嵌入式与网络计算湖南省重点实验室为提升实验室研究生科研水平，激励大家勇攀科研高峰，特组织第二届研究生学术论坛。本次论坛将提供一个分享学术观点、讨论前沿科学技术的平台，助力研究生提高学识水平、增强科研能力、培养创新思维、拥有开放视野。本次论坛邀请了10名博士与硕士研究生就各自科研内容进行汇报与讨论，内容涵盖：嵌入式操作系统、汽车电子与卫星通信、汽车软件工程等主题。欢迎各位同学参加本次论坛，就讲者报告内容进行观点探讨，以开拓思路、拓展思维，共同向科研的高峰进发。

论坛时间：2023年10月29日(周日)

论坛地点：湖南大学信科院619会议室

赵思蓉，女，湖南长沙人，目前是湖南大学信息科学与工程学院21级博士研究生（博三），大学本科毕业于南昌大学软件学院软件工程专业。目前的研究领域为操作系统，系统安全，软件开发。近年来在SCI期刊上发表论文一篇。参与了包括华为《面向联接领域的弹性底座及关键技术》、中国船舶《基于数据流完整性的内核威胁过滤技术》、湘江智车《车路协同典型场景示范及验证系统研发》等操作系统安全和软件开发领域的科研项目，积累丰富的项目经验。

报告题目：

RB-CFI：基于红黑树结构的控制流完整性防护

报告摘要：

保护操作系统内核的安全是整个系统安全的关键。由于开发人员的疏忽和代码语言的固有限制，内核数据面临执行流泄露、权限劫持等各种安全风险。在二进制安全中，大多数漏洞都是通过劫持控制流，使程序按照攻击者的攻击思路来运行的。控制流完整性防护（CFI）是针对控制流劫持攻击的常见防御方案。在本次报告中，我们基于LLVM IR在内核编译过程中构建红黑树结构的函数表来实现细粒度控制流的完整性，红黑树结构提高了函数表查询的效率。该技术通过对跳转指令进行逻辑判断来执行CFI策略。所有跳转指令共享一个公共函数表，表中的函数信息不会重复存储，减少函数表带来的额外内存消耗，实现细粒度的CFI保护。

熊程来，湖南大学信息科学与工程学院博士研究生，openEuler ZVM项目核心研发人员，主要研究领域为嵌入式操作系统与虚拟化技术，并满足嵌入式系统的实时性能、安全性和可靠性等要求。近期主要研究嵌入式虚拟化系统的设计与实现及ARMv8硬件的适配。在此过程中，我积累了丰富的理论知识和实践经验，掌握了多种编程语言和开发工具，熟悉了Linux内核、Zephyr内核和虚拟机监控器的设计和实现。近年来，我同时参与了多项横向和纵向科研项目，并将继续在这一领域深造并探索实时嵌入式系统的优化方向。

报告题目：

ZVM: 基于Zephyr RTOS的实时虚拟机

报告摘要：

近年来，由于嵌入式系统在网络物理系统和工业4.0革命中的使用越来越多，嵌入式虚拟化得到了人们的关注。特别是在与多核嵌入式系统结合使用时，虚拟化减少了嵌入式设备的数量，同时在每个虚拟化系统中提供了一个安全且分离的环境。同时，此类嵌入式物理系统中的应用程序通常需要具有严格截止日期的实时保证。基于这一趋势，我们开发了一种基于ARMv8硬件架构的type-2型虚拟机管理器（Zephyr based Virtual Machine, ZVM），并使用Zephyr RTOS作为主机操作系统。利用Zephyr RTOS的实时性并使用ARMv8架构特性，我们实现的ZVM可以实现接近真实硬件的虚拟化性能。

文俊杰，男，四川绵阳人，云南大学软件学院22级硕士研究生（研二），主要研究方向为操作系统任务调度研究与开发。研究生期间，先后参与了两个实战项目：深度学习推理框架Paddle Lite模型在Zephyr RTOS操作系统上的移植与部署、面向gVisor的多级实时调度系统开发。在参加项目的过程中，熟悉并掌握了多种编程语言和开发工具，深入研究了Linux、Go Runtime的调度原理，熟悉Linux、Zephyr等操作系统。

