基于微内核的动态加载与链接技术的研究与实现

作     者：陈阔 

作者单位：电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：罗蕾

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 0835[工学-软件工程] 081202[工学-计算机软件与理论] 0812[工学-计算机科学与技术（可授工学、理学学位）] 

主      题：微内核 动态加载与链接 ELF Cortex-M Cortex-A 

摘      要：随着计算机软硬件技术的发展,计算机设备朝着网联化、智能化、综合化不断发展,这要求操作系统具有更高的安全可靠性及可扩展性,主流的宏内核操作系统及嵌入式操作系统难以满足这样的需求。微内核操作系统通过精简内核设计,将绝大部分服务解耦后,以独立组件的方式在用户态运行。这样的设计可以做到高安全可靠性及可扩展性,能很好地适应智能网联汽车等场景。动态加载与链接是通用操作系统的一个重要功能,是软件工程模块化设计的关键支撑要素。但是动态加载与链接在微内核操作系统上的研究与应用较少,在工程实现上,许多微内核操作系统采用在编译时配置选择所需系统服务与应用程序的静态构建方式,缺乏灵活性的同时,也可能破坏系统服务及应用程序之间的隔离性。本文基于ELF格式程序文件在Cortex-M和Cortex-A两种平台上研究实现了动态加载与链接技术,提升了微内核操作系统的可扩展性、开发的便捷性、系统服务及应用程序之间的隔离性等。在Cortex-M平台上基于地址无关码实现了对ELF程序的动态加载、动态链接、运行时重定位技术,针对随机访问存储器资源紧缺的平台,研究实现了代码与数据分离、共享地址无关码等技术,并对每种技术进行了有针对性和代表性的功能测试验证,提升了Cortex-M平台上微内核操作系统的可扩展性及开发的便捷性,研究实现了解决随机访问存储器资源紧缺的方案。在支持虚拟内存技术的Cortex-A平台上,本文研究实现了对可执行文件、动态链接库、地址无关可执行对象的支持,并在功能测试的基础上,进行了一些开源软件的移植尝试。本文提出的基于微内核的动态加载与链接技术对构建微内核操作系统软件生态具有一定的通用性和持续性。