基于人工智能的高可信嵌入式操作系統設計

楊鴻珍 王云燁 吳建偉 浦正國

摘? 要： 嵌入式操作系統體系架構的可信性是保障其穩定運行的關鍵。文中設計基于人工智能的高可信嵌入式操作系統，配置操作系統有效空間與系統資源。依據任務安全等級劃分處理器模塊分區;依據任務類型配置分區屬性分配所需內存;依據分區任務從機器學習算法庫中選取合適機器學習算法，獲取各分區與主時間框架內的分配策略以及調度策略;依據任務需求配置分區通信，完成分區通信配置后配置健康監控以及任務容錯實現人工智能的高可信嵌入式操作系統。實驗結果表明，該系統在不同任務數量時，操作可信率均高于96%;處理不同類別任務精準率以及召回率均高于98%。

關鍵詞： 高可信; 嵌入式操作系統; 人工智能; 系統設計; 分區配置; 系統測試

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

嵌入式操作系統是固化于硬件里的系統，是嵌入式產品中應用較為廣泛的系統軟件。嵌入式操作系統具有實時性好、可同時執行多任務的優勢[1]，并隨著市場產品進步而不斷更新。嵌入式操作系統不斷發展，眾多研究人員將大量高科技技術應用于嵌入式操作系統中[2]，嵌入式操作系統的高可信度是人們選擇產品的重要因素。網絡安全問題已經成為人類主要關注的問題[3]，嵌入式操作系統可應用于航空、軍事等重要安全系統中，若發生信息泄露等情況，將會造成嚴重傷害，因此應致力于嵌入式操作系統高可信研究[4]。

人工智能技術是近年來興起，被應用于眾多領域的高效技術，人工智能技術可解決眾多領域中的重要問題，具有極高的應用性。機器學習算法是人工智能技術中的重要算法，貝葉斯分類、決策樹分析、遺傳算法以及人工神經網絡算法等都屬于機器學習算法，選擇合適的算法可增加嵌入式操作系統的操作性能[5]。設計基于人工智能的高可信嵌入式操作系統，利用眾多機器學習算法建立嵌入式機器學習算法庫，并通過信息流控制機制實現嵌入式操作系統高可信度，提升嵌入式操作系統可靠性與實用性，使嵌入式操作系統應用于更多領域中。

1? 高可信嵌入式操作系統

1.1? 系統總體框架

所設計基于人工智能的高可信嵌入式操作系統總體結構圖如圖1所示。

通過圖1可以看出，所設計高可信嵌入式操作系統增設機器學習算法庫。系統總體采用分區結構，利用時空隔離技術提升系統安全操作性，利用系統隔離保護提升系統可靠性[6]。依據可靠性和功能性需求加入信息流控制機制，構建高可信嵌入式操作系統[7]。

1.2? 機器學習算法庫

機器學習算法庫是高可信嵌入式操作系統的人工智能領域組件，為嵌入式操作系統提供機器學習算法支撐[8]。其包括基礎運算庫、通用算法庫以及領域算法庫三部分，各部分具體功能如下：基礎算法庫包括矩陣運算與向量運算兩個模塊，其中矩陣運算模塊提取不同任務矩陣基本屬性[9]，重載矩陣運算中應用頻繁的運算符，對矩陣實施求逆運算，并對矩陣實施Cholesky，SVD以及LU和QR分解等操作;向量運算模塊提取向量維數和大小，并重載向量中的加、減、乘等常用的運算符。通用算法庫中的算法可有效調用基礎運算庫中矩陣與向量運算，包含眾多機器學習算法，可服務于領域應用中。

領域算法庫依據嵌入式操作系統應用類型設置，通過通用算法庫內各算法功能實現相同類型的應用算法[10]。

1.3? 信息流控制機制

高可信嵌入式操作系統中所有訪問請求需經過信息流控制機制授權與同意，訪問請求得以執行。通過信息流控制機制實現高可信嵌入式操作系統的可信性。信息流控制機制結構圖如圖2所示。

