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摘要： 过去,没有人会在购买汽车时考虑它使用了何种操作系统。但随着车联网和自动驾驶的日益普及,汽车离成为"移动数据中心"越来越近。早于2004年,已有人预言汽车将会像智能手机一样,成为供不同软件运行的智能平台。而Linux系统因为属于开源软件,容易被各车厂按需要自行改写,成为多间车厂争相采用的车载操作系统。近日,

关键词： 容器   隔离性   内核日志   pid namespace  

摘要： 随着计算大量向云端迁移,越来越多的计算工作将在数据中心的服务集群上完成。容器技术契合了以应用为中心的时代的需求,被广泛使用在应用的部署当中。容器技术区别于传统的虚拟机技术,没有虚拟的硬件层,所有容器直接共用宿主机的内核。这种结构给容器带来轻量级、快启动、易迁移等优势,但与此同时,也使得容器不可避免地存在系统资源隔离不彻底的缺陷。所以,提升容器的隔离性一直是业界关注的重点。Linux系统的内核日志属于系统全局资源,没有考虑隔离性的需求,导致特权容器对内核日志的访问效果跟主机相同。这种情况明显与容器隔离性的需求相违背,同时也带来了安全隐患。所以需要设计并实现一套内核日志隔离机制来实现对内核日志的隔离,提升容器隔离性。面向容器环境的操作系统内核日志隔离机制旨在解决容器内核日志的隔离问题。其核心设计思想是定义面向隔离的内核日志结构,将进程的pid namespace号作为内核日志的身份标识,并通过Linux进程管理机制实现与容器的关联,而容器和主机等主体对内核日志的读取会根据身份标识的判断结果来进行。在实现了内核日志隔离机制的系统上,内核日志具有与拥有它的容器相关联的身份信息,容器只能读取自身产生的内核日志,不能读取主机及其他容器产生的内核日志,同时主机可以读取所有内核日志。通过功能测试验证了该机制正确实现了设计的隔离功能。同时,性能测试表明运行该机制产生的平均性能开销为2.2%,在允许的范围以内。

关键词： 脑力负荷   遥操作   通讯延时   脑电信号   功率谱  

摘要： 早期的遥操作系统研究大多集中在系统本体上,以实现主端控制命令与远端机器人状态之间的同步作为主要研究内容。但随着人机交互研究的不断深入,操作者的自身特性成为遥操作系统任务完成质量的决定性因素。作为一种典型的人机交互系统,遥操作系统本体中的诸多因素都会对操作者的脑力负荷状态产生影响。而在这些影响因素中,通讯延时作为能够对遥操作系统稳定性和透明性起着决定性作用的因素,对于操作者的影响更是值得关注的。所以,本文从数据挖掘的角度探索遥操作系统中通讯延时的变化对于操作者脑力负荷状态所造成的影响,并对操作者的脑力负荷状态进行分类评价。本文分别从主观测量法、工作测量法以及生理测量法进行脑力负荷的特征提取。主观测量法中,采用NASA-TLX量表分析操作者对于自身功能状态的感受,结果发现操作者在通讯延时更大的操作环境下需要消耗更多的精力才能达到与低延时环境相同的操作表现。工作测量法中,提出有效操作间歇比作为认知任务绩效指标。发现随着通讯延时的不断增加,操作者在执行任务过程中的逻辑意识逐渐模糊,以及其自身的慌乱程度有所增加。生理测量法中,选用时间分辨率更高的脑电信号进行分析。通过计算操作者的脑电能量进行脑地形图的绘制,验证了操作者在通讯延时环境中更加需要额叶脑区的逻辑推理能力。同时,脑电功率谱中高频与低频的比值在逐渐增加,也意味着操作者的工作能力有所下降。除功率谱外,样本熵同样是脑电信号分析中常用的特征指标。结果发现随着通讯延时的增加,脑电信号的复杂度在不断增大,而平稳性在逐渐降低。综上,根据脑力负荷特征指标的变化情况,证实了遥操作系统中通讯延时的增加会使操作者的脑力负荷状态变差。此外,基于单一特征指标可能难以准确评价脑力负荷状态的问题,本文采用主成分分析对各类指标进行特征选择,构建出一种新的综合性得分指标。经过支持向量机的训练分类,该得分指标的正确率高达92%,能够用于评价操作者的脑力负荷状态。本文从人机工效学的角度出发,揭示了遥操作系统中的通讯延时与操作者的脑力负荷状态之间的内在联系。并且,研究结果还适用于选拔优秀的遥操作者、解释人脑处理延时的机制以及评价系统界面设计的有效性等。

