隨著信息技術(shù)的不斷進(jìn)步，嵌入式系統(tǒng)已逐漸從早期的單一功能控制器，發(fā)展成為支撐物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智能汽車與消費(fèi)電子的核心計(jì)算平臺(tái)。在這一轉(zhuǎn)型過(guò)程中，嵌入式操作系統(tǒng)(Embedded Operating System, EOS)作為嵌入式設(shè)備的基礎(chǔ)軟件，扮演著資源調(diào)度、安全隔離和智能協(xié)同的關(guān)鍵角色。其性能與可靠性不僅直接決定設(shè)備的實(shí)時(shí)性和能效表現(xiàn)，更在安全可信與智能化應(yīng)用中發(fā)揮著基礎(chǔ)性作用。

近年來(lái)，嵌入式操作系統(tǒng)發(fā)展出了安全關(guān)鍵嵌入式操作系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)嵌入式操作系統(tǒng)、智能嵌入式操作系統(tǒng)和泛在嵌入式操作系統(tǒng)等類型。圖1展示了嵌入式操作系統(tǒng)的四大分類及其代表性系統(tǒng)的發(fā)展時(shí)間線，其中，安全關(guān)鍵/分區(qū)嵌入式操作系統(tǒng)(如INTEGRITY、VxWorks 653)專注于高可靠性和任務(wù)隔離，適用于航空航天和工業(yè)控制等領(lǐng)域。物聯(lián)網(wǎng)嵌入式操作系統(tǒng)(如FreeRTOS、Zephyr)以輕量化和多協(xié)議支持為核心，廣泛應(yīng)用于智能家居和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)。智能嵌入式操作系統(tǒng)(如LiteOS、Google Coral)集成了AI本地化推理能力，支持設(shè)備端智能決策。泛在嵌入式操作系統(tǒng)(如HarmonyOS、XIUOS)則強(qiáng)調(diào)跨設(shè)備協(xié)同和生態(tài)統(tǒng)一性，推動(dòng)全場(chǎng)景智能互聯(lián)。隨著技術(shù)的融合與發(fā)展，嵌入式操作系統(tǒng)正逐步向智能化、泛在化演進(jìn)，成為萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代的核心基礎(chǔ)軟件。本文將介紹支撐四類嵌入式操作系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)展。

2. 安全技術(shù)

嵌入式操作系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于航空航天、工業(yè)控制、智能交通等關(guān)鍵領(lǐng)域，其安全性直接關(guān)系到系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和數(shù)據(jù)安全。隨著物聯(lián)網(wǎng)和人工智能技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)面臨的安全威脅日益復(fù)雜多樣，如漏洞利用、數(shù)據(jù)泄露、惡意攻擊等。因此，保障嵌入式操作系統(tǒng)的信息安全成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。本節(jié)從系統(tǒng)安全架構(gòu)與機(jī)制、安全管理機(jī)制、漏洞模糊測(cè)試、安全檢測(cè)與驗(yàn)證等方面，對(duì)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外關(guān)于嵌入式操作系統(tǒng)信息安全的研究進(jìn)行了分類總結(jié)，如圖2所示。

Figure 1. Timeline of embedded operating system development

圖1. 嵌入式操作系統(tǒng)發(fā)展時(shí)間線

Figure 2. Classification of security technologies for embedded operating systems

圖2. 嵌入式操作系統(tǒng)安全技術(shù)分類

(1) 安全架構(gòu)與機(jī)制

嵌入式操作系統(tǒng)的安全機(jī)制與架構(gòu)設(shè)計(jì)是防止漏洞被利用的關(guān)鍵。一個(gè)健壯的安全架構(gòu)可以有效隔離潛在的攻擊面，限制惡意行為的擴(kuò)散。當(dāng)前，ARM Cortex-M TrustZone等技術(shù)被廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中，以實(shí)現(xiàn)安全區(qū)域的劃分和保護(hù)。然而，這些技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中仍存在一些安全隱患和性能瓶頸。例如，快速狀態(tài)切換機(jī)制可能導(dǎo)致安全狀態(tài)和非安全狀態(tài)之間的權(quán)限控制出現(xiàn)漏洞，從而被攻擊者利用。因此，研究更精細(xì)、高效的安全機(jī)制與架構(gòu)，對(duì)于提升嵌入式系統(tǒng)的整體安全性具有重要意義。