利用可信服務分區提升系統分區可信度，可信監控器置于用戶模式的客戶模塊中，訪問控制模塊置于嵌入式操作系統內部。信息流控制機制需保證各模塊可靠，利用可信驗證器保證各模塊可信度。

1.3.1? 可信服務分區

可信服務分區負責管理分區可信屬性表、可信驗證器以及可信功能模塊，提升嵌入式操作系統可信度。

利用可信驗證器檢測各分區模塊可信度，依據檢測結果將各檢測模塊標記為“可信”與“不可信”。利用可信功能模塊實現嵌入式操作系統各分區安全性、可靠性[11]。

1.3.2? 可信監控器

嵌入式操作系統各分區子系統中應設置可信監控器，利用可信監控器管理與控制各分區間信息流，并判定各分區信息流能否滿足系統可信策略需求。可信監控器是信息流控制機制中的驗證部分，因此其自身應保證足夠可靠。

1.3.3? 訪問控制模塊

訪問控制模塊控制嵌入式操作系統各分區間信息流，以及安全等級分區較高數據寫入安全等級較低分區內。設嵌入式操作系統中存在兩個分區分別為分區1和分區2，分區1為安全等級較高分區，分區2為安全等級較低地區。分區間信息流控制過程如下：

分區2接收分區1數據時，判斷各分區安全等級，安全等級相同時，允許分區1數據發送至分區2內，分區1的可信監控器同時將數據發送至分區2;兩分區安全等級不同時，需訪問控制模塊判斷分區1是否可以將數據發送至分區2;兩分區均為不可信分區時，分區1不可將信息以及數據發送至分區2內，分區1的可信監控器停止操作，立刻返回。分區1可信監控器依據訪問控制模塊判斷結果處理，當可信監控器判斷為“可行”時，分區1可以將數據發送至分區2，并將“發送成功”結果返回至應用程程序;可信監控器判斷為“不可行”時，將“禁止”標記返回至應用程序，并結束操作。

通過信息流控制機制實現嵌入式操作系統的高可信度，信息流控制機制具有嚴格控制、系統開銷小等優勢。

2? 實驗分析

為驗證本文設計的基于人工智能的高可信嵌入式操作系統的有效性，在CPU為Intel 酷睿i7 7500，內存為8 GB的計算機中安裝本文系統，登錄高可信嵌入式操作系統后，完成所需應用配置，輸入配置數據，獲取相應配置文件。確定通道鏈接配置表是通信配置最關鍵步驟，設對模塊2分區，利用模塊2分區檢測通道鏈接配置生成有效性，模塊2分區結果如表1所示。

檢測采用本文系統在不同任務數量時的操作可信率，與Hades系統以及應用特制系統對比，對比結果如圖3所示。

從圖3實驗結果看出，不同任務數量時，采用本文系統的操作可信率均高于96%，而Hades系統以及應用特制系統在不同任務數量情況下，操作可信率明顯低于本文系統，尤其是Hades系統，在任務數量為1 024時，操作可信率僅為86.7%。因此，驗證了本文系統的高可信度。對比采用不同系統在不同任務數量時的CPU最高允許使用率，檢測本文系統操作可靠性，對比結果如表3所示。

從表3實驗結果可以看出，采用本文系統在不同任務數量時，CPU最高允許使用率明顯高于Hades系統以及應用特制系統。本文系統在任務數量為無限大時，CPU最高允許使用率為0.684，而Hades系統以及應用特制系統在任務數量為無限大時，CPU最高允許使用率僅為0.425以及0.315。實驗結果說明本文系統具有較高的可靠性。

3? 結? 論

嵌入式操作系統是嵌入式系統的基礎運行平臺，嵌入式操作系統的優劣直接影響嵌入式系統的穩定與可靠運行。嵌入式操作系統目前已經被廣泛應用于工業、機械、航空各個領域中，并成為操作系統開發的主要目標。本文設計基于人工智能的高可信嵌入式操作系統，將人工智能技術中的機器學習算法應用于嵌入式操作系統中，增加其實用性。通過實驗驗證了該系統的可信性，所設計嵌入式操作系統可應用于實際嵌入式系統中。

參考文獻

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