系统架构设计师 模拟试题 系统架构设计师模拟题1

系统架构设计师模拟题1

【简答题】

某公司承担了一项嵌入式实时控制系统的软件开发任务，其内容是按系统要求的固定的时间序列采集、处理、输出数据，以实现对多个设备的综合控制。系统由硬件和软件组成，硬件由处理机（采用PowerPC603e，主频133MHz）、存储器、定时器、中断控制器、双口存储器（空间大小1024KB）、4路422半双工串口接口（其中两路的频率115200Hz，另两路频率38400Hz）、两路A/D、D/A数模转换器和10路离散量接口组成。

系统的软件需求如下（注：B：字节；s：秒；ms：毫秒）：

（1）系统要求以5ms为周期从双口存储器中采集1024KB的输入数据，处理任务的时间约为1ms；（称为5ms任务）

（2）系统要求以20ms为周期从两路422接口（115200Hz）中采集一定格式的大小为64B的数据，在完成处理（处理时间约为4ms）任务后，分别输出大小为16B的控制命令；（称为20ms任务）

（3）系统要求以60ms为周期从两路422接口（38400Hz）中采集一定数据格式的大小为6B数据，从两路A/D接口采集28位数据，在完成处理（处理时间约为2ms）任务后，分别输出大小为2B的控制命令和一个28位D/A数据，输出8路离散量控制数据；（称为60ms任务）

（4）作为系统的安全监控保障，系统要求在每1s内对系统软硬件状态进行测试并完成系统工作的状态记录工作。该任务共需处理时间是5ms。（称为1s任务）本公司课题组根据用户的硬件环境及软件的需求，就软件的实施方案展开了激烈的讨论，讨论的首要问题就是本系统中软件的运行平台是采用嵌入式实时操作系统还是在裸机上直接开发的方式，李工程师（简称李工）提出了为了保证系统的实时性，应该采用裸机上直接开发的方式，关键部分采用汇编语言编写，而王工程师（简称王工）提出，由于系统将由多种周期的处理任务组成，为了保证系统的可靠性，应该采用商用嵌入式实时操作系统作为本项目的开发基础，经过充分论证，最后李工接受了王工的建议，并申报课题组组长，课题组长同意采用了操作系统的方案，并指出必须尽快对需求的时间性能做出评估。

［问题1］请用450字以内文字简要说明王工提出的采用嵌入式实时操作系统的理由或优点，并说明选择操作系统产品时需要重点考虑其哪些功能与性能？

［问题2］李工和王工通过认真地对需求进行了分析，给出了时间性能评估报告，判定在上述硬件平台上可以满足系统要求。请用300字以内文字简要说明嵌入式实时操作系统中时间性能评估中主要考虑哪几项因素；针对本课题的具体数据，叙述系统的工作时序关系。

［问题3］根据系统需求，请设计出系统的处理流程（按时序），说明所有任务的优先级分配策略，422接口、双口存储器、离散量接口和A/D（D/A）的数据输入／输出方法（中断或查询驱动）及理由。请用350字以内文字简要说明。

1、

答案：

解析：

【问题1】采用嵌入式实时操作系统的主要理由及优点:操作系统提供的任务调度功能,可以有效地管理本系统多周期任务的调度,并且操作系统提供的事件、信号和间的通信机制,可以有效地解决本系统中资源共享中的互斥问题。采用商品化的软件,可提高所开发软件的可靠性,还可简化软件开发成本,提高开发效率。选择嵌入式实时操作系统,主要考虑操作系统以下功能和性能:

