Экзаменационные вопросы (2015)

Вопросы по курсу«Архитектура управляющих систем реального времени»(осенний семестр 2015 г.)Лекция 1. Введение в информационно-управляющие системы реального времени (ИУС РВ).1. Состав ИУС РВ, основные виды устройств в составе ИУС РВ. Функции и специфика работыИУС РВ. Реагирующие системы. Градации требований реального времени.2. Развитие архитектуры ИУС РВ.

Неоднородность ИУС РВ по типам каналов, устройств,данных.Лекция 2. Динамическое планирование вычислений и оценка планируемости (часть 1)3. Динамическое планирование задач в ИУС РВ. Схемы планирования Rate Monotonic(фиксированные приоритеты) и Earliest Deadline First (динамические приоритеты). Условияпланируемости наборов задач при директивных сроках, равных периодам.4.

Оценка времени отклика задач для схемы RM при директивных сроках, не превышающихпериоды; её использование для анализа планируемости наборов задач. Схема обоснованияформул для оценки времени отклика.5. Апериодические и спорадические задачи, их обработка при динамическом планировании.Серверы процессорного времени. Схема назначения приоритетов Deadline Monotonic,обоснование её оптимальности.Лекция 3. Динамическое планирование вычислений и оценка планируемости (часть 2)6.

Критические секции. Инверсия приоритетов, пример Mars Pathfinder. Схемы наследованияприоритета и потолка приоритета.7. Критерий потребности в процессорном времени (processor demand) для оценки планируемостизадач в схеме EDF. Схема обоснования этого критерия.8. Джиттер (флуктуация задержки) при динамическом планировании. Виды джиттера, подходык его минимизации. Сравнение схем RM и EDF с точки зрения джиттера.

Планирование задачбез вытеснения: преимущества и недостатки, использование для борьбы с джиттером.9. Планирование вычислений при перегрузке системы. Особенности работы схем RM и EDF вусловиях перегрузки. Схема компенсации перегрузки на основе растяжимых («эластичных»)периодов задач.Лекция 4. Статико-динамическое планирование вычислений в системах интегрированноймодульной авионики10.

Архитектура интегрированной модульной авионики (ИМА), её отличия от федеративнойархитектуры ИУС РВ. Организация программного обеспечения в системах ИМА: разделы,информационное взаимодействие между разделами и внутри разделов. Схема статикодинамического выполнения задач в системах ИМА.11. Задача планирования вычислений в системах ИМА. Жадный алгоритм привязки разделов кпроцессорным ядрам. Алгоритм построения набора окон. Роль модели вычислительнойсистемы при планировании вычислений в системе ИМА, схема работы модели. Проблемаиспользования только наихудших оценок времени выполнения задач.Лекция 5. Процессоры в ИУС РВ12. Ограничения на процессоры в ИУС РВ, источники этих ограничений.

Проблемы примененияв ИУС РВ высокопроизводительных процессоров общего назначения («настольных»,«серверных»). Примеры специализации процессоров: мультимедийные команды,специализированные регистры, множественные банки и шины памяти, устройствавычисления адресов, адресация по модулю.13. Специализированные процессоры: микроконтроллеры, процессоры цифровой обработкисигналов (DSP), процессоры с длинным командным словом (VLIW). Проблема загрузкиресурсов VLIW-процессора. Программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС,FPGA), их структура и принцип применения.

Специализированные микросхемы (ASIC), нишадля их рационального применения.14. Проблема энергопотребления вычислительной системы, актуальность этой проблемы дляИУС РВ. Связь между мощностью и энергопотреблением; основания для минимизациикаждой из этих характеристик системы. Связь между частотой работы процессора,напряжением питания и затратами энергии на такт работы. Использование параллелизма дляснижения энергопотребления (конвейер, множественные устройства, VLIW-архитектура).15.

Динамическая регулировка напряжения процессора. Выбор оптимального напряженияпитания (на примере). Алгоритм YDS планирования вычислений с минимизациейэнергопотребления за счёт регулировки напряжения питания. Динамическое управлениепитанием; характер вычислительной нагрузки, при котором эффективна эта технология.Лекция 6а. Оценка наихудшего времени выполнения программ (WCET)16.

