一种可生存实时操作系统的研究和实现

论文摘要

可信性作为对系统提供服务的信赖程度,已经成为一个重要的研究课题。操作系统作为计算机系统的重要组成部分,也是可信性研究的主要对象之一。目前,提高计算机操作系统可信性主要从可靠性、容错性等方面入手。生存性是另外一种可用于提高系统可信性的方向,它强调对系统内关键服务和一般服务区别对待。嵌入式实时操作系统作为实时系统的重要组成部分,在各个方面对整个实时系统都产生着重要的影响,要从根本上提高系统的生存性,同样需要操作系统提供一定的可生存机制予以支持。本文从生存性思想出发,旨在设计一种可生存的单处理器实时操作系统。本文借鉴生存性在信息网络系统领域的成果,结合实时系统的特点,研究了单机实时系统的生存性理论,给出了其定义和测定方法。然后在现有技术的基础上,运用冗余和非精确计算模型的思想,分析、设计并实现了一种可生存操作系统的任务管理机制。该任务管理机制将系统内的任务分为关键任务和一般任务,在保障系统内关键任务顺利执行的同时,尽量提高系统效用,并且支持检查点技术以便用一般任务的资源为关键任务提供冗余支持。该机制的设计主要包括两个部分:任务调度和对进程备份恢复的支持。任务调度主要规定了系统如何接收关键任务和一般任务并且确定其相应的执行顺序。文中引入了关键级和优先级两个参数,其中关键级用来区分关键任务与一般任务,优先级用来确定调度先后顺序。系统总是在保障关键任务执行的前提下再考虑调度一般任务。对于系统接收任务的判定,分成了两种情况加以讨论,再用二分查找法寻求近似最优结果。进程的备份恢复可以用于在关键任务执行出错后,回卷到前一检查点并且再次执行,而不必完全从头开始以节约资源。操作系统具有对回卷恢复的支持是非常必要的。根据以上的设计,本文在分析现有Linux系统内核的基础上,讲述了如何将其实现在Linux操作系统上,并进行了移植。最后通过实验分析得出结论,基本达到从整体上提高系统生存性的设计目的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 课题意义
• 1.2 可信性研究现状
• 1.3 生存性研究现状
• 1.4 解决的问题
• 1.5 本文组织
• 第二章 嵌入式实时系统与可信性概述
• 2.1 实时系统概述
• 2.1.1 实时系统定义
• 2.1.2 实时系统的几个重要指标
• 2.1.3 实时任务概述
• 2.1.4 实时调度介绍
• 2.2 嵌入式实时系统可信性
• 2.3 小结
• 第三章 实时系统生存性研究
• 3.1 生存性的产生和发展
• 3.2 生存性与其它安全概念的比较
• 3.3 实时系统生存性的定义
• 3.4 实时系统生存性的测定
• 3.5 增强实时系统生存性的技术
• 3.5.1 冗余、异构技术
• 3.5.2 重新配置技术
• 3.5.3 避错、容错技术
• 3.5.4 异常处理
• 3.5.5 隔离技术
• 3.5.6 恢复技术
• 3.5.7 自适应技术
• 3.6 小结
• 第四章 一种可生存实时操作系统任务管理的设计
• 4.1 整体设计
• 4.2 任务调度
• 4.2.1 非周期任务的映射
• 4.2.2 调度策略
• 4.2.3 任务集合的选择
• 4.3 对进程备份的支持
• 4.4 小结
• 第五章 可生存实时操作系统任务管理的实现
• 5.1 任务调度的实现
• 5.1.1 内核结构
• 5.1.2 主要数据结构与算法
• 5.2 进程备份恢复的实现
• 5.2.1 进程映象的保存和恢复
• 5.2.2 栈的保存和恢复
• 5.2.3 打开文件表的保存和恢复
• 5.2.4 信号处理状态的保存和恢复
• 5.2.5 主要算法
• 5.3 系统移植
• 5.4 小结
• 第六章 实验分析
• 第七章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间的研究成果