试题三 (共25分)

阅读以下嵌入式多核程序设计技术方面的叙述,回答问题1至问题3。

甲公司承担了一项为宇航系统配套生产高性能嵌入式计算机系统的任务,用户要求该系统要具有高速并发处理能力、低功耗、高可靠性,并可以有效地防止系统故障的蔓延。根据用户对本项目的要求,甲公司成立了软/硬件两个项目组,总体设计由硬件组承担,负责高性能嵌入式计算机系统体系结构设计,软件组负责确定软件的技术需求和应用软件开发平台的软件设计工作。

在处理器选型方面,硬件组王工与软件组张工在讨论采用哪种CPU体系结构方面发生争议。目前,流行的处理器结构包括了单核结构、多处理器结构、超线程结构、多核结构、共享Cache的多核结构和超线程技术的多核结构六种,如图3-1所示。

图 3-1 多种处理器结构

【问题1】 (11分)

王工提出,根据用户要求,本嵌入式系统应具有高速并行处理能力,采用多处理器结构比较适合,主要理由是多处理器结构设计简单、可支持多个进程在不同处理器上并发处理;而张工提出,必须分清”多处理器结构”与”多核结构”的优点和缺点,多处理器结构虽然支持多进程的并发处理,但没有直接实现多线程并发执行;多核结构可以直接实现多线程并发执行。要提高应用的并行性就必须利用多个硬件资源的并行工作,建议采用超线程技术的多核结构的处理器。请填写图3-1(f)中的(1)~(8),并用300字以内的文字对上述六种处理器结构的工作原理进行简要描述。

【问题2】(9分)

在本项目中,如果计算机采用了多线程技术实现应用程序的并发操作,程序设计人员将面临多种挑战,其主要原因在于:程序会同时发生多个动作,对这些同时发生的动作以及它们之间的交互进行管理将面临四方面的挑战,即同步、通信、负载均衡和可伸缩性,用200字以内的文字对上述四种挑战进行简要描述,并给出表3-1所述的常用并发程序设计模式的分解方式。

表3-1 常用并行程序设计模式的分解方式

【问题3】(5分)

为了防止系统故障的蔓延,解决应用进程间的相互影响,在超线程技术的多核结构需要选择一种嵌入式操作系统作为本高性能嵌入式计算机系统的运行环境,请用200字以内的文字说明选择的操作系统应具备哪些主要功能。