报告题目：

面向gVisor的多级调度系统

报告摘要：

单机系统里通常会涉及多级任务调度，而在Host OS层的Linux CFS作为第一级调度时，gVisor作为容器，其使用具有协程调度器的go语言编译，因为Go Runtime的相对封闭性，使得gVisor中的应用程序运行状态无法被Host Linux感知。本研究从性能和资源效率的角度来看，即需要在系统繁忙时尽可能多地利用多核处理器资源来运行第一级Host Liunx上的关键应用，又必须在闲暇时尽快让出CPU让第二级的应用来运行。主要从以下两个角度进行研究：Host层事实感知Guest层负载情况，把Guest层的负载情况纳入Host的调度考量；Guest层能够获取根据Host层负载等相关信息，以完成Guest层本身的调度调整和优化。

张国栋，男，云南大学软件学院22级硕士研究生（研二）。主要研究方向是AI框架在实时操作系统上的移植以及Zephyr RTOS的开发。参与了深度学习框架Paddle Lite在Zephyr上的软硬件部署，使Paddle Lite能够支持ARM64架构上的Zephyr实时操作系统，从而在Zephyr平台上成功部署深度学习模型。与在基于Linux的系统的ARM64体系结构上运行模型相比性能得到了提高。参与项目过程中，掌握了多种编程语言和开发工具，熟悉Linux、Zephyr、深度学习等。

报告题目：

Zephyr部署Paddle Lite：在RTOS上部署机器学习模型来实现推理加速

报告摘要：

作为一个端到端的轻量级推理引擎，Paddle Lite能够在各种设备上部署深度学习模型，包括移动设备、嵌入式系统和物联网设备。通过利用这些设备的计算能力，Paddle Lite有助于快速高效地推断深度学习模型，从而增强用户体验和性能。Zephyr是一款出色的小型可扩展实时操作系统，专门针对资源受限的设备进行了优化。值得注意的是，Zephyr与各种硬件平台（如ARM、RISC-V和X86）的高度可移植性和兼容性。它适用于各种硬件架构和开发板，同时确保即使在内存有限的系统中也能顺利运行，只需要8KB的内存。

Paddle Lite目前不支持实时操作系统，支持多种非实时操作系统。实时操作系统具有高实时性能和最小资源消耗等独特特性，非常适合于资源有限的环境。它们能够快速响应并遵守严格的时间限制，因此特别适合优先考虑快速响应的应用程序。

本研究的硬件平台是基于ARM64的RK3568芯片。本研究的目标是使Paddle Lite能够支持ARM64架构上的Zephyr实时操作系统，从而在Zephyr平台上成功部署深度学习模型，同时保持Paddle Lite的轻量级特性。与在基于Linux的系统的ARM64体系结构上运行模型相比，性能得到提高。

罗健淳，男，目前是湖南大学信息科学与工程学院23级硕士研究生（研一），大学本科毕业于湘潭大学计算机学院·网络空间安全学院计算机科学与技术专业。目前的研究领域为实时操作系统和实时通信，对嵌入式方向有着浓厚的兴趣和热情。参与了航天五院北京控制工程研究所《基于实时高速总线架构的分布式系统资源实时调度方法》的科研项目，具有Zephyr RTOS和ZYNQ平台软件开发经验，对星载计算机操作系统SpaceOS2进行了深入的研究和探索，积累了一定的项目经验。

报告题目：

一种基于TTE和集群选举的分布式卫星系统资源调度框架

报告摘要：

分布式卫星系统业务越来越复杂，传统的程序控制方式已无法满足复杂业务需求。此外在分布式卫星系统运行过程中还存在节点负载不均衡、资源利用率不高等问题。迫切需要采用应用调度迁移技术来提高集群稳定性和资源利用率。然而，目前主流的容器编排平台Kubernetes基于Docker等容器技术。由于Docker假定了很多Linux底层操作系统服务的可用性使得它并不适用于实时操作系统，同时Kubernetes的调度器不是为实时工作负载设计无法保证任务的实时性。

