基于人工智能的高可信嵌入式操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊鴻珍 王云燁 吳建偉 浦正國(guó)

摘? 要： 嵌入式操作系統(tǒng)體系架構(gòu)的可信性是保障其穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。文中設(shè)計(jì)基于人工智能的高可信嵌入式操作系統(tǒng)，配置操作系統(tǒng)有效空間與系統(tǒng)資源。依據(jù)任務(wù)安全等級(jí)劃分處理器模塊分區(qū);依據(jù)任務(wù)類型配置分區(qū)屬性分配所需內(nèi)存;依據(jù)分區(qū)任務(wù)從機(jī)器學(xué)習(xí)算法庫(kù)中選取合適機(jī)器學(xué)習(xí)算法，獲取各分區(qū)與主時(shí)間框架內(nèi)的分配策略以及調(diào)度策略;依據(jù)任務(wù)需求配置分區(qū)通信，完成分區(qū)通信配置后配置健康監(jiān)控以及任務(wù)容錯(cuò)實(shí)現(xiàn)人工智能的高可信嵌入式操作系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)在不同任務(wù)數(shù)量時(shí)，操作可信率均高于96%;處理不同類別任務(wù)精準(zhǔn)率以及召回率均高于98%。

關(guān)鍵詞： 高可信; 嵌入式操作系統(tǒng); 人工智能; 系統(tǒng)設(shè)計(jì); 分區(qū)配置; 系統(tǒng)測(cè)試

Abstract： The credibility of system structure in the embedded operating system is the key to ensure its stable operation. A high?credibility embedded operating system based on artificial intelligence is designed， which is configured the effective space and system resources. In the system， the processor module partition is divided according to the task security level， the partition attributes are configured according to the task type to allocate the required memory， and appropriate machine learning algorithms is selected from the machine learning algorithm database according to the task requirement configuration， so as to obtain the allocation strategy and scheduling strategy of each partition within the main time frame; the partition communication is configured according to the task requirements， after which the health monitoring and task fault?tolerant are configured， so as to achieve a high?credibility embedded operating system of artificial intelligence. The experimental results show that the operation credibility rate of the system is beyond 96% with different quantity tasks; the accuracy rate and recall rate for processing different types of tasks are all higher than 98%.

Keywords： high credibility; embedded operating system; artificial intelligence; system design; partition configuration; system testing

0? 引? 言

嵌入式操作系統(tǒng)是固化于硬件里的系統(tǒng)，是嵌入式產(chǎn)品中應(yīng)用較為廣泛的系統(tǒng)軟件。嵌入式操作系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性好、可同時(shí)執(zhí)行多任務(wù)的優(yōu)勢(shì)[1]，并隨著市場(chǎng)產(chǎn)品進(jìn)步而不斷更新。嵌入式操作系統(tǒng)不斷發(fā)展，眾多研究人員將大量高科技技術(shù)應(yīng)用于嵌入式操作系統(tǒng)中[2]，嵌入式操作系統(tǒng)的高可信度是人們選擇產(chǎn)品的重要因素。網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題已經(jīng)成為人類主要關(guān)注的問(wèn)題[3]，嵌入式操作系統(tǒng)可應(yīng)用于航空、軍事等重要安全系統(tǒng)中，若發(fā)生信息泄露等情況，將會(huì)造成嚴(yán)重傷害，因此應(yīng)致力于嵌入式操作系統(tǒng)高可信研究[4]。

人工智能技術(shù)是近年來(lái)興起，被應(yīng)用于眾多領(lǐng)域的高效技術(shù)，人工智能技術(shù)可解決眾多領(lǐng)域中的重要問(wèn)題，具有極高的應(yīng)用性。機(jī)器學(xué)習(xí)算法是人工智能技術(shù)中的重要算法，貝葉斯分類、決策樹分析、遺傳算法以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等都屬于機(jī)器學(xué)習(xí)算法，選擇合適的算法可增加嵌入式操作系統(tǒng)的操作性能[5]。設(shè)計(jì)基于人工智能的高可信嵌入式操作系統(tǒng)，利用眾多機(jī)器學(xué)習(xí)算法建立嵌入式機(jī)器學(xué)習(xí)算法庫(kù)，并通過(guò)信息流控制機(jī)制實(shí)現(xiàn)嵌入式操作系統(tǒng)高可信度，提升嵌入式操作系統(tǒng)可靠性與實(shí)用性，使嵌入式操作系統(tǒng)應(yīng)用于更多領(lǐng)域中。

1? 高可信嵌入式操作系統(tǒng)

1.1? 系統(tǒng)總體框架

所設(shè)計(jì)基于人工智能的高可信嵌入式操作系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

