(tǒng)配套生產(chǎn)高性能嵌入式計算機系統(tǒng)的任務(wù),用戶要求該系統(tǒng)要具有高速并發(fā)處理能力、低功耗、高可靠性,并可以有效地防止系統(tǒng)故障的蔓延。根據(jù)用戶對本項目的要求,甲公司成立了軟/硬件兩個項目組,總體設(shè)計由硬件組承擔,負責高性能嵌入式計算機系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計,軟件組負責確定軟件的技術(shù)需求和應(yīng)用軟件開發(fā)平臺的軟件設(shè)計工作。

在處理器選型方面,硬件組王工與軟件組張工在討論采用哪種CPU體系結(jié)構(gòu)方面發(fā)生爭議。目前,流行的處理器結(jié)構(gòu)包括了單核結(jié)構(gòu)、多處理器結(jié)構(gòu)、超線程結(jié)構(gòu)、多核結(jié)構(gòu)、共享Cache的多核結(jié)構(gòu)和超線程技術(shù)的多核結(jié)構(gòu)六種,如圖3-1所示。

圖 3-1 多種處理器結(jié)構(gòu)

【問題1】 (11分)

王工提出,根據(jù)用戶要求,本嵌入式系統(tǒng)應(yīng)具有高速并行處理能力,采用多處理器結(jié)構(gòu)比較適合,主要理由是多處理器結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單、可支持多個進程在不同處理器上并發(fā)處理;而張工提出,必須分清”多處理器結(jié)構(gòu)”與”多核結(jié)構(gòu)”的優(yōu)點和缺點,多處理器結(jié)構(gòu)雖然支持多進程的并發(fā)處理,但沒有直接實現(xiàn)多線程并發(fā)執(zhí)行;多核結(jié)構(gòu)可以直接實現(xiàn)多線程并發(fā)執(zhí)行。要提高應(yīng)用的并行性就必須利用多個硬件資源的并行工作,建議采用超線程技術(shù)的多核結(jié)構(gòu)的處理器。請?zhí)顚憟D3-1(f)中的(1)~(8),并用300字以內(nèi)的文字對上述六種處理器結(jié)構(gòu)的工作原理進行簡要描述。

【問題2】(9分)

在本項目中,如果計算機采用了多線程技術(shù)實現(xiàn)應(yīng)用程序的并發(fā)操作,程序設(shè)計人員將面臨多種挑戰(zhàn),其主要原因在于:程序會同時發(fā)生多個動作,對這些同時發(fā)生的動作以及它們之間的交互進行管理將面臨四方面的挑戰(zhàn),即同步、通信、負載均衡和可伸縮性,用200字以內(nèi)的文字對上述四種挑戰(zhàn)進行簡要描述,并給出表3-1所述的常用并發(fā)程序設(shè)計模式的分解方式。

表3-1 常用并行程序設(shè)計模式的分解方式

【問題3】(5分)

為了防止系統(tǒng)故障的蔓延,解決應(yīng)用進程間的相互影響,在超線程技術(shù)的多核結(jié)構(gòu)需要選擇一種嵌入式操作系統(tǒng)作為本高性能嵌入式計算機系統(tǒng)的運行環(huán)境,請用200字以內(nèi)的文字說明選擇的操作系統(tǒng)應(yīng)具備哪些主要功能。