基于微内核虚拟化技术的高可靠性嵌入式软件平台研究

论文摘要

随着嵌入式系统硬件性能的不断提高和软件功能的日益丰富,系统固有复杂度已经成为提高嵌入式系统可靠性的主要瓶颈。传统的嵌入式软件平台都是单操作系统方案,电子装设备可靠性依赖于所选择的操作系统、应用软件以及硬件平台的可靠性。传统的提高电子装设备可靠性的方法主要有两个:一是通过采用高可靠性实时操作系统和科学设计、严格测试提高应用系统的可靠性;二是采取硬件多余度设计,通过硬件冗余提高电子装设备可靠性。在普通的应用领域上述方法基本上足以解决可靠性问题,但在军事装备领域特别是可靠性要求极高的航空航天等关键领域,随着系统复杂度的不断提高,无论底层操作系统还是之上的应用软件都无法100%的保证系统的可靠性,潜在的BUG并不总是能发现,火星探测器“火星全球勘察者”号的故障就是一个明证。而硬件冗余的方法在一方面通过概率学原理提高可靠性的同时也不可避免的提高了硬件系统的复杂性,同时硬件冗余的方法在一些对空间和重量有严格要求的系统中应用会受到限制。以L4为代表的第二代微内核技术和虚拟化技术的发展和成熟为解决嵌入式系统可靠性问题带来了新的解决方案。充分利用富余的硬件计算和存储资源,通过资源分区、硬件抽象和高效的底层IPC,基于L4微内核的虚拟化技术通过操作系统级冗余,在不增加硬件代价的前提下为大幅度提高系统可靠性提供了技术可能。本文就基于L4微内核虚拟化技术提高系统可靠性,通过军事航空电子装备领域的电子对抗系统个案的模拟实现进行研究和探讨。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 微内核技术
• 1.1.2 虚拟化技术
• 1.1.3 电子对抗系统
• 1.2 基于微内核虚拟化技术的高可靠性嵌入式软件平台概述
• 1.2.1 总体架构
• 1.2.2 该架构在电子对抗系统中的模拟应用
• 1.3 本章小结
• 第2章 嵌入式软件平台技术的发展和现状
• 2.1 嵌入式系统与嵌入式软件平台
• 2.1.1 嵌入式系统
• 2.1.2 嵌入式软件平台
• 2.2 主流嵌入式软件平台方案
• 2.2.1 主流嵌入式软实时操作系统
• 2.2.2 主流实时操作系统
• 2.3 嵌入式软件平台技术的发展和未来
• 2.3.1 软实时、硬实时操作系统的融合和改造
• 2.3.2 虚拟化技术
• 第3章 微内核虚拟化技术的技术特点
• 3.1 微内核技术
• 3.1.1 单核结构操作系统与微内核结构操作系统
• 3.1.2 微内核技术的发展与现状
• 3.2 虚拟化技术
• 3.2.1 虚拟化技术简介
• 3.2.2 几种主流的虚拟化技术
• 3.3 微内核虚拟化的技术优势
• 第4章 基于微内核虚拟化的高可靠性嵌入式软件平台
• 4.1 传统嵌入式平台提高可靠性的方式
• 4.1.1 采用高可靠性实时操作系统，科学设计、严格测试
• 4.1.2 通过硬件冗余提高电子装设备可靠性
• 4.2 基于微内核虚拟化技术的高可靠性嵌入式软件平台
• 4.3 电子对抗系统模型
• 4.4 架构在电子对抗系统中的模拟应用
• 4.5 本章小结
• 第5章 基于微内核虚拟化技术的高可靠性嵌入式软件平台的模拟实现
• 5.1 L4微内核的选型
• 5.1.1 主流L4微内核系统
• 5.2 微内核虚拟化的实现
• 5.2.1 模拟实现的软硬件环境
• 5.2.2 交叉编译工具链的准备
• 5.2.3 SKYEYE模拟器的安装
• 5.2.4 基于微内核的双GUESTOS的实现
• 5.3 电子对抗系统的改造
• 5.3.1 原始系统对象用例图
• 5.3.2 经过改造的系统
• 5.3.3 模拟信号发生器
• 5.3.4 信号识别/威胁判定
• 5.3.5 状态监控通知模块
• 5.3.6 故障判断修复模块
• 5.4 本章小结
• 第6章 总结
• 6.1 基于微内核虚拟化提高系统可靠性是一种可行的方案
• 6.2 高可靠性平台进一步完善和实用化需要做的工作
• 6.2.1 L4微内核代码的审查和安全性证明
• 6.2.2 主流实时操作系统的移植
• 参考文献
• 致谢