在本研究中，我们提出了一种基于分布式卫星集群的自适应资源调度框架。这是第一次在嵌入式实时操作系统上进行应用迁移调度工作。首先在TTE时间同步点实时监控集群节点负载情况，主节点获取集群中节点计算、存储资源的使用情况，保证资源监控的实时性和准确性。同时提出一种基于优选调度和均衡调度的资源实时调度策略和资源分级池化方法，创建多个关键级别资源池将待调度的应用资源对象迁移至分布式集群中最优的卫星节点上，避免集群节点资源使用过度向某类资源倾斜。进一步提供了一种集群扩展和容错机制，以确保新卫星节点加入和卫星节点不可用时高效响应，提高集群稳定性和服务可靠性。对提出的框架在处理实时和非实时应用方面进行仿真验证，结果表明：1）所提出的资源调度方法与同类技术相比降低了端到端的迁移时延同时减少了内存开销；2）所提出的资源调度策略降低了集群整体不均衡度，在可伸缩场景下降低了集群整体负载，提高了卫星集群系统资源利用率和稳定性。

韦东升，男，湖南大学信息科学与工程学院2023级博士研究生（博一），湖南大学信息科学与工程学院硕士研究生学位。研究方向为汽车电子通信，曾参加多个学科竞赛并获奖，同时参与了包括中国汽研《以太网测试载体》、南昌汽研《车载网络综合实验验证平台》、腾讯《面向车联网的轻量级时间同步实现与优化》、湘江智车《车路协同典型场景示范及验证系统研发》等汽车电子通信领域的实际开发项目，积累了丰富的研究和实践经验。

报告题目：

适用于高级辅助驾驶系统的可灵活配置TSN交换机

报告摘要：

高级辅助驾驶系统（Advanced Driver Assistance System，ADAS）对数据的实时传输和可靠通信具有较高的要求。传统的时间敏感网络（Time-Sensitive Network，TSN）交换机通常使用离线配置（静态）的门控配置列表（Gate Control List，GCL）来限制流量，无法满足ADAS中的复杂的场景需求。因此，我们设计了一种可扩展的TSN交换机配置方案。本方案可以根据流量分析和预测的结果，动态调整GCL门控列表中的规则（包括队列数量和门控状态），使得TSN交换机能够适应不同场景下的流量变化。实验结果表明，相比于静态交换机配置，本方案可以提供更好的实时通信性能和更高的资源利用率。

谢娇，湖南大学信息科学与工程学院计算机工程系2022级硕士研究生（研二），南昌大学工学学士学位。研究方向为汽车软件工程，获2022年第一届湖南省研究生计算机创新大赛一等奖。参与了包括联合汽车电子《软件架构信息提取可视化、多维度指标体系构建及量化评估算法研究》、湘江智车《车联网V2X场景验证系统》等汽车软件领域的实际开发项目，有一定的实践经验。

报告题目：

TMI：汽车软件工程中的二维可维护性指数

报告摘要：

汽车软件供应商采用博世可维护性指数（BMI）来衡量汽车软件的可维护性，但BMI仅从代码层面分析软件的复杂程度，无法满足供应商对汽车软件可维护性衡量的需求，因此我们考虑从汽车软件架构和代码两方面综合考量软件的可维护性。我们提出的方法首先分析了汽车软件架构的特点和模块之间的耦合关系，建立了四层可维护性度量模型，并采用层次分析法，结合专家打分，采用 定性与定量相结合的方法，提取了9个关键指标，并进一步提出了汽车软件二位可维护性指数（TMI）。通过案例分析和实验比较，TMI能够比汽车软件供应商广泛使用的BMI更准确地评估汽车软件的可维护性，满足汽车软件供应商的要求。将TMI应用于实践，指导汽车软件开发和设计，工程师可以根据测量结果重建架构或者优化代码，提高软件的可维护性，降低软件维护成本，提高软件开发效率。

李江伟，男，湖南常德人，目前是湖南师范大学信息科学与工程学院2023级硕士研究生（研一），湖南师范大学工学学士学位。嵌入式与网络计算湖南省重点实验室成员。研究方向为汽车电子通信，具体包括CAN总线通信数据的采集和分析，负载分析和优化，时间同步协议的设计和优化。目前研究内容主要是CAN总线上的高精度时间同步协议的设计与实现，通过大量的在通信领域的实际开发内容，积累了相当丰富的研究和实践经验。

