学位论文简介

嵌入式实时操作系统是支撑汽车电子、航空航天和工业控制等关键装备的核心基础软件，随着智能装备向单芯片多操作系统混合部署方向演进，实时操作系统需要在支持实时应用的同时，通过虚拟化为其他操作系统提供运行环境。面向这一需求，本文研究RTOS原生虚拟化架构，研发嵌入式虚拟化实时操作系统ZVM，支持一芯多OS的实时、轻量及可扩展混合部署。在此基础上，进一步研究自适应跨层调度与可信内存保护方法，提升多OS运行中的调度性能与关键数据安全，并开展ZVM生态建设与应用验证。主要研究内容如下

1. 提出面向客户OS隔离与外设共享的RTOS原生虚拟化架构。针对管理任务与客户OS共享pCPU引起的运行干扰和故障传播，以及共享外设访问中的跨层转发开销，将RTOS内核与虚拟化模块一体化部署于EL2，设计CPU绑定隔离与pCPU自下线机制，通过Hypervisor内建外设共享和定向唤醒缩短访问路径。块设备随机读测试最大访问延迟较Xen和Xvisor分别降低63.1%和21.4%。

2. 提出客户OS负载感知的自适应跨层调度方法CoGAS。针对单一调度策略难以适应混合负载需求、CFS对vCPU负载变化适应不足的问题，通过客户OS负载感知与跨层信息传输，结合处理器竞争选择调度模式，并通过vCPU权重调节、虚拟运行时间补偿与核间调度优化，兼顾了响应延迟与系统吞吐等多类型任务。UnixBench综合得分较Aware和Double分别提高18.9%和12.4%。

3. 提出基于Arm TrustZone的多客户OS可信内存空间HyperSpace。针对Hypervisor失陷后的关键数据访问风险，以及独立安全客户OS的运行开销，在安全世界构建独立数据区域，结合调用来源异常级校验、授权密钥与区域绑定及范围检查实现访问控制，通过寄存器内联与缓冲区分块传输降低数据交换开销。确保数据安全的前提下，数据读取和写入平均延迟较vTZ方案分别降低91.1%和91.3%。

4. 构建面向智能装备的ZVM生态与应用验证体系。针对多OS混合部署中的软硬件适配、运行管理与行业应用付需求，完成多类型客户OS适配，获得瑞芯微、飞腾的芯片兼容性证明，配套可视化管理、自动化测试与版本交付工具，形成从平台适配、系统部署的行业应用体系。

主要学术成果

1. Xie, Guoqi, Chenglai Xiong, Wei Wu, Renfa Li, and Wanli Chang. "Holistic WCRT Analysis for Global Fixed-Priority Preemptive Multiprocessor Scheduling." 2023 60th ACM/IEEE Design Automation Conference (DAC 2023). (CCF A类会议, 导师第一，本人第二)

2. Xiong, Chenglai, Junjie Wen, Guoqi Xie, Zhongjia Wang, Zhenli He, Shaowen Yao, Jianfeng Tan et al. "Dcs3: A dual-layer co-aware scheduler with stealing balance and synchronized priority in virtualization environments." IEEE Transactions on Computers 75.1 (TC 2025): 365-379. (CCF A类期刊, 第一作者)

3. Xiong, Chenglai, Guoqi Xie, Xinxin Jiang, Shufeng Chen, Sirong Zhao, Xingyu Hu, and Xuejun Yu. "TrustSpace: Trusted memory space against control hijacking attacks." Journal of Systems Architecture (JSA 2026): 103801.. (CCF A类期刊，第一作者)

4. Zhao, Sirong, Guoqi Xie, Chenglai Xiong, Kenli Li, Xuejun Yu, Bo Wan, and Yiwen Jiang. "AVL function table for LeafHooks insertion with obfuscated control flow integrity." IEEE Transactions on Computers 74.4 (TC 2024): 1334-1347.(CCF A类期刊，第三作者)

5. Deng, Yin, Guoqi Xie, Chenglai Xiong, Sirong Zhao, Wei Ren, and Kenli Li.. "Zram Instance Pool Framework for Adaptive Memory Compression in Resource-Sensitive Embedded Operating Systems." IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems 44.8 (TCAD 2025): 2925-2938. (CCF A类期刊，第三作者)

6. Zhang, Guodong, Guoqi Xie, Wenyan Yan, Chenglai Xiong, Junjie Wen, Zhenli He, and Shaowen Yao. "Paddle Lite on Zephyr: Deploying AI Models in RTOS for Inference Acceleration." IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems 45.1 (2025): 260-265. (CCF A类期刊，第四作者)

7. Bi, Fangqi, Guoqi Xie, Yuan Wang, Hao Wen, Zhenli He, Shaowen Yao, Sirong Zhao, Chenglai Xiong, et al. "Hypercall-oriented abnormal VM status detection system: A non-intrusive solution for both hypervisor and guests." IEEE Transactions on Computers 74, no. 9 (TC 2025): 3032-3045. (CCF A类期刊，第八作者)

8. An RTOS-Native Virtualization Architecture with Guest Isolation and Device Sharing (CCF A类会议在投，第一作者)