关键词： 操作系统设计与实现   对象模型   通信   ARM Cortex-A15  

摘要： 随着计算机硬件和软件的发展,可计算设备变得越来越多样化。现代嵌入式平台在通用处理器的基础上,引入一些异构处理器来加速处理特定的计算任务。通常将通用处理器称为主核,用于特定计算任务的处理器称为从核。计算模型从传统的单机计算转向了多机系统、分布式系统的计算,因此设备间的通信能力以及多机任务之间的协作能力成为了现代计算机系统的基础服务。针对嵌入式设备的通信需求以及多机环境下的任务协作需求,本课题组提出了对象模型,并据此提出了在异构多核平台下工作的对象操作系统概念。本课题的工作是设计并实现运行在主核上的对象操作系统。本课题设计并实现了对象模型,包括对象管理模块、对象总线模块、端口管理模块、异构核间通信模块。对象管理模块定义了对象,描述了对象生命周期管理和调度策略。对象总线模块提供在多机环境下对象的寻址服务,屏蔽本地对象和非本地对象的访问差异。端口管理模块利用对象总线,为上层应用提供对象间通信能力。本课题根据不同的端口类型,设计并实现其内部机制。异构核间通信模块为异构核之间提供通信能力,本课题基于共享内存实现了一个通信协议用于异构核间通信。本课题设计并实现了对象操作系统的基础功能模块,包括内存管理模块、中断管理模块、时钟管理模块和内核服务模块。内存管理模块实现了物理内存的管理机制,包括内存块池管理机制和内存堆管理机制。中断管理模块设计了内核使用的中断接口,并实现了ARMv7处理器版本。时钟管理模块设计并实现了内核的时钟驱动以及软件定时器抽象。内核服务模块为内核其他组件的实现提供基础服务,包括互斥锁、信号量和格式化输出的服务。本课题将该对象操作系统移植到了ARM Cortex-A15处理器上,并且完成了部分AM5708硬件平台的功能移植。本课题最后使用四个综合示例来验证主核对象操作系统功能实现的正确性。本文首先介绍课题的来源和背景,解释本课题的现实意义。接下来本文详细介绍了对象操作系统主核部分需要实现的各个组件以及每个组件存在的作用,列出需要实现的软件任务。本文随后介绍对象操作系统各个模块的内部设计和实现。最后本文给出了基本功能的测试结果,利用四个示例将各个模块的功能综合起来展示系统的实现。

关键词： 国产化   嵌入式操作系统   FTP   Telnet   有限状态机  

摘要： 随着现代计算机科学技术的发展以及互联网技术的进步,全球性信息化社会正在快速地形成,与此同时信息安全对于国家经济发展和社会稳定的重大影响正日益凸显,发展自主可控的国产化操作系统技术已刻不容缓。我国目前主流的嵌入式操作系统大都是从国外引进的,尤其当涉及国家军事、航空航天等重要领域时,安全问题成为重中之重,要时刻警惕外部攻击者会利用操作系统的特权“升级”或者后门程序等技术漏洞绕过系统的安全运行机制,获取用户的隐私和数据。因此,我国对拥有自主知识产权的国产化操作系统的重视和保护程度不断提高。本项目结合某国产操作系统网络协议栈的研发过程,研究该协议栈的远程登录和文件传输模块,主要针对Telnet协议和FTP协议在国产嵌入式操作系统中的设计与应用。首先对国产某操作系统应用层协议以及Socket模块的函数调用接口进行研究与分析,结合SOCKET虚拟化技术在现有网络模型TCP/IP的应用层和传输层之间插入BSD4.4 Socket,完成Telnet协议和FTP协议直接与BSD4.4 Socket进行对接。其次在Telnet协议中设计服务器端可同时产生多线程,针对客户端优化了基于Liunx系统下的有限状态机并设计出简化了选项协商的新状态机,调试通过并应用于国产操作系统;在FTP协议中设计了错误自动调试功能,并对数据的发送函数与接收函数进行优化,使传输速率得到一定的提高。最后实现国产平台的BSD4.4 Socket接口,并采用剥离应用文件的方法,将写好的Telnet协议和FTP协议源代码与BSD4.4 Socket协议结合,实现了国产某嵌入式操作系统的移植。测试部分先在Linux环境下运行成功后,移植到某航天领域的国产化系统环境中进行测试并通过。论文研究和实现的基于国产操作系统的远程登录和文件传输系统,满足了设计要求,达到预期的目标。系统实行内嵌的Telnet协议和FTP协议,为国产化平台提供了更完善的功能,并且具备低功耗,高安全性等特点,最重要的是能达到的自主可控的目的。