Понятие WCET. Актуальность WCET для анализа времени отклика задач в ИУС РВ.Типичное распределение времён выполнения программы на различных данных. Требования коценке WCET. Проблемы при оценке WCET методом замеров. Два основных фактора,определяющих WCET. Зависимость длительности выполнения пути в программе отдлительностей команд, входящих в путь (для простой и для реалистичной архитектуры).17. Фазы анализа WCET. Анализ потоков. Оценка числа итераций циклов, выявлениенедопустимых путей.

Использование абстрактной интерпретации. Аннотирование кода дляподдержки анализа WCET – для простейшей и для реалистичной архитектуры процессора.18. Фазы анализа WCET. Низкоуровневый анализ. Проблемы моделирования временныххарактеристик аппаратуры, важность предсказуемости задержек от аппаратуры.

Анализвлияния конвейера, отражение результатов анализа на графе потока управления. Анализвлияния кэш-памяти. Актуальность совместного анализа влияния конвейера и кэш-памяти навремя выполнения участков кода.19. Фазы анализа WCET. Вычисление оценки WCET. Методы расчета WCET:по синтаксическому дереву программы; по путям выполнения; метод неявного переборапутей.Лекция 6б. Оптимизация наихудшего времени выполнения программ (WCET),измерение WCET20. Критичность временной предсказуемости функционирования ИУС РВ.

Критериипроизводительности для систем реального времени и «обычных» вычислительных систем.Линеаризация кода. Предикатное выполнение команд и его использование для линеаризациикода. Свойства линейного кода (с точки зрения сложности анализа и производительности).Обеспечение константного времени выполнения линейного кода. Общая схема оптимизацииWCET на этапе компиляции. Проблема изменения наихудшего пути в результатеоптимизации.21. Измерение WCET: в каких случаях это допустимо? Схема оценки WCET с помощьюизмерений, основные методы инструментирования систем для оценки WCET.

Оценка WCETкак оптимизационная задача. Применение эволюционных алгоритмов для оценки WCET.Безопасность получаемых оценок.Лекция 7. Архитектура вычислительных блоков ИУС РВ22. Технологические ограничения на вычислительные блоки ИУС РВ, источники этихограничений. Характеристики однопроцессорных центральных ЭВМ на примере марсоходов.Мезонинная архитектура одноплатных компьютеров. Пример системы из однопроцессорныхблоков со слабой интеграцией.23.

Шина VME. Роли модулей на шине VME. Процедура передачи данных по шине VME.Механизмы прерываний и блочной передачи данных на шине VME. Недостатки шины VME.Стандарт VPX как путь к устранению этих недостатков.24. Интегрированная модульная авионика (ИМА). Архитектура систем ИМА, преимущества этойархитектуры. Шина данных и сервисная шина в системах ИМА. Примеры модулей в системахИМА.Лекция 8. Каналы с централизованным управлением25. Схема функционирования канала с централизованным управлением и роли устройств на нём.Преимущества схемы с централизованным управлением. Канал MIL STD-1553B и егоиспользование на Международной космической станции. Эволюция стандарта MIL STD1553B: каналы EBR-1553, MIL STD-1760, STANAG 3910.

Организация обмена сцентрализованным управлением на шине CAN.26. Задача построения расписания выполнения работ в одноприборном устройстве. Задачапостроения расписания передачи сообщений по шине с централизованным управлением.Технологические ограничения на обмен для схемы с подциклами и схемы без подциклов.Жадный алгоритм построения расписания передачи сообщений, основные недостатки этогоалгоритма. САПР циклограмм: основные функции, схема процесса применения.27. Кольцо с арбитражем Fibre Channel, схема его функционирования. Процедура арбитража.Протокол FC-AE-1553 и его использование для работы унаследованных устройств,поддерживающих протокол MIL STD-1553B.28.