現(xiàn)有實(shí)時(shí)系統(tǒng)越來(lái)越多地使用現(xiàn)成的組件，并且經(jīng)常連接到互聯(lián)網(wǎng)，從而暴露于各種攻擊之下。Hasan等人[1]提出了“攻擊者負(fù)擔(dān)”(attacker’s burden)這一度量指標(biāo)，用于評(píng)估實(shí)時(shí)系統(tǒng)中基于調(diào)度器的安全機(jī)制的有效性。該指標(biāo)基于“工作量因子”(work factor)的概念，通過(guò)計(jì)算攻擊者在不同安全機(jī)制下可利用的時(shí)間來(lái)衡量安全性的強(qiáng)弱。具體來(lái)說(shuō)，攻擊者負(fù)擔(dān)越高，意味著攻擊者可利用的時(shí)間越少，系統(tǒng)的安全性越高。Yadlapall等人[2]提出的gGuard通過(guò)在編譯器、庫(kù)和操作系統(tǒng)層面實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)粉碎技術(shù)，防止信息泄露。具體來(lái)說(shuō)，gGuard在編譯時(shí)分析應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)訪問(wèn)模式和依賴關(guān)系，將原始程序轉(zhuǎn)換為“自粉碎”版本，在執(zhí)行過(guò)程中自動(dòng)清理不再使用的內(nèi)存對(duì)象。對(duì)于無(wú)法在執(zhí)行期間清理的內(nèi)存對(duì)象，gGuard采用異步清理方法，減少清理操作對(duì)性能的影響。ARM Cortex-M TrustZone技術(shù)是ARM公司推出的硬件安全擴(kuò)展，旨在為嵌入式系統(tǒng)提供基于硬件的安全隔離機(jī)制。其核心思想是通過(guò)將處理器的執(zhí)行環(huán)境劃分為安全世界(Secure World)和非安全世界(Non-Secure World)，實(shí)現(xiàn)對(duì)密鑰、用戶數(shù)據(jù)、安全固件等敏感資源的隔離保護(hù)。Ma等人[3]針對(duì)ARM Cortex-M TrustZone架構(gòu)中快速狀態(tài)切換機(jī)制的安全隱患，提出了一種名為return-to-non-secure的攻擊技術(shù)，并設(shè)計(jì)了兩種地址清理機(jī)制進(jìn)行防御，實(shí)現(xiàn)了在不影響系統(tǒng)性能的前提下，有效防止特權(quán)升級(jí)和任意代碼執(zhí)行的效果。Park等人[4]針對(duì)在移動(dòng)設(shè)備的TrustZone可信執(zhí)行環(huán)境中運(yùn)行敏感GPU計(jì)算時(shí)，如何安全且高效地部署GPU軟件棧的問(wèn)題，提出了GR-T架構(gòu)，通過(guò)移動(dòng)設(shè)備與無(wú)GPU的云服務(wù)協(xié)作進(jìn)行GPU記錄與回放，實(shí)現(xiàn)了安全、高效的GPU計(jì)算，同時(shí)顯著降低了客戶端的時(shí)間和能量消耗。Kang等人[5]針對(duì)嵌入式系統(tǒng)中廣泛使用的內(nèi)存不安全C/C++代碼導(dǎo)致的堆內(nèi)存安全問(wèn)題，提出了基于ARMv8-M架構(gòu)的微胖指針?lè)桨?，?shí)現(xiàn)了一種高效的邊界檢查機(jī)制，確保嵌入式系統(tǒng)的堆內(nèi)存安全，同時(shí)性能開銷較低。Guo等人[6]針對(duì)ARM TrustZone缺乏現(xiàn)代I/O設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的問(wèn)題，提出了一種稱為“driverlets”的新型方法。通過(guò)記錄和回放全功能驅(qū)動(dòng)程序與設(shè)備的交互過(guò)程，生成最小可行的驅(qū)動(dòng)程序，解決了TrustZone中安全I(xiàn)/O的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