关键词： 操作系统   主题设计   壁纸插画   敦煌文化  

摘要： 随着移动网络的发展，以华为为首的国产手机发展迅猛，手机作为信息的载体，已经越来越成为用户不可或缺的一部分。人们对手机界面的舒适和美观程度要求越加多样化，对手机主题的界面探索成为当下非常热门的课题.本文在掌握华为EMUI11手机主题构成和规范的基础上，对敦煌石窟艺术进行研究分析，提取出与手机界面及功能建立起直接或者间接关联的元素，对这些元素进行加工处理，经过实践创作出一套手机主题。通过将敦煌石窟艺术应用在手机主题设计上，为传统文化的发扬光大提供一个新思路，使传统文化得到更广泛、更有效的传播。　　本文分为5个章节，第1章节阐述了研究背景，通过文献综述和国内外研究现状的分析，确定了研究目的、意义和方法。第2章节概述了手机主题和华为EMUI，对EMUI主题设计的构成和规范进行研究分析。第3章节通过对主题和受众进行分析，确定了主题类型和风格，再通过比对分析确定使用对人眼更友好更直观的HSB色彩模型，建立了整套主题的基础色板。第4章是主题设计的创作实践部分。首先是壁纸插画设计实践，梳理了壁纸插画的设计思路，确定了插画的构图、色板以及传达的意境，绘制完成了桌面壁纸插画和锁屏壁纸插画。其次是主题图标的设计实践，梳理了图标的设计思路，确定了图标的造型和色板，通过绘制完成了图标。最后是其他模块的设计实践，主要包括桌面模块、联系人模块、信息模块、下拉开关模块，设计出切图文件直接通过主题工具替换即可完成主题。第5章的结论是对本次创作实践的总结和展望，至此完成本课题。

关键词： 虚拟机   环境感知   指令语义分析   环境探测   操作系统  

摘要： 随着网络攻击与防御技术的持续发展，网络攻防博弈不断迭代升级。现如今，大量沙箱系统被用于恶意软件的自动化分析。为避免恶意软件对物理主机造成损害，大多数沙箱分析系统部署在虚拟机环境中，这也给攻击者带来了可乘之机，攻击者通过感知虚拟机环境的存在规避分析，为分析者带来挑战。因此，对虚拟机环境感知技术的研究能紧跟虚拟机规避新技术，促进防御措施的升级，推动网络攻防博弈的迭代演进。　　学术界和工业界对虚拟机环境感知技术已有广泛研究。传统的基于字符串的探测方法使用API查找特定字符串，具有较低的隐蔽性和通用性，易于被分析系统检测和防御，对抗性差;传统的基于时间的探测方法上下文复杂，只适用于探测特定环境的虚拟机，探测能力弱;传统的基于指令语义的探测方法需要在物理机和虚拟机中运行大量测试样例并收集执行信息，实现复杂且引入极大的性能开销。综上所述，这些方法无法同时满足:1）能准确探测多种虚拟机环境;2)性能开销小;3）探测行为不易被分析系统发现或防御。为应对上述挑战，本文提出了新颖的指标筛选方法FindPiDicators，选出具有较强探测能力的特征信息。首先通过研究指令执行语义与虚拟机环境感知的关系，明确指令执行的语义信息中更有效的虚拟机探测指标;接着对指令执行语义与其他外部因素（如硬件环境、虚拟机平台）的关系展开深入研究，筛选探测能力更稳定的测试样例。在FindPiDicators的基础上，本文设计了轻量级的探测指标集合PiDicators，作为本文探测虚拟机环境的特征信息。此外，本文基于PiDicators提出两种虚拟机环境探测方法，并从探测能力、性能开销与对抗性三个方面对PiDicators进行性能测试与评估。　　实验结果表明，PiDicators具有以下优势:1）探测能力强。能够准确的感知多种平台下的虚拟机，且其探测能力不受虚拟化平台，硬件环境和操作系统的影响。2）性能开销小。基于PiDicators的虚拟机环境探测方法收集少量信息，且决策耗时少。3）对抗性强。使用汇编代码提取信息，行为相对隐蔽，且通过修改PiDicators值来对抗此探测行为极具风险和挑战。