通過(guò)圖1可以看出，所設(shè)計(jì)高可信嵌入式操作系統(tǒng)增設(shè)機(jī)器學(xué)習(xí)算法庫(kù)。系統(tǒng)總體采用分區(qū)結(jié)構(gòu)，利用時(shí)空隔離技術(shù)提升系統(tǒng)安全操作性，利用系統(tǒng)隔離保護(hù)提升系統(tǒng)可靠性[6]。依據(jù)可靠性和功能性需求加入信息流控制機(jī)制，構(gòu)建高可信嵌入式操作系統(tǒng)[7]。

1.2? 機(jī)器學(xué)習(xí)算法庫(kù)

機(jī)器學(xué)習(xí)算法庫(kù)是高可信嵌入式操作系統(tǒng)的人工智能領(lǐng)域組件，為嵌入式操作系統(tǒng)提供機(jī)器學(xué)習(xí)算法支撐[8]。其包括基礎(chǔ)運(yùn)算庫(kù)、通用算法庫(kù)以及領(lǐng)域算法庫(kù)三部分，各部分具體功能如下：基礎(chǔ)算法庫(kù)包括矩陣運(yùn)算與向量運(yùn)算兩個(gè)模塊，其中矩陣運(yùn)算模塊提取不同任務(wù)矩陣基本屬性[9]，重載矩陣運(yùn)算中應(yīng)用頻繁的運(yùn)算符，對(duì)矩陣實(shí)施求逆運(yùn)算，并對(duì)矩陣實(shí)施Cholesky，SVD以及LU和QR分解等操作;向量運(yùn)算模塊提取向量維數(shù)和大小，并重載向量中的加、減、乘等常用的運(yùn)算符。通用算法庫(kù)中的算法可有效調(diào)用基礎(chǔ)運(yùn)算庫(kù)中矩陣與向量運(yùn)算，包含眾多機(jī)器學(xué)習(xí)算法，可服務(wù)于領(lǐng)域應(yīng)用中。

領(lǐng)域算法庫(kù)依據(jù)嵌入式操作系統(tǒng)應(yīng)用類型設(shè)置，通過(guò)通用算法庫(kù)內(nèi)各算法功能實(shí)現(xiàn)相同類型的應(yīng)用算法[10]。

1.3? 信息流控制機(jī)制

高可信嵌入式操作系統(tǒng)中所有訪問(wèn)請(qǐng)求需經(jīng)過(guò)信息流控制機(jī)制授權(quán)與同意，訪問(wèn)請(qǐng)求得以執(zhí)行。通過(guò)信息流控制機(jī)制實(shí)現(xiàn)高可信嵌入式操作系統(tǒng)的可信性。信息流控制機(jī)制結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

利用可信服務(wù)分區(qū)提升系統(tǒng)分區(qū)可信度，可信監(jiān)控器置于用戶模式的客戶模塊中，訪問(wèn)控制模塊置于嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)部。信息流控制機(jī)制需保證各模塊可靠，利用可信驗(yàn)證器保證各模塊可信度。

1.3.1? 可信服務(wù)分區(qū)

可信服務(wù)分區(qū)負(fù)責(zé)管理分區(qū)可信屬性表、可信驗(yàn)證器以及可信功能模塊，提升嵌入式操作系統(tǒng)可信度。

利用可信驗(yàn)證器檢測(cè)各分區(qū)模塊可信度，依據(jù)檢測(cè)結(jié)果將各檢測(cè)模塊標(biāo)記為“可信”與“不可信”。利用可信功能模塊實(shí)現(xiàn)嵌入式操作系統(tǒng)各分區(qū)安全性、可靠性[11]。

1.3.2? 可信監(jiān)控器

嵌入式操作系統(tǒng)各分區(qū)子系統(tǒng)中應(yīng)設(shè)置可信監(jiān)控器，利用可信監(jiān)控器管理與控制各分區(qū)間信息流，并判定各分區(qū)信息流能否滿足系統(tǒng)可信策略需求?？尚疟O(jiān)控器是信息流控制機(jī)制中的驗(yàn)證部分，因此其自身應(yīng)保證足夠可靠。

1.3.3? 訪問(wèn)控制模塊

訪問(wèn)控制模塊控制嵌入式操作系統(tǒng)各分區(qū)間信息流，以及安全等級(jí)分區(qū)較高數(shù)據(jù)寫入安全等級(jí)較低分區(qū)內(nèi)。設(shè)嵌入式操作系統(tǒng)中存在兩個(gè)分區(qū)分別為分區(qū)1和分區(qū)2，分區(qū)1為安全等級(jí)較高分區(qū)，分區(qū)2為安全等級(jí)較低地區(qū)。分區(qū)間信息流控制過(guò)程如下：