(2) 安全管理機(jī)制

高沙沙等人[7]針對(duì)現(xiàn)有基于MILS架構(gòu)的嵌入式操作系統(tǒng)在任務(wù)故障后無(wú)法實(shí)現(xiàn)功能重構(gòu)和實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)加載的問(wèn)題，提出了面向任務(wù)的多級(jí)安全域動(dòng)態(tài)管理架構(gòu)。通過(guò)安全域管理、故障監(jiān)控和功能重構(gòu)模塊，實(shí)現(xiàn)任務(wù)在特定安全域內(nèi)的動(dòng)態(tài)遷移與功能恢復(fù)。確保了任務(wù)在故障后的持續(xù)運(yùn)行，提升了系統(tǒng)的可靠性和安全性。Feng等人[8]針對(duì)現(xiàn)有I/O隔離機(jī)制在TEE系統(tǒng)中存在性能和可擴(kuò)展性問(wèn)題，提出了sIOPMP機(jī)制。通過(guò)多級(jí)樹形檢查器、可掛載IOPMP和IOPMP重映射等設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了高效且可擴(kuò)展的I/O保護(hù)。多級(jí)樹形檢查器支持超過(guò)1000個(gè)硬件區(qū)域，可掛載IOPMP支持無(wú)限數(shù)量的設(shè)備，而IOPMP重映射機(jī)制則允許設(shè)備在熱和冷狀態(tài)之間動(dòng)態(tài)切換，以適應(yīng)不同的I/O工作負(fù)載。Guo等人[9]針對(duì)大規(guī)模關(guān)鍵任務(wù)IoT系統(tǒng)的可擴(kuò)展性、安全性和實(shí)時(shí)性挑戰(zhàn)，提出跨層解決方案，涵蓋數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建模、動(dòng)態(tài)資源管理、形式化漏洞檢測(cè)和自適應(yīng)傳感器攻擊防御。通過(guò)層次化控制架構(gòu)和分布式資源管理，提升了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性、安全性及對(duì)物理攻擊的實(shí)時(shí)響應(yīng)能力。

(3) 漏洞模糊測(cè)試

嵌入式操作系統(tǒng)的漏洞可能導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰、數(shù)據(jù)泄露甚至惡意攻擊，嚴(yán)重威脅關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的安全。傳統(tǒng)的測(cè)試方法難以全面、高效地發(fā)現(xiàn)這些漏洞，因此，漏洞檢測(cè)與模糊測(cè)試技術(shù)成為保障嵌入式系統(tǒng)安全的重要手段[10]。早期的黑盒測(cè)試方法雖然簡(jiǎn)單易行，但效率低下，難以覆蓋復(fù)雜的代碼路徑。隨著技術(shù)發(fā)展，覆蓋引導(dǎo)模糊測(cè)試等方法逐漸興起，但仍存在對(duì)特定架構(gòu)依賴強(qiáng)、生成測(cè)試用例質(zhì)量不高等問(wèn)題。Shen等人[11]提出的Tardis是一種覆蓋引導(dǎo)的嵌入式操作系統(tǒng)模糊測(cè)試工具。它通過(guò)在編譯時(shí)對(duì)目標(biāo)操作系統(tǒng)進(jìn)行插樁，實(shí)現(xiàn)與操作系統(tǒng)無(wú)關(guān)的代碼覆蓋收集和分析。具體來(lái)說(shuō)，Tardis使用基于位圖的存儲(chǔ)方式記錄每個(gè)執(zhí)行的代碼分支，并通過(guò)共享內(nèi)存緩沖區(qū)將覆蓋信息傳遞給主機(jī)端的模糊測(cè)試引擎。主機(jī)端的分析模塊利用簡(jiǎn)單的位運(yùn)算快速判斷測(cè)試用例是否觸發(fā)了新的代碼路徑，從而指導(dǎo)后續(xù)的測(cè)試用例生成和變異。Zhang等人[12]提出的ECG利用大型語(yǔ)言模型(LLM)來(lái)增強(qiáng)嵌入式操作系統(tǒng)的模糊測(cè)試能力。ECG首先通過(guò)靜態(tài)分析提取目標(biāo)系統(tǒng)調(diào)用的參數(shù)類型和約束信息，并結(jié)合文檔生成實(shí)際的C代碼示例。然后，利用strace捕獲執(zhí)行跟蹤信息，將其轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)調(diào)用規(guī)范。在模糊測(cè)試過(guò)程中，ECG使用LLM生成測(cè)試用例，并根據(jù)執(zhí)行反饋動(dòng)態(tài)調(diào)整生成策略，以提高測(cè)試用例的質(zhì)量和覆蓋范圍。