报告题目：

控制器局域网中基于漂移校正的精确时间协议

报告摘要：

基于控制器局域网（Controller Area Network，CAN）的工业嵌入式网络广泛应用于时间敏感领域，对时间精度要求高，需要进行时间同步。由于时钟漂移的影响，CAN总线上现有的时间同步技术为CAN Time Synchronization (CanTSyn)和Drift correction（DC），CanTSyn协议的同步精度较差，DC一般依赖于特定的硬件，不能简单应用于CAN总线的时间同步中。本研究通过提出用于 CAN 总线时间同步的 DC-PTP 解决方案来解决这个问题。该解决方案将漂移校正纳入 PTP，通过分别测量主时钟漂移和从时钟漂移来计算相对时钟漂移。利用相对时钟漂移来补偿和纠正偏移，最终提高时间同步的精度。此外，我们提出了一种收敛同步方法来优化 DC-PTP 的准确性和稳定性。对 PTP 和 DC-PTP 两种同步策略在偏移量方面进行了比较。结果表明，应用漂移校正策略和收敛同步方法后，偏移量很好地控制在1 µs以内。

王中甲，湖南大学信息科学与工程学院计算机工程系2022级硕士研究生(研二)，湖南大学工学学士学位。研究方向为汽车电子通信，获2022年第一届湖南省研究生计算机创新大赛一等奖、拥有发明专利一篇。参与了包括南昌汽研《车载CAN-TSN网络平台》、腾讯《面向车联网的轻量级时间同步实现与优化》、湘江智车《车联网V2X场景验证系统》等汽车电子通信领域的实际开发项目，积累了相当丰富的研究和实践经验。

报告题目：

多类型跨域CAN帧在CAN-TSN架构下的实时调度

报告摘要：

随着汽车智能化和网联化的趋势不断增长，传统的基于电子控制单元（ECU）的硬件架构已经难以满足快速增长的业务需求，以时间敏感网络(TSN)为主干网，控制器局域网(CAN)为域内网络的汽车电子电气(E/E)体系结构引起了广泛的关注。本文研究了在CAN-TSN架构下多类型跨域CAN帧的实时调度问题。在汽车电子电气架构中，多类型跨域CAN帧的调度是一项具有挑战性的任务，因为不同类型的CAN帧具有不同的实时要求和优先级。而在CAN-TSN架构下，由于网络资源的竞争，跨域CAN帧的调度更加复杂。为了解决这个问题，本文提出了一种调度算法，通过将多个CAN报文打包为一个TSN报文，可以有效减少报文的传输次数，提高带宽利用率。同时，在中央交换机配置TSN门控可以根据不同报文的实时要求和优先级进行调度，确保高优先级的报文能够及时传输。

杨嘉凌，湖南大学信息科学与工程学院计算机工程系2023级硕士研究生（研一），现为嵌入式计算湖南省重点实验室成员。本科毕业于长沙理工大学计通学院网络工程专业，目前的研究方向为汽车软件质量度量、汽车软件架构重构。在研一期间参与了湖南大学与联合汽车电子有限公司的产学研项目《软件架构信息提取、多维度指标体系构建和量化评估算法研究》，在该项目中主要负责汽车软件架构模块划分部分的研究与工具开发。

报告题目：

AutoToolMD：基于社区发现的汽车软件架构重构

报告摘要：

随着汽车软件系统的日益复杂，对汽车软件工程中包含的功能和特性的需求逐渐增加。这导致汽车软件应用程序的规模急剧增加。同时，这反过来又导致了这些汽车应用程序的模块数量的增加，从而影响了汽车软件的模块化。工程师在设计架构时根据主观经验设计模块，这有时会有偏差。而影响汽车软件体系结构度量质量的主要因素之一是汽车软件体系结构中软件组件之间的高耦合性。如果能降低耦合，实现高内聚，就能有效提高汽车软件的质量。因此我们首次将聚类算法应用于汽车软件领域将汽车软件体系结构中的软件组件划分为模块，并以模块度作为聚类好坏的指标。通过模块划分能有效降低汽车软件架构的耦合性，提高汽车软件的质量。