Задача совместного планирования вычислений и обмена по каналу с централизованнымуправлением. Подходы к решению этой задачи. Жадный алгоритм совместного планирования,в т.ч. решение проблемы зависимости длительности передачи сообщений от привязки задачиотправителя и задачи-получателя к абонентам канала.Лекция 9.

Коммутируемые сети29. Недостатки каналов точка-точка при использовании в ИУС РВ. Подход к устранению этихнедостатков при помощи мультиплексных каналов, недостатки этого подхода. Организациясети ИУС РВ на основе коммутаторов. Преимущества и недостатки такой организации.Устранение недостатков за счёт поддержки виртуальных каналов.30. Сети на основе стандарта AFDX: архитектура, стек протоколов, маршрутизация потоковданных.

Параметры виртуальных каналов AFDX. Формирование трафика AFDX на оконечнойсистеме, контроль трафика на коммутаторе.31. Задачи проектирования сети AFDX. Оценка длительности передачи кадра через сеть AFDX.Профиль Fibre Channel реального времени, его сходства и отличия от протокола AFDX.32. Перспективы применения программно-конфигурируемых сетей (ПКС) в ИУС РВ. Выбормежду активным и пассивным режимом. Функциональность приложения управлениятрафиком для контроллера ПКС в ИУС РВ. Ниша для применения ПКС в ИУС РВ.Лекция 10. Обеспечение отказоустойчивости в ИУС РВ33. Понятия неисправности, ошибки и отказа; связь между ними.

Классификация неисправностей.Шаги противодействия неисправностям. Общие принципы построения отказоустойчивыхсистем.34. Аппаратные,программныеипрограммно-аппаратныеметодыобеспеченияотказоустойчивости ИУС РВ. Бортовая ИУС космического челнока как пример использованияМОО.Лекция 11а. Тестирование и интеграция ИУС РВ35. Требования к средствам тестирования ИУС РВ. Архитектура стенда тестирования ИУС.Задачи, требующие работы с натурными устройствами ИУС на стенде. Аппаратная базастенда. Примеры стендов, построенных по разработанной архитектуре. Процесс совместногоприменения стендов для отработки бортовых ИУС РВ.36. Основные понятия языка описания тестов (ЯОТ), используемого на стенде.

Тестовыекомпоненты, интерфейсы, сообщения, битовые поля, тестовые случаи, тестовые шаги.Типовая организация тестового шага. Взаимодействие с пользователем при интерактивномтестировании. Протокол тестирования, его содержание и назначение. Процедура подготовки ипроведения тестирования.Лекция 11б. Мониторинг обмена данными в ИУС РВ37.

Уровни информационного обмена по каналам в ИУС РВ. Способы подключения монитора кканалам различной топологии. Задачи мониторинга на различных уровнях: физическом,канальном, логическом. Средства мониторинга обмена по каналам в ИУС РВ наперечисленных уровнях.38. Мониторинг межзадачного обмена в ИУС РВ. Инструментирование ПО ИУС РВ длявыполнения мониторинга, негативное влияние инструментирования на точность наблюдений.Виды представления информации: снимки, трасса.

Примеры системной информации,доступной для мониторинга.Лекция 12. Жизненный цикл ПО ИУС РВ и инструментальные средства его поддержки39. V-образный жизненный цикл ПО ИУС РВ. Основные процессы жизненного цикла постандарту DO-178B.40. Фазы жизненного цикла ПО ИУС РВ. Соотношение фаз и процессов жизненного цикла.Основные вехи жизненного цикла ПО по стандарту DO-178B и их место в рамкахV-образного жизненного цикла.41. Средства поддержки разработки требований, примеры требований к ИУС РВ. Средстваверсионного и конфигурационного контроля.

Древовидная структура версий. Средстваотслеживания проблем и изменений. Жизненный цикл сообщения о проблеме.42. Средства поддержки сопряжения подсистем ПО ИУС РВ. Средства автоматизациипроектирования индикационных форматов. Средства проектирования алгоритмов бортовогоПО. Отладка ПО ИУС РВ на реальном блоке ИУС. Общие требования к построениютехнологической цепочки средств поддержки жизненного цикла ПО ИУС РВ..