（1）任务的上下文切换时间越短越好、中断响应时间越快越好、内核代码占用空间比较小。

（2)操作系统提供的服务接口应较丰富,有利于灵活使用（接口的开放性）。

（3）操作系统对可靠性有较强的保障支持能力。

（4）使用简单,支撑环境配套好,可配置、可剪裁能力强。

【问题2】嵌入式实时系统中时间性能评估主要考虑以下几个因素:(1)系统（操作系统）时间开销,一般不大于整个控制系统运行时间总开销的20%。(2)保证所有任务在规定的时间期限内完成（或进行可调度性评估）。(3)任务的上下文切换时间和中断响应时间。针对本题的具体数据,系统的工作时序关系应该是:系统的最小时间节拍定义为5ms,系统最大工作周期为1s,在每个5ms起点,5ms任务首先运行,占1ms时间,完成后转入处理被终止的任务;如果这个时刻时间到达20ms的起点,则启动20ms任务运行,以此类推,确保在1s周期内所有任务按规定的时间序列执行

【问题3】优先级策略:小周期优先策略。数据输入输出处理方式:422接口适合采用中断方式,主要因为处理机速度远远比数据传输速度快,在采集时不易消耗太多的时间,而查询方式由于存在等待数据时间,消耗处理机时间较大。双口存储器和离散量接口由于是直接访问存储器,采用查询较合适。AD、D/A存在数据的转换时间,应在等待时交出处理机时间（定时查询）。

【简答题】

某公司拟开发一个网络约车调度服务平台，实现基于互联网的出租车预约与管理。公司的系统分析师王工首先进行了需求分析，得到的系统需求列举如下：系统的参与者包括乘客、出租车司机和平台管理员三类；系统能够实现对乘客和出租车司机的信息注册与身份认证等功能，并对乘客的信用信息进行管理，对出租车司机的违章情况进行审核；系统需要与后端的银行支付系统对接，完成支付信息审核、支付信息更新与在线支付等功能；针对乘客发起的每一笔订单，系统需要实现订单发起、提交、跟踪、撤销、支付、完成等业务过程的处理：系统需要以短信、微信和电子邮件多种方式分别为系统中的用户进行事件提醒。

【问题1】请说明微服务架构的优点和缺点。

【问题2】识别并设计微服务是系统开发过程中的一个重要步骤，请对题干需求进行分析，对微服务的种类和包含的业务功能进行归类，完成表1-1中的（1）～（4）。表1-1 微服务名称及所包含业务功能

【问题3】答对4条即可应用网关是实现微服务的主要技术之一，请简述应用网关的作用。

1、

答案：

解析：【问题1】<br/>微服务优点：<br/>（1）每个微服务都很小，这样能聚焦一个指定的业务功能或业务需求。 <br/>（2）微服务能够被小团队单独开发，这个小团队是2到5人的开发人员组成。 <br/>（3）微服务是松耦合的，是有功能意义的服务，无论是在开发阶段或部署阶段都是独立的。 <br/>（4）微服务能使用不同的语言开发。 <br/>（5）去中心化。每个微服务都有自己的存储能力，可以有自己的数据库。也可以有统一数据库。 <br/>微服务缺点：<br/>（1）很难在不采用分布式事务的情况下跨服务实现功能<br/>（2）测试工作更加困难<br/>（3）跨服务实现要求功能要求团队之间的紧密协作<br/>

（4）部署复杂

【问题2】

（1）支付信息审核（2）支付信息更新（3）在线支付（4）订单管理

【问题3】

1、提供统一入口2、可以进行权限身份认证等安全管理3、可以根据流量进行限流4、数据缓存5、性能监控等6、异常重试7、服务降级【简答题】

【说明】某软件公司欲开发一个基于Web2.0的大型社交网络系统。就该系统的数据架构而言，李工决定采用公司熟悉的数据架构，使用通用的商用关系型数据库，系统内部数据采用中央集中方式存储。该系统投入使用后，初期用户数量少，系统运行平稳。6个月后，用户数出现了爆炸式增长，系统暴露出诸多问题，集中表现在：1.用户执行读写操作时，响应时间均变得很慢；2.随着系统功能的扩充，原有数据格式发生变化，又出现新的数据格式，维护困难；3.数据容量很快超过系统原有的设计上限，数据库扩容困难；4.软件系统不断出现宕机，整个系统可用性较差。经过多次会议讨论，公司的邹月平邹工建议采用NoSQL数据库来替代关系数据库，以解决上述问题。但王艳薛工指出NoSQL数据库出现时间不长，在使用上可能存在风险。公司技术人员对NoSQL数据库产品进行了认真测试，最终决定采用NoSQL数据库来替代现有的数据库系统。