(4) 安全檢測(cè)與驗(yàn)證

如何有效檢測(cè)并修復(fù)嵌入式系統(tǒng)中的潛在漏洞，以及如何從形式上驗(yàn)證其安全性，仍然是嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題。Liu等人[13]針對(duì)嵌入式操作系統(tǒng)固件缺乏有效漏洞檢測(cè)手段的問(wèn)題，提出EmbSan框架，利用動(dòng)態(tài)插樁和解耦的主機(jī)運(yùn)行時(shí)庫(kù)實(shí)現(xiàn)對(duì)多種嵌入式操作系統(tǒng)固件的漏洞檢測(cè)，成功檢測(cè)出實(shí)際漏洞，且性能開銷與現(xiàn)有內(nèi)核檢測(cè)工具相當(dāng)，提升了檢測(cè)效率與適應(yīng)性。Athalye等人[14]針對(duì)硬件安全模塊(HSM)從應(yīng)用規(guī)范到電路實(shí)現(xiàn)的安全性和無(wú)泄漏驗(yàn)證問(wèn)題，提出Parfait框架，通過(guò)信息保持精化(IPR)的形式化方法，利用中間抽象層次和傳遞性信息保持精化實(shí)現(xiàn)模塊化驗(yàn)證，成功驗(yàn)證了四個(gè)HSM實(shí)例的安全性，確保其無(wú)正確性、安全性和漏洞泄漏，且具有良好的可擴(kuò)展性和適應(yīng)性。Pasquier等人[15]針對(duì)嵌入式操作系統(tǒng)安全分析工具選擇困難的問(wèn)題，提出通過(guò)構(gòu)建設(shè)備驅(qū)動(dòng)案例研究并應(yīng)用多種分析技術(shù)(如模型檢查、代碼分析等)來(lái)評(píng)估工具適用性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)嵌入式操作系統(tǒng)模型和代碼分析工具的部分互補(bǔ)性分析，為工具選擇提供依據(jù)。

3. 調(diào)度優(yōu)化

嵌入式系統(tǒng)由于資源受限、能耗敏感與實(shí)時(shí)性要求高，其調(diào)度機(jī)制需在性能、功耗與任務(wù)時(shí)限之間實(shí)現(xiàn)最優(yōu)平衡。針對(duì)這一需求，研究者提出了多種資源與任務(wù)協(xié)同優(yōu)化策略，如圖3所示。

