传统上,物理世界和信息世界是分离发展的。随着计算机、通信和控制等信息技术的飞速发展,两个世界正在加速融合:一方面,物理世界逐渐被网络化、信息化;另一方面,信息世界深度嵌入物理世界,实现对物理世界的感知、反馈。物理和信息世界正在进行全面、彻底、深度的融合。在此背景下,信息物理融合系统(CPS,Cyber Physical Systems)的概念应运而生。CPS关注信息和物理世界融合过程中的核心问题,即连续的物理过程如何与离散的信息过程实现真正地融合匹配。目前,该领域的研究热点主要集中在CPS模型和CPS支