关键词： TrustZone技术   双操作系统架构   调度策略   系统安全  

摘要： 近年来,随着嵌入式计算机技术的不断进步,当前如物联网、智能车载系统等热门的应用大多都离不开嵌入式操作系统的支持。但是,嵌入式设备的普及要求如今的嵌入式操作系统不仅要能够拥有稳定且快速的实时响应能力,还要在运行过程中为用户提供丰富的系统功能。除此之外,嵌入式操作系统的安全性也需要得到一定程度的保证。然而传统的嵌入式操作系统架构很难同时具备上述所有特性,因此,双操作系统架构成为了当前较为热门的研究方向。本文研究并实现了基于TrustZone技术的双操作系统架构,其主要内容如下:(1)对ARMv8处理器和TrustZone技术进行研究。重点对TrustZone技术的工作原理、架构扩展和软件支持进行了研究。(2)基于TrustZone技术在飞腾2000/4处理器平台上研究并实现了双操作系统架构。其中安全域内运行锐华嵌入式实时操作系统,普通域内运行Linux通用操作系统。完成了该架构内锐华操作系统的相关配置以及中断系统、环境间切换的改进。(3)为解决双操作系统架构中通用操作系统性能损失严重的问题,本文基于混合关键度系统的调度算法,采用了固定优先级与时间片轮转相结合的调度策略。该调度策略既可以保证安全域中锐华操作系统的实时性,又可以在双系统架构下提升Linux操作系统的运行性能。实验表明,该架构既可以为用户提供丰富的系统服务,又可以尽可能保证关键系统内的实时任务能够安全地正确运行。

关键词： 机械臂系统   遥操作   执行器饱和   有限时间控制   传输延迟  

摘要： 随着科技的快速发展,遥操作机械臂系统已经广泛应用于各种环境中,例如太空探索,考古探索,深矿挖掘,核工厂检测和远程手术等。对于遥操作控制系统,其最重要的性能要求是稳定性和透明性,但由于机械臂关节内部结构的复杂性及工作环境的不确定性,导致机械臂是一个典型的非线性、强耦合、时变不确定的系统,同时在快速操作机械臂时会导致执行器发生饱和,这些问题严重影响了遥操作系统的稳定性和透明性,为了达到良好的性能指标要求,研究遥操作系统模型不确定、执行器饱和等情况下的控制问题显得尤为重要。本文主要针对机械臂遥操作控制系统存在的通信时延问题、执行器饱和问题以及模型存在不确定性的情况进行研究,提出了一种有限时间控制方法。本文的主要研究内容如下:1)针对参数未知的单个机械臂执行器饱和与受到未知扰动问题,提出一种自适应有限时间跟踪控制算法,使机械臂能够以任意小的精度跟踪给定轨迹。引入未知的饱和因子描述执行器饱和,并设计自适应律辨识饱和因子对执行器饱和进行补偿;利用权值自适应的径向基神经网络(Radial Basic Function Neural Networks,RBFNN)逼近机械臂的逆动力学解以及未知扰动;提出一种非奇异快速终端滑模控制器,使机械臂能够在有限时间内跟踪给定轨迹。通过对Geomagic Touch机械臂进行仿真验证所设计控制律的有效性,并建立实物实验平台,进一步在实物机械臂上验证所设计的算法。2)考虑遥操作系统的信息传输时延、执行器饱和以及从端环境未知的情况,利用非奇异快速终端滑模控制器,实现了遥操作系统的有限时间双边控制。为解决执行器饱和问题,引入未知的饱和因子描述执行器饱和,并设计自适应律辨识饱和因子对执行器饱和进行补偿;为了解决信息传输时延,利用滤波器在从端设计了参考轨迹生成器,解决主端到从端延迟问题;从端环境力是通过通用的RBF神经网络建模获取的,其值通过传输通道传送到主端,给主操作者提供力反馈,以保证系统透明性;在主从两端基于RBFNN,设计非奇异快速终端滑模控制器,实现了主从两端位置跟踪与速度跟踪,保证了遥操作系统在有限时间内达到双边稳定。通过仿真实例证明所设计算法良好的跟踪能力。最后建立遥操作实物平台,在实物平台上进行实验,实现了对两台Gemomagic Touch机械臂双关节的遥操作控制。