Figure 3. Scheduling optimization in embedded operating systems

圖3. 嵌入式操作系統(tǒng)中的調(diào)度優(yōu)化

Mamata等人[16]提出了一種面向資源優(yōu)化的調(diào)度模型，以最小化實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)中的資源過(guò)度配置。該方法利用供需約束函數(shù)優(yōu)化資源分配，在保證任務(wù)時(shí)限的同時(shí)，平均減少了13%的資源使用量。Reghenzani等人[17]提出了一種多級(jí)動(dòng)態(tài)電源管理(DPM)策略，以優(yōu)化異構(gòu)處理器上實(shí)時(shí)有向無(wú)環(huán)圖任務(wù)的能耗。該方法結(jié)合任務(wù)概率執(zhí)行時(shí)間分析，動(dòng)態(tài)調(diào)整處理器C-States，在保證硬實(shí)時(shí)約束的前提下，實(shí)現(xiàn)了最高32.1%的能耗降低，并通過(guò)仿真和實(shí)測(cè)驗(yàn)證了優(yōu)化效果。Li等人[18]提出了一種協(xié)作式內(nèi)存和進(jìn)程管理框架ICE。ICE通過(guò)在內(nèi)存頁(yè)面故障時(shí)凍結(jié)后臺(tái)進(jìn)程，并基于內(nèi)存壓力動(dòng)態(tài)解凍，從而有效減少后臺(tái)應(yīng)用引發(fā)的內(nèi)存故障，提升了1.57倍的幀率和減少了交互警告。Jiang等人[19]提出了一種面向并行實(shí)時(shí)系統(tǒng)的緩存與算法協(xié)同設(shè)計(jì)方案。該研究引入了一種虛擬索引、物理標(biāo)記、選擇性包含的L1.5緩存，并提出了針對(duì)有向無(wú)環(huán)圖任務(wù)的調(diào)度方法，以減少數(shù)據(jù)傳輸延遲并降低任務(wù)完工時(shí)間。Wu等人[20]提出了一種預(yù)測(cè)性共享最后級(jí)緩存(LLC)分區(qū)的方法，方法采用了1S-TDM調(diào)度策略并結(jié)合硬件擴(kuò)展集合序列器，顯著降低了最壞情況延遲(WCL)，提高了共享緩存分區(qū)的利用效率。Chen等人[21]提出了一種基于細(xì)粒度共享資源模型的改進(jìn)阻塞分析方法，解決并行實(shí)時(shí)任務(wù)中非搶占式自旋鎖的阻塞問(wèn)題。方法通過(guò)線性優(yōu)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了無(wú)膨脹分析，避免了傳統(tǒng)分析中的過(guò)度表示。

4. 文件系統(tǒng)

嵌入式設(shè)備具有存儲(chǔ)資源受限、計(jì)算能力有限、成本敏感等特點(diǎn)，導(dǎo)致嵌入式系統(tǒng)在文件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面面臨重大挑戰(zhàn)?，F(xiàn)有研究從空間管理粒度與元數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與頁(yè)分配優(yōu)化、壓縮/緩存以抑制讀寫放大、以及高效垃圾回收策略等方向展開，如圖4所示。

Figure 4. File system optimization techniques in embedded operating systems

圖4. 嵌入式操作系統(tǒng)中的文件系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)

