面向控制领域的微内核系统服务的设计与实现

摘要

随着嵌入式控制领域智能化、联网化、综合化的发展，对嵌入式操作系统的安全性、可靠性、可扩展性、标准化、分布式等方面提出了更高的要求。微内核操作系统以其良好的可扩展性、可靠性和安全隔离等特性，逐渐成为嵌入式操作系统发展的方向。 DeHyp微内核具有第三代微内核的特点，拥有基于Capability的访问控制机制和高效的IPC机制。本文在分析国内外微内核操作系统发展趋势的基础上，通过对DeHyp微内核、嵌入式网络协议栈、可信启动和分区隔离等相关技术的研究，提出面向控制领域的微内核系统服务的构建方案。 本文的工作重点围绕如何基于DeHyp微内核构建面向控制领域的系统服务展开。主要有以下几点： （1）设计了一种面向控制领域的微内核系统服务架构，并针对控制领域系统安全可靠的关键需求，从四个方面实现系统服务的安全性和可靠性：采用基于组件的模块化结构来构建系统服务，每个组件有独立的地址空间，使用内存保护机制实现地址空间的隔离；通过Capability访问控制机制实现组件间的资源访问控制，强化组件隔离性；采用用基于BLP模型的多级安全通信机制以限制组件间信息流的传输，使组件间通信变得安全可控；采用基于完整性度量的静态可信启动机制，用以实现对系统服务组件的安全加载。 （2）实现了组件管理服务。组件管理服务是用户空间权限最高的组件，负责用户空间可用的所有系统资源的管理，包括内存页的分配和回收、服务组件的创建与控制以及中断的处理和传递。另外，它实现了上述的多级安全通信机制和组件静态可信启动机制。组件管理服务通过对外提供调用接口，为应用层组件提供服务。 （3）为了满足网络环境和跨平台的需求，本文提出并实现了一种基于事件驱动的跨平台二进制兼容的服务访问机制——事件服务总线，用于组件间通信。在此基础上，实现基于共享内存的IPC机制，以实现大量数据传输的高效性。 （4）实现了应用层服务组件，包括文件系统服务、网络通信服务以及设备服务等。并以SD存储卡设备为例，详细描述设备服务组件的设计和实现过程。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 课题的研究背景和意义

1.2.1 微内核技术

1.2.2 基于微内核的操作系统发展现状

1.3 研究内容及其主要工作

1.4 本论文的结构安排

第二章 相关关键技术

2.1 微内核技术

2.1.1 微内核技术概述

2.1.2 DeHyp微内核操作系统

2.2 嵌入式网络协议栈

2.2.1 嵌入式网络协议栈简介

2.2.2 LwIP数据包和网络接口管理

2.2.3 LwIP的过程模型

2.2.4 系统模拟层

2.3 嵌入式内存管理

2.3.1 常见嵌入式系统的内存管理

2.3.2 其他内存管理方式

2.4 可信启动机制

2.4.1 可信传递

2.4.2 可信启动

2.4.3 数字证书

2.5.1 分区概念

2.5.2 ARINC653的分区管理

2.6 BLP安全模型

2.7 本章小结

第三章 面向控制领域的微内核系统服务的设计

3.1 设计目标

3.2 设计原则和机制

3.3 微内核系统服务总体结构

3.3.1 组件运行环境层

3.3.2 应用组件层

3.4 系统服务安全性与可靠性设计

3.4.1 组件空间隔离机制

3.4.2 组件资源访问控制

3.4.3 多级安全通信机制

3.4.4 静态可信启动机制

3.5 组件管理服务

3.5.1 组件管理

3.5.2 内存管理

3.5.3 中断处理

3.6 事件服务总线

3.6.1 总线结构

3.6.2 服务原语

3.6.3 通信协议

3.6.4 服务向量表

3.7 应用层服务组件

3.7.1 一般化服务组件

3.7.2 设备服务组件

3.8 系统服务高效性设计

3.9 本章小结

第四章 组件运行环境层的实现

4.1.1 组件管理

4.1.2 内存管理

4.1.3 中断处理

4.1.4 安全可靠性机制

4.2 事件服务总线

4.2.1 服务注册管理数据结构

4.2.2 事件服务总线库

4.2.3 事件服务代理

4.3 本章小结

第五章 应用层服务组件的实现

5.1 文件系统服务组件

5.1.1 FATFS文件系统移植

5.1.2 文件系统服务处理模块

5.2 网络服务组件

5.2.1 LwIP轻量级协议栈移植

5.2.2 网络服务处理模块

5.3 设备服务组件

5.3.1 SD存储卡设备驱动程序

5.3.2 SD卡设备服务处理模块

5.4 本章小结

第六章 系统运行与测试

6.1 测试平台

6.2 组件管理服务功能测试

6.2.1 基础功能测试

6.2.2 组件管理功能测试

6.3.1 组件间通信机制测试

6.3.2 静态可信启动测试

6.4 事件服务总线的远程调用功能测试

6.5 应用层服务组件功能测试

6.5.1 文件系统服务组件功能测试

6.5.2 网络服务功能测试

6.6 性能测试

6.6.1 共享内存IPC的性能测试

6.6.2 文件系统读写性能测试

6.6.3 网络服务性能测试

6.7 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 全文工作总结

7.2 存在问题与不足

7.3 后续工作展望

致谢

参考文献