分區(qū)2接收分區(qū)1數(shù)據(jù)時(shí)，判斷各分區(qū)安全等級(jí)，安全等級(jí)相同時(shí)，允許分區(qū)1數(shù)據(jù)發(fā)送至分區(qū)2內(nèi)，分區(qū)1的可信監(jiān)控器同時(shí)將數(shù)據(jù)發(fā)送至分區(qū)2;兩分區(qū)安全等級(jí)不同時(shí)，需訪問(wèn)控制模塊判斷分區(qū)1是否可以將數(shù)據(jù)發(fā)送至分區(qū)2;兩分區(qū)均為不可信分區(qū)時(shí)，分區(qū)1不可將信息以及數(shù)據(jù)發(fā)送至分區(qū)2內(nèi)，分區(qū)1的可信監(jiān)控器停止操作，立刻返回。分區(qū)1可信監(jiān)控器依據(jù)訪問(wèn)控制模塊判斷結(jié)果處理，當(dāng)可信監(jiān)控器判斷為“可行”時(shí)，分區(qū)1可以將數(shù)據(jù)發(fā)送至分區(qū)2，并將“發(fā)送成功”結(jié)果返回至應(yīng)用程程序;可信監(jiān)控器判斷為“不可行”時(shí)，將“禁止”標(biāo)記返回至應(yīng)用程序，并結(jié)束操作。

通過(guò)信息流控制機(jī)制實(shí)現(xiàn)嵌入式操作系統(tǒng)的高可信度，信息流控制機(jī)制具有嚴(yán)格控制、系統(tǒng)開銷小等優(yōu)勢(shì)。

2? 實(shí)驗(yàn)分析

為驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的基于人工智能的高可信嵌入式操作系統(tǒng)的有效性，在CPU為Intel 酷睿i7 7500，內(nèi)存為8 GB的計(jì)算機(jī)中安裝本文系統(tǒng)，登錄高可信嵌入式操作系統(tǒng)后，完成所需應(yīng)用配置，輸入配置數(shù)據(jù)，獲取相應(yīng)配置文件。確定通道鏈接配置表是通信配置最關(guān)鍵步驟，設(shè)對(duì)模塊2分區(qū)，利用模塊2分區(qū)檢測(cè)通道鏈接配置生成有效性，模塊2分區(qū)結(jié)果如表1所示。

檢測(cè)采用本文系統(tǒng)在不同任務(wù)數(shù)量時(shí)的操作可信率，與Hades系統(tǒng)以及應(yīng)用特制系統(tǒng)對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖3所示。

從圖3實(shí)驗(yàn)結(jié)果看出，不同任務(wù)數(shù)量時(shí)，采用本文系統(tǒng)的操作可信率均高于96%，而Hades系統(tǒng)以及應(yīng)用特制系統(tǒng)在不同任務(wù)數(shù)量情況下，操作可信率明顯低于本文系統(tǒng)，尤其是Hades系統(tǒng)，在任務(wù)數(shù)量為1 024時(shí)，操作可信率僅為86.7%。因此，驗(yàn)證了本文系統(tǒng)的高可信度。對(duì)比采用不同系統(tǒng)在不同任務(wù)數(shù)量時(shí)的CPU最高允許使用率，檢測(cè)本文系統(tǒng)操作可靠性，對(duì)比結(jié)果如表3所示。

從表3實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，采用本文系統(tǒng)在不同任務(wù)數(shù)量時(shí)，CPU最高允許使用率明顯高于Hades系統(tǒng)以及應(yīng)用特制系統(tǒng)。本文系統(tǒng)在任務(wù)數(shù)量為無(wú)限大時(shí)，CPU最高允許使用率為0.684，而Hades系統(tǒng)以及應(yīng)用特制系統(tǒng)在任務(wù)數(shù)量為無(wú)限大時(shí)，CPU最高允許使用率僅為0.425以及0.315。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明本文系統(tǒng)具有較高的可靠性。

3? 結(jié)? 論

嵌入式操作系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)的基礎(chǔ)運(yùn)行平臺(tái)，嵌入式操作系統(tǒng)的優(yōu)劣直接影響嵌入式系統(tǒng)的穩(wěn)定與可靠運(yùn)行。嵌入式操作系統(tǒng)目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、機(jī)械、航空各個(gè)領(lǐng)域中，并成為操作系統(tǒng)開發(fā)的主要目標(biāo)。本文設(shè)計(jì)基于人工智能的高可信嵌入式操作系統(tǒng)，將人工智能技術(shù)中的機(jī)器學(xué)習(xí)算法應(yīng)用于嵌入式操作系統(tǒng)中，增加其實(shí)用性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可信性，所設(shè)計(jì)嵌入式操作系統(tǒng)可應(yīng)用于實(shí)際嵌入式系統(tǒng)中。

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