面向CPS节点操作系统的模块加载方法的研究与设计

摘要

CPS(信息物理融合系统)是随着计算技术，控制技术等迅速发展起来的新一代系统，它是建立在嵌入式计算，无线传感器网络基础上的，具有广泛的应用前景。CPS系统已经成为很多国家和高校的研究热点，其中CPS节点操作系统是研究的一个重要方向。在传感器节点工作的过程中，有时需要对操作系统的应用程序进行替换或者更新，因此研究并设计满足节点操作系统需求的模块加载方法，是构建节点操作系统的基础。
　　本文在参考了大量文献资料的基础上，对无线传感器网络进行了详细分析，并且基于CPS节点操作系统的需求，提出了节点操作系统的模块加载方法的研究目标为:实时性、可靠性、可扩展性、灵活性。为了提高灵活性和可扩展性等，本文设计了可加载模块和动态链接方法，结合CPS节点操作系统的特点，将应用程序编译成可加载模块，并且在加载时进行动态链接，以便灵活、高效地进行模块加载。
　　本文首先深入分析了典型的模块加载方法，在此基础上对可加载模块，模块加载技术和模块间通信方法进行了深入地研究。其次，在分析了标准ELF文件格式的基础上，设计了压缩ELF—CELF文件格式，在CELF中对ELF数据结构进行压缩，对符号表、重定位表等进行精简，并删除一些无用的节;需要加载的模块都要编译成CELF文件格式。再次，对模块的动态链接和模块间通信进行了详细设计，动态链接保证了操作系统的灵活性;在模块加载完成后，通过模块与内核之间的通信，模块与模块之间的通信保证了各个模块之间的协调工作，进而保证操作系统的正常工作，以及操作系统的可靠性。最后，通过理论分析和仿真实验对本文所设计的模块加载方法进行了验证，证明本文设计的模块加载方法基本满足了设计目标和CPS节点操作系统的需要，具有进一步研究和应用的价值。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景和意义

1．2 国内外研究发展现状

1．3 本文主要工作

1．4 本文组织结构

第2章 相关技术概述

2．1 CPS系统

2．1．1 CPS系统特点

2．1．2 CPS系统面临的挑战

2．2 无线传感器网络

2．2．1 无线传感器网络概述

2．2．2 无线传感器网络节点

2．2．3 传感器节点受限的资源

2．2．4 无线传感器节点操作系统

2．3 远程重编程技术

2．3．1 远程重编程软件更新分类

2．3．2 远程重编程的实时性分析

2．4 模块加载技术

2．4．1 全镜像替换

2．4．2 基于差异的方法

2．4．3 位置无关代码

2．4．4 虚拟机

2．5 本章小结

第3章 节点端模块加载的研究与设计

3．1 模块加载需求分析

3．2 模块加载方法的研究

3．2．1 典型的模块加载方法

3．2．2 模块加载的研究

3．3 模块加载方法设计

3．3．1 可加载模块设计

3．3．2 模块加载设计

3．4 模块通信

3．4．1 模块与内核之间的通信

3．4．2 模块与模块间通信

3．5 本章小结

第4章 节点端模块加载的实现

4．1 模块加载和卸载的步骤

4．1．1 静态加载

4．1．2 动态加载

4．1．3 模块卸载

4．2 模块加载的属性

4．2．1 模块加载的时间属性

4．2．2 模块加载的能耗属性

4．3 模块加载遇到的问题

4．3．1 内存空间不足

4．3．2 模块加载失败

4．4 本章小结

第5章 模块加载测试与分析

5．1 测试环境

5．2 模块尺寸

5．3 模块加载时间开销

5．4 模块加载内存消耗

5．5 模块加载的能量开销

5．6 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 论文总结

6．2 展望

参考文献

致谢