多内核构件化嵌入式操作系统的研究

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1、浙江大学博士学位论文多内核构件化嵌入式操作系统的研究姓名：谢铖申请学位级别：博士专业：计算机科学与技术指导教师：石教英20060101摘要随着电子技术的发展，软／硬件资源日益增多，嵌入式系统日益普适化和多样化。嵌入式操作系统除了提供传统实时操作系统的功能之外，还需要根据用户的需求支持许多通用操作系统的功能，包括文件系统、网络协议、用户界面等。许多嵌入式系统还要求操作系统能够支持高性能的多媒体处理和信号处理等应用。此外，越来越多的设备连接到网络环境，安全问题显得日益重要。因此，嵌入式操作系统正面临来自许多方面的困难问题，包括扩展性、实时性、通用性、高效性和安全性等。为了支持这些多样化的应用

2、需求，业内各机构提出了一些解决方案。例如，构件技术主要解决操作系统的扩展性问题，双内核技术主要解决操作系统如何同时满足实时性和通用性的问题。构件技术通过预定义的模块组合，创建复杂的软件系统，是当前主流的开发方式。采用构件化方法设计可配置的操作系统，具有开发时间短、支持构件重用、灵活的可扩展性和良好的可移植性等优点。然而，主流构件技术用于嵌入式操作系统有许多缺点，．如实时性差、代码体积大、运行速度慢等。研究构件化的嵌入式操作系统，需要解决三个关键难题：保证构件化运行环境的高效性；保证对若干重要应用领域的支持，包括信号处理和多媒体处理；保证系统能够同时满足安全性、实时性和通用件。本文针对构件

3、化嵌入式操作系统技术展开深入研究，提出一种多内核操作系统技术，设计并实现了一‘个构件化嵌入式操作系统Pcallel及其构件模型和数据流框架。本文的主要贞献和创新点表现为如下工作：1)提出』，一种多内核操作系统技术(简称多内核技术)：一个操作系统由多个内核以及⋯组实现特定功能的构件组成，可支持多样化的应用；构件按结构分为两类，第一类是在运行时包含所有功能的执行代码的构件，称为功能式构件，第二类是在运行时动态加载外部执行代码的构件，称为框架式构件；内核按职能分为【『Il类，第一类是支持构件之问通用的通信和协同工作的内核，第：类是支持构件之间高性能数据传输和调度的内核，第三类是支持框架式构件之

4、间计算资源的分区的内核，第四类是实现框架式构件运行形式的标准化的操作系统内核。本文采用多内核技术设计和实现了一个构件化嵌入式操作系统PcaneI，它具有五个内核，包括支持构件化运行环境的c．Kemel内核，支持高性能数据流处理的DIKemd内核，支持虚拟化平台smaItVP的V-Kemel内核，以及运行在smanVP上的标准的实时操作系统T-Kemcl内核和通用操作系统Lin慨内核。2)实现了构件模型smanCM，它能保证构件化运行环境的高效性，同时又支持高级功能的可扩展性。支持smaftcM的c-Kemel内核采用徽内核结构；实现线程调度、地址空间管理和同步消息传递功能，并能满足实时的

5、响应。通过对受保护的构件的交互机制进行若干优化，本文基于标准接口定义语言实现了快速的远程方法调用。smancM支持反射机制，帮助用户态的程序对构件模型作进一步扩展和定制。与其它通用构件模型相比，smancM能够极大提高构件的远程方法调用的效率，适用于嵌入式系统。3)实现了数据流框架smanDF，它通过D．Kemel内核支持高性能的多媒体和信号处理应用领域。smanDF实现了一个并发计算模型，提供了基于数据流调度的运行环境。构件向smartDF提供一系列元件。每个元件包含若干计算行为，并通过一组端口与外部运行环境实现交互，因此元件之间是松散组合，很容易实现重用。元件之间的组合关系符合规范的

6、计算模型，包括状态图、离散事件、同步数据流等。smanDF不仅控制元件之间的通信，而且调度元件的计算行为，因此能够高效的支持数据流处理应用。4)扩展了数据流框架SmanE}F，支持多核处理器架构。多核处理器架构代表了一种新的嵌入式硬件平台发展方向，smanDf提供了一个分布式的运行环境，非常适合这种硬件架构。smanDF提出了一个实时的数据流调度模型支持在多核处理器}：并发的周期性的实时数据流处理，它将实时任务的抢占调度转化为对数据流的调度，避免了人量的上下文切换开销，具有很强的实用意义。关键词：多内核技术；构件化嵌入式操作系统；构件模型；远程方法调用；数据流框架；虚拟化平台；可信任计算

7、基；计算模型；多核处理器StudyonMulti—KernelComponent—BasedEmbeddedOperatingSystemXieCheng(ComputerScienceandTechnolo蹦)SupervisedbyProfessorShi，JiaoyingAbs椭ctAlongwitllmepmgressofele吐呲ictechnology，协esoRware卸dhardwareresourceSareiIl