嵌入式系统内存空间域隔离技术的研究与实现

论文摘要

随着嵌入式系统的普遍应用,如何提高其可靠性已经成为一个重要研究领域。本文从嵌入式系统内存空间域保护的角度出发,借鉴了ARINC653中的时空域隔离思想,设计出了一种具有高可靠性、硬实时性的嵌入式实时操作系统模型,并从以下几个方面对内存空间隔离域技术进行了研究与改进。本文首先剖析了典型的具有时空隔离机制的嵌入式实时操作系统的设计思想。总结出了现有嵌入式系统中常见的内存保护机制和实现方法,并指出了不足之处。其次,在具有MMU的微控制器上改进了基于二级调度模型的实时操作系统内核结构,加入具有实时性的空间域隔离功能模块,防止越界访问,实现任务间的保护功能,并对实现过程中遇到的问题给出了合理的解决方案。最后,实现了基于进程隔离域二级调度模型的实时操作系统内核。此内核在μC/OS-Ⅱ上进行改进,加入了空间域隔离、动态内存分配、隔离域间通信和硬件I/0空间保护功能。通过实验例子证明了此模型的可靠性和实时性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的来源、目的及意义
• 1.1.1 课题的背景
• 1.1.2 本课题的意义和目的
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.2.3 本课题与安全操作系统研究的区别
• 1.3 论文的主要工作
• 1.4 论文的组织结构
• 第2章 内存空间域隔离技术分析
• 2.1 段保护技术
• 2.2 段匹配技术
• 2.3 地址沙箱技术
• 2.4 基于MMU的空间保护技术
• 2.4.1 MMU功能简介
• 2.4.2 现有的硬件空间域隔离方法分析
• 2.4.3 已有基于MMU的内存隔离系统简介
• 2.5 安全域隔离技术
• 2.6 本章小结
• 第3章 基于 MMU的内存空间域隔离模型
• 3.1 内存空间域隔离模型
• 3.2 进程隔离域的定义
• 3.3 进程、线程与进程隔离域的关系
• 3.4 进程隔离域的类型
• 3.5 实现中需要考虑的问题
• 3.5.1 程序代码保护问题
• 3.5.2 代码共享问题
• 3.5.3 跨域通信问题
• 3.5.4 内存使用效率问题
• 3.5.5 I/O空间的保护
• 3.6 内存空间域隔离模型的实现
• 3.6.1 在μC/OS-Ⅱ上实现进程空间域模型需要解决的问题
• 3.6.2 跨域通信机制的实现
• 3.6.3 引入MMU后带来的问题
• 3.6.4 进程隔离功能的实现
• 3.6.5 进程隔离功能的测试
• 3.7 本章小结
• 第4章 空间域动态内存管理与I/O保护的实现
• 4.1 动态内存分配算法分析
• 4.2 TLSF算法介绍
• 4.3 TLSF算法在本系统中使用的局限性
• 4.4 进程隔离域模型中动态内存分配算法的设计
• 4.5 性能测试与分析
• 4.6 硬件I/O空间保护的实现
• 4.6.1 简化的MAC模型
• 4.6.2 MAC信息存放
• 4.6.3 MAC的相关操作
• 4.6.4 硬件I/O空间保护的测评
• 4.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢
• 个人简历
• 附录1 进程隔离域测试代码