【问题1】请比较关系数据库与NoSQL数据的特点，如表4-1所示，以此来说明该系统更适合采用NoSQL数据库。请完成表4-1中的（1）~（5）处空白。表4-1关系数据库与NoSQL数据库特征比较

【问题2】公司最终决定采用邹工的方案，同时配合分布式缓存技术减轻数据库服务器压力，目前有Memcache和Redis两种方案，请从数据类型、持久化和分布式存储三个方面比较两种技术的区别。

1、

答案：

解析：【问题1】<br/>

（1）弱一致性（2）结构化数据（3）高（强）事务性（4）强（5）有限数据

【问题2】

在数据类型方面：Memcache支持简单Key/Value类型，而Redis不仅仅支持简单的k/v类型的数据，同时还提供list，set，hash等数据结构的存储。在持久化方面：Memcache不支持数据持久化，Redis支持支持数据持久化。在分布式存储方面：Memcache服务器需要通过hash一致化来支撑主从结构，而Redis支持多种方式，主从、sentinel、cluster等。【简答题】

【说明】某软件公司拟开发一套电信领域的分布式系统，该系统后台多个功能模块同时运行时的计算负载较大，且需要控制不同的特定电信硬件设备，由于硬件体积和I/O端口冲突等原因，这些设备需要分散安装在多个不同计算机系统中。该系统上线运行后将为企业最终用户提供7×24小时的不间断服务，而用户的单次接入服务往往需要后台多个模块共同协作完成。基于上述原因，该系统后台软件模块需分布在局域网内的多台计算机上。项目组决定基于ISO的开放分布进程(ODP)规范来进行系统架构的设计与开发，近期项目组召开了多次会议，对架构设计阶段的关键问题进行了讨论分析。

【问题1】ODP从5个标准的视点组织分析系统的架构，这些视点描述了同一系统的不同重要方面，请根据图中不同视点所关注的核心内容，将备选的架构视点填入图中的(1)～(5)。

备选答案：技术选择架构、企业业务架构、分布式工程架构、计算接口架构、逻辑信息架构<br/>

【问题2】在技术选择架构规划时，王工认为系统应基于现有分布式基础设施(分布式中间件)来构建，因为这样可以充分利用现有基础设施提供的各种支撑，在更短时间内构造出质量更高的分布式系统；而李工则认为可基于基本的进程间通信机制自主开发系统的支撑平台，这样可以避免对特定中间件的依赖，项目组经过认真讨论，最终采用了王工的方案。请用400字以内文字，从构件管理支持、互操作支持以及公共服务支持三个方面说明现有分布式基础设施为构建分布式系统所提供的基本支撑。

【问题3】由于系统后台模块的分布式特性，后台分布式对象之间的互操作机制是需要考虑的核心问题之一。下图所示是当前分布式基础设施中支持分布式对象互操作的基本机制，请将相应部件名称填入图中(1)～(2)；基于图给出的结构，用300字以内文字说明完成一次分布式对象调用的详细步骤。