為此，Zhang等人[22]提出了一種新型嵌入式文件系統(tǒng)LOFFS，以解決嵌入式文件系統(tǒng)由于內(nèi)存消耗過(guò)多和啟動(dòng)功能差而無(wú)法有效管理大容量NAND閃存的問(wèn)題。LOFFS重新定義了空間管理粒度并簡(jiǎn)化元數(shù)據(jù)以加快掛載程序，為不同類型的文件提出了混合文件結(jié)構(gòu)，以解決性能和內(nèi)存占用之間的權(quán)衡，從而以最小的資源占用實(shí)現(xiàn)高性能。Jiang等人[23]為減少數(shù)據(jù)傳輸延遲及內(nèi)存占用，采用B+樹來(lái)管理連續(xù)物理空間，令每個(gè)葉節(jié)點(diǎn)指向一個(gè)段列表，引用一組物理上連續(xù)的頁(yè)面。確保在低內(nèi)存占用的情況下實(shí)現(xiàn)確定性的文件數(shù)據(jù)定位。為了提升寫操作性能，MIFS提出了包括順序按需分配以及單頁(yè)分配的雙模式頁(yè)分配策略，將根據(jù)不同的情況采用不同的模式以減少執(zhí)行時(shí)間。Gao等人[24]針對(duì)嵌入式系統(tǒng)的有限存儲(chǔ)空間和有限運(yùn)行時(shí)內(nèi)存，分析了現(xiàn)有壓縮只讀文件系統(tǒng)中的I/O放大和冗余計(jì)算的問(wèn)題，認(rèn)為傳統(tǒng)壓縮只讀文件系統(tǒng)的問(wèn)題在于采用了固定大小的輸入壓縮策略。因此，EROFS引入了固定大小的輸出壓縮策略，并設(shè)計(jì)了高效記憶的解壓方案，以緩解讀放大率問(wèn)題并減少不必要的計(jì)算。

閃存采用頁(yè)和塊的粒度對(duì)物理空間進(jìn)行管理，大于現(xiàn)有嵌入式文件系統(tǒng)的邏輯管理單位。因此，將嵌入式文件系統(tǒng)移植到閃存介質(zhì)之上將導(dǎo)致邏輯I/O粒度和物理I/O粒度不匹配的問(wèn)題，手動(dòng)擴(kuò)大文件系統(tǒng)系統(tǒng)的邏輯I/O粒度將帶來(lái)大量的移植工作，也將產(chǎn)生寫放大問(wèn)題，導(dǎo)致額外的空間消耗和性能降低。Zhang等人[25]提出了存儲(chǔ)中間件NV-middle，保留了嵌入式文件系統(tǒng)原有的操作粒度，定義了空間狀態(tài)圖來(lái)標(biāo)識(shí)屬于同一物理塊的邏輯塊的狀態(tài)，并根據(jù)邏輯/物理頁(yè)面與塊之間的關(guān)系以及數(shù)據(jù)訪問(wèn)的局部性，優(yōu)化了內(nèi)存使用策略和頁(yè)面緩存機(jī)制。此外，Zhang等人[26]提出了一種新型嵌入式文件系統(tǒng)ELOFS，重新定義了空間管理粒度并簡(jiǎn)化了元數(shù)據(jù)以提升性能。同時(shí)根據(jù)目錄和數(shù)據(jù)文件不同的訪問(wèn)模式設(shè)計(jì)了混合文件結(jié)構(gòu)，以日志方式組織頻繁更新的目錄文件，將數(shù)據(jù)頁(yè)分散在閃存上，并通過(guò)D-index進(jìn)行索引。Sun等人[27]發(fā)現(xiàn)閃存垃圾回收的開銷占總I/O時(shí)間的85%以上，降低了嵌入式文件系統(tǒng)的性能，并縮短了閃存芯片的耐用性，而刪除不同熱度的數(shù)據(jù)塊的影響也有所差異。針對(duì)上述問(wèn)題，該文獻(xiàn)提出了低復(fù)雜度、高效率的GC方案LightGC，基于頁(yè)面更新間隔來(lái)衡量頁(yè)面的熱度，并使用hot-delay策略衡量擦除塊在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)的影響，以選擇垃圾回收的數(shù)據(jù)塊。

5. 發(fā)展趨勢(shì)

人機(jī)物融合智能泛在操作系統(tǒng)持續(xù)發(fā)展：梅宏院士等[28]探討了面向人機(jī)物融合泛在計(jì)算的泛在操作系統(tǒng)，認(rèn)為泛在操作系統(tǒng)是操作系統(tǒng)發(fā)展的新藍(lán)海。在此概念下，北京大學(xué)發(fā)布了一款面向工業(yè)物聯(lián)場(chǎng)景的泛在操作系統(tǒng)——XiUOS矽璓工業(yè)物聯(lián)操作系統(tǒng)[29]。Syswonder社區(qū)正推動(dòng)在不同應(yīng)用場(chǎng)景中的泛在操作系統(tǒng)的構(gòu)建及技術(shù)應(yīng)用，開發(fā)了基于Rust語(yǔ)言開發(fā)的Unikernel操作系統(tǒng)以及基于硬件分區(qū)的Hypervisor [30]。

