实时系统防危技术研究与实现

论文摘要

随着实时计算的功能日益强大,应用成本的逐渐降低,实时计算技术广泛应用于航空航天、交通运输、核电能源和医疗卫生等诸多任务关键实时系统。为减少或防止实时系统发生灾难性事故,研究相关的防危技术十分必要。防危技术是保障实时系统正常运行,防止其发生灾难性事故的主要手段,已成为实时系统研究的热点之一。论文对现有实时系统及其防危技术进行了系统、全面的分析,在此基础上分别对实时系统应用级和操作系统级防危技术进行了研究,设计并实现了基于反射技术的防危核和时空隔离的保护机制。为了降低防危技术对实时系统响应时间的影响,本文还在经典的伙伴系统内存管理算法基础上提出了延迟合并伙伴系统。文中着重对以下几个方面进行探索:1)通过对比分析防危性与可靠性、防危性与安全性之间异同的方式,阐述了防危性的本质所在,为研究、设计防危技术奠定了良好的基础。2)基于实时系统中的多层反射塔模型,将实时系统中的功能性组件和保证可信性的组件利用反射机制分别进行描述和分层。并在OpenC++或Open Java等反射语言不可获得的情况下,提出了一种防危核结构反射式实现新技术。3)根据实时系统的特点设计了一种防危审计系统。通过灵活的审计存储方法,提高了审计信息的可信度;同时,通过审计的两级实时报警和对审计信息的事后分析,提高了审计信息的利用率。同时设计了审计缓存,减少了审计带来的开销。4)深入地分析了现有实时操作系统防危技术,实现了基于时间隔离与空间隔离保护机制构建高防危实时操作系统的思想,其目的是把系统设计缺陷所导致的失效影响控制在一个较小的时空范围内,使实时操作系统在其支撑范围内提供尽可能强的可信防范机制,防止发生灾难性事故。5)在分析经典伙伴系统内存管理算法的基础上,提出并实现了延迟合并的伙伴系统。

论文目录

• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 实时系统及其防危性
• 1.3 研究目的和意义
• 1.4 本论文的来源和完成的主要工作
• 1.5 本文的章节安排
• 第二章 实时系统及其防危技术
• 2.1 实时系统
• 2.1.1 实时系统的组成及其特点
• 2.1.2 实时系统的体系结构
• 2.1.3 实时操作系统
• 2.2 实时系统防危技术
• 2.2.1 防危性与可靠性、安全性之间的异同
• 2.2.2 现有的应用级防危技术
• 2.2.3 现有的操作系统级防危技术
• 2.3 本章小节
• 第三章 基于反射技术的防危核
• 3.1 反射的基本概念
• 3.2 实时系统中的多层反射塔
• 3.2.1 多层反射塔的原理
• 3.2.2 分层反射塔的伪代码实现
• 3.2.3 分层反射塔的优势和缺陷
• 3.3 防危核结构分析
• 3.3.1 通用性需求
• 3.3.2 可替换策略的防危核结构
• 3.4 防危核的设计及在CRTOS II 上的实现
• 3.4.1 总体结构
• 3.4.2 防危代理
• 3.4.3 防危验证模块
• 3.4.4 防危策略数据
• 3.4.5 防危审计模块
• 3.5 防危核示例
• 3.5.1 交通灯原型
• 3.5.2 核反应堆控制原型
• 3.6 测试结果
• 3.6.1 测试环境
• 3.6.2 功能测试
• 3.6.3 时间开销
• 3.6.4 空间开销
• 3.7 本章小节
• 第四章 空间隔离与时间隔离保护机制
• 4.1 实时系统空间隔离与时间隔离的必要性
• 4.2 空间隔离与时间隔离机制的研究现状
• 4.2.1 空间隔离内存保护的现状
• 4.2.2 时间隔离保护机制的现状
• 4.3 空间隔离内存保护方法
• 4.4 空间隔离保护在 CRTOS Ⅱ中的实现
• 4.4.1 总体结构分析
• 4.4.2 空间隔离内存保护的实现
• 4.5 时间隔离保护机制
• 4.5.1 基于两级结构化调度机制的时间隔离模型
• 4.5.2 两级结构化调度模型的实现
• 4.5.3 子系统服务器能力及周期的确定
• 4.5.4 隔离保护区时间片大小的确定
• 4.6 时间隔离保护机制在CRTOS II 上的实现
• 4.6.1 总体设计
• 4.6.2 具体实现
• 4.7 时空隔离保护机制的原型
• 4.8 时空隔离保护机制的性能测评
• 4.8.1 空间隔离保护机制性能测评
• 4.8.2 时间隔离保护机制性能测评
• 4.9 本章小节
• 第五章 延迟合并伙伴系统存储管理机制
• 5.1 实时操作系统内存管理需求分析
• 5.2 现有的内存管理算法
• 5.3 延迟合并伙伴系统存储管理机制
• 5.3.1 对实时性的考虑
• 5.3.2 伙伴系统内存管理算法
• 5.3.3 重要的改进机制
• 5.3.4 算法描述
• 5.3.5 试验结果
• 5.4 本章小节
• 第六章 结束语
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历及在学期间的研究成果