1、【问题1】<br/><p>(1)企业业务架构(2)逻辑信息架构(3)计算接口架构(4)分布式工程架构(5)技术选择架构</p><p>【问题2】</p><p>(1)构件管理支持：现有分布式基础设施一般通过构件容器为构件提供基本的运行环境；具体功能一般包括管理构件的实例及其生命周期、管理构件的元信息等。(2)互操作支持：现有分布式基础设施均提供了高层通信协议以屏蔽节点的物理特性以及各节点在处理器、操作系统、程序设计语言等方面的异构性；基于互操作支持，开发人员在开发与调用分布式对象时，均不需自己编写处理底层通信的代码。(3)公共服务支持：现有分布式基础设施通常将针对分布式软件的通用支持集成于一身，以公共服务的形式提供给应用程序；其提供的常见公共服务包括命名服务、事务服务、安全服务、持久性 服务等。</p><p>【问题3】</p>(1)存根/桩   (2)框架或(1)代理   (2)存根一次远程调用的过程如下：①客户程序将调用请求发送给客户端桩，对于客户程序来说，桩就是服务程序在客户端的代理。②客户端桩负责将远程调用请求进行编组并发送给通信总线。③调用请求经通信总线传送到服务端框架。④服务端框架将调用请求解组并分派给真正的远程对象实现(服务程序)。⑤服务程序完成客户端的调用请求，将结果返回给服务端框架。⑥服务端框架将调用结果编组并发送给通信总线。⑦调用结果经通信总线传送到客户端桩。⑧客户端桩将调用结果解组并返回给客户程序，客户程序得到调用结果。

答案：

解析：

【问题1】本题考查考生对典型分布式系统架构设计相关基础知识的掌握，要求考生了解基于ODP的架构设计过程中不同架构视点所关注的核心工作，充分理解现有分布式基础设施为分布式系统构建提供的各种基本支撑，掌握分布式对象互操作的基本原理与交互过程。

本问题考查考生对ODP架构视点的理解程度。ISO定义的ODP参考模型为分布式计算进程提供了一个基本框架，它定义了分布式系统中包括开放性、整体性、灵活性、可塑性、联合性、可操作管理性、优质服务、安全性和透明性等在内的重要性质。其体系结构视点把抽象的符号或图表(如UML图表)运用到具体的体系结构开发任务中，每个视点有具体的建模目标和系统相关者。

ODP从5个标准的视点组织分析了系统的架构，描述了同一系统的不同重要方面，这些视点包括企业业务架构、逻辑信息架构、计算接口架构、分布式工程架构和技术选择架构。企业业务架构从IT的角度，对企业的业务结构、企业机构与业务的关系、企业内部的关系以及企业与外部机构的关系进行整理定义。

该架构视点关注的核心内容包括业务目标、业务对象和业务策略等。逻辑信息架构标识出系统必须知道什么，这种架构通过一个对象模型来表达，强调定义系统状态的属性。该架构视点关注的核心内容包括信息、对象、信息联合和信息行为等。计算接口架构定义顶层的应用程序接口，这些是完全工程化的子系统边界的接口，这些接口的架构控制对于一个支持变化和控制复杂性的稳定的系统结构来说，是非常重要的。

该架构视点关注的核心内容包括子系统的一致性、应用程序接口和接口行为等。分布式工程架构定义了底层结构的需求，而独立于所选择的技术，它很好地解决了包括物理位置、系统规模可变性和通信服务质量等在内的复杂系统策略。该架构视点关注的核心内容包括软件分配、过程分配和服务质量等。

技术选择架构确定了实际的技术选择，所有其他视点都独立于这些决定，一个系统的选择过程包括初始概念机制的确认、具体机制的标识及最终实际机制的选择。该架构视点关注的核心内容包括概念性机制、具体的机制和实际的机制等。基于上述分析，图中的(1)～(5)应分别填写企业业务架构、逻辑信息架构、计算接口架构、分布式工程架构和技术选择架构。

【问题2】本问题考查考生对现有分布式基础设施的理解。随着软件系统规模与复杂度的不断提高，软件开发过程中复杂度高、开发周期长、可靠性保证难等突出问题并没有得到根本缓解，而分布式软件面临更大的挑战，分布式软件所运行的网络环境具有明显的分布性、开放性、演化性、异构性、并发性等特征，因此分布式软件必须解决互操作、数据交换、分布性、可行性等一系列更复杂的问题。