隨著人、機(jī)、物的深度互聯(lián)融合，泛在操作系統(tǒng)正由“場(chǎng)景適配”向“場(chǎng)景自適應(yīng)”方向演進(jìn)。未來(lái)的泛在操作系統(tǒng)將進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)、跨終端的智能協(xié)同，支持多態(tài)計(jì)算與實(shí)時(shí)資源編排。同時(shí)，可信計(jì)算與邊緣智能將成為推動(dòng)泛在操作系統(tǒng)落地的關(guān)鍵力量。未來(lái)，泛在操作系統(tǒng)有望在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智慧城市和車聯(lián)網(wǎng)等場(chǎng)景中形成生態(tài)級(jí)應(yīng)用集群，構(gòu)建以操作系統(tǒng)為核心的智能底座。

AI原生嵌入式操作系統(tǒng)：學(xué)術(shù)界著重研究高效、輕量化的智能嵌入式操作系統(tǒng)。Luo等人[31]提出了首個(gè)由深至淺的可轉(zhuǎn)換神經(jīng)架構(gòu)搜索(NAS)范式——Double-Win NAS (DW-NAS)，探索兼具深層網(wǎng)絡(luò)高精度和淺層網(wǎng)絡(luò)高效硬件性能的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。Pasricha等人[32]探討了在物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上部署機(jī)器學(xué)習(xí)軟件的挑戰(zhàn)，提出了簡(jiǎn)化部署的策略。Van Delm等人[33]提出了HTVM編譯器，最大限度地提高異構(gòu)加速器的利用率并減少數(shù)據(jù)移動(dòng)。Han等人[34]提出了DTMM庫(kù)，旨在解決在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備上高效部署和執(zhí)行機(jī)器學(xué)習(xí)模型的挑戰(zhàn)。Xu等人[35]提出了一種超輕量級(jí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，專為資源受限的低功耗設(shè)備設(shè)計(jì)。

AI原生嵌入式操作系統(tǒng)正逐步由上述的融合AI模式邁向AI內(nèi)生模式。未來(lái)系統(tǒng)將配備以AI推理引擎、模型/智能體調(diào)度器等構(gòu)成的AIOS內(nèi)核，形成AIOS內(nèi)核與傳統(tǒng)內(nèi)核的深度共生架構(gòu)。AI原生OS不僅將賦能邊緣端智能感知、決策與自優(yōu)化能力，還將推動(dòng)軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的新范式。隨著TinyML、邊緣大模型與自適應(yīng)能耗管理技術(shù)的發(fā)展，AI原生操作系統(tǒng)有望成為物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代智能計(jì)算的關(guān)鍵支撐層。