现有的分布式基础设施典型地为三层/多层结构的分布式软件系统提供各种开发支撑，因为三层结构的分布式软件的核心为中间层，因此支撑主要集中在对中间层开发的支撑上。现有基础设施为分布式软件系统提供的基本支持与分布式软件所运行的网络环境密切相关，具体可归为提供构件运行环境、提供互操作机制与提供公共服务三个方面，基于分布式基础设施提供的支持，可以在更短时间构造出质量更高的分布式系统。

(1)提供构件运行环境：现有分布式基础设施均提供构件化的基本支持，支持方便开发与使用符合特定规范的构件(分布式对象)。中间件一般通过构件容器为构件提供基本的运行环境，具体功能一般包括管理构件的实例及其生命周期、管理构件的元信息等。

(2)提供互操作机制：因为分布式软件跨越了多台计算机，因此跨越网络的交互是每个分布式系统必须解决的首要问题，现有分布式基础设施均集成了早期远程过程/方法调用中间件的功能，提供了很强的高层通信协议以屏蔽节点的物理特性以及各节点在处理器、操作系统等方面的异构性。基于中间件的互操作支持，开发人员在开发与调用分布式对象时，均不需自己编写处理底层通信的代码。

(3)提供公共服务：除了互操作的支持外，现有分布式基础设施将早期各种中间件中针对分布式软件的通用支持集成于一身，以公共服务的形式提供给应用程序。公共服务又称为系统级服务，指由中间件(应用服务器)实现的、应用程序使用的软件系统中共性程度高的功能成分。与应用程序中开发人员开发的构件实现的功能不同，公共服务通常不实现应用系统中具体业务逻辑，而是为具体业务逻辑的实现提供共性的支持，而开发人员开发的构件则实现具体的业务逻辑。常见了公共服务包括命名服务、事务服务、安全服务、持久性 服务等。

【问题3】本问题考查考生对现有分布式对象互操作机制的理解。各种互操作通信协议，包括RPC、IIOP、DCOM通信协议、JRMP、RMI/HOP等，均可以帮助应用程序完成编组与解组等跨越网络通信的底层工作。这些高层通信协议尽管具体的实现细节不尽相同，但是在实现方式上与开发模式上均采用了RPC中相同的通信模型与类似的开发模式，它们采用的通信模型称为存根/框架(也称为桩/框架或代理/存根)结构。

在该结构中，由客户端桩(Stub)替客户端完成与服务端程序交互的具体底层通信工作，客户程序中的远程对象引用实际上是对本地桩的引用；而服务端框架(Skeleton)负责替服务端完成与客户端交互的具体底层通信工作。

由于客户端桩与服务端框架分别位于客户端与服务端程序的进程内，因此开发人员开发客户端与服务端程序时只需分别与本进程内的桩与框架构件交互即可实现与远端的交互，而负责底层通信的客户端桩与服务端框架在开发过程中自动生成而非由开发人员编写，从而为开发人员省去底层通信相关的开发工作。

在存根/框架机制的支撑下，客户程序与分布式对象之间按照以下8个步骤完成一次远程调用：

①客户程序将调用请求发送给客户端桩，对于客户程序来说，桩就是服务程序在客户端的代理。②客户端桩负责将远程调用请求进行编组并发送给通信总线。③调用请求经通信总线传送到服务端框架。④服务端框架将调用请求解组并分派给真正的远程对象实现(服务程序)。⑤服务程序完成客户端的调用请求，将结果返回给服务端框架。⑥服务端框架将调用结果编组并发送给通信总线。⑦调用结果经通信总线传送到客户端桩。⑧客户端桩将调用结果解组并返回给客户程序，客户程序得到调用结果。

【简答题】

【说明】某软件公司拟为某市级公安机关开发一套特种车辆管理与监控系统，以提高特种车辆管理的效率和准确性。在系统需求分析与架构设计阶段，用户提出的部分需求和关键质量属性场景如下：(a)系统用户分为管理员、分管领导和普通民警等三类；(b)正常负载情况下，系统必须在0.5秒内对用户的车辆查询请求进行响应；(c)系统能够抵御99.999%的黑客攻击；(d)系统的用户