Rust成為熱門內(nèi)核開發(fā)語(yǔ)言：Rust語(yǔ)言憑借其內(nèi)存安全和類型安全的特性，逐漸成為嵌入式操作系統(tǒng)開發(fā)的熱點(diǎn)工具。Li等人[36]對(duì)Rust-for-Linux項(xiàng)目進(jìn)行了首次實(shí)證研究，分析了Rust如何與Linux內(nèi)核融合以及其在安全性和性能方面的表現(xiàn)。Hu等人[37]提出一款基于Rust的高性能嵌入式單核內(nèi)核，利用Rust的內(nèi)存安全特性減少錯(cuò)誤并確保可靠的資源管理。Narayanan等人[38]開發(fā)了一個(gè)基于Rust開發(fā)的新型操作系統(tǒng)，通過(guò)語(yǔ)言級(jí)別的類型和內(nèi)存安全實(shí)現(xiàn)輕量級(jí)細(xì)粒度隔離。Ma等人[39]探討了在基于Rust的軟實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)堆棧展開和恐慌恢復(fù)的可行性，針對(duì)資源受限環(huán)境提出了幾種新穎的優(yōu)化方法。中關(guān)村實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合發(fā)布的“星綻OS”采用Rust語(yǔ)言構(gòu)建框內(nèi)核架構(gòu)，最大限度減少非安全代碼的比例，解決了傳統(tǒng)C語(yǔ)言在內(nèi)存安全方面的潛在問(wèn)題。此外，Rust在嵌入式操作系統(tǒng)領(lǐng)域的發(fā)展也存在一些問(wèn)題，如Sharma等人[40]系統(tǒng)性研究了Rust在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀和挑戰(zhàn)，研究表明Rust需要進(jìn)一步改進(jìn)工具支持、增強(qiáng)與現(xiàn)有代碼庫(kù)的互操作性，并為開發(fā)人員提供更好的資源和支持，以推動(dòng)Rust在嵌入式領(lǐng)域的普及。Ayers等人[41]研究了Rust在嵌入式系統(tǒng)中二進(jìn)制文件過(guò)大的問(wèn)題，提出了減少二進(jìn)制文件大小的編程原則。

隨著Rust-for-Linux項(xiàng)目成熟及產(chǎn)業(yè)生態(tài)完善，Rust有望成為下一代操作系統(tǒng)內(nèi)核的主流開發(fā)語(yǔ)言。未來(lái)的發(fā)展重點(diǎn)將聚焦于工具鏈完備性、實(shí)時(shí)性優(yōu)化及與C/C++生態(tài)的無(wú)縫互操作。同時(shí)，Rust在安全物聯(lián)網(wǎng)、車載控制系統(tǒng)及國(guó)防級(jí)實(shí)時(shí)系統(tǒng)中的應(yīng)用將進(jìn)一步擴(kuò)展，形成安全可信且高性能的系統(tǒng)開發(fā)新范式。

6. 結(jié)語(yǔ)

隨著物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、工業(yè)自動(dòng)化等技術(shù)的迅猛發(fā)展，嵌入式操作系統(tǒng)正從傳統(tǒng)的“輕量、實(shí)時(shí)”向“安全、智能、泛在”方向演進(jìn)，成為支撐未來(lái)智能互聯(lián)世界的關(guān)鍵基礎(chǔ)軟件。本文系統(tǒng)梳理了嵌入式操作系統(tǒng)在安全架構(gòu)、調(diào)度優(yōu)化、文件系統(tǒng)等方面的研究進(jìn)展，并探討了智能化、泛在化及基于Rust語(yǔ)言的安全開發(fā)趨勢(shì)。

未來(lái)的嵌入式操作系統(tǒng)將面臨更加復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)景與更高的性能要求，不僅要保障系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性與穩(wěn)定性，還需應(yīng)對(duì)多樣化的安全威脅與資源受限的挑戰(zhàn)。因此，發(fā)展具備自適應(yīng)能力、智能協(xié)同機(jī)制與高可信保障的新型嵌入式操作系統(tǒng)，將是學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界共同努力的方向。

嵌入式操作系統(tǒng)的發(fā)展不僅是技術(shù)演進(jìn)的體現(xiàn)，更是推動(dòng)數(shù)字社會(huì)、智能產(chǎn)業(yè)和綠色計(jì)算的重要力量。隨著新架構(gòu)、新語(yǔ)言和新模型的不斷涌現(xiàn)，嵌入式操作系統(tǒng)將在萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代扮演更加核心的角色，助力構(gòu)建更加安全、智能與可持續(xù)的計(jì)算生態(tài)。

基金項(xiàng)目

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(62372073)，面向新型可計(jì)算存儲(chǔ)的高效任務(wù)管理及調(diào)度研究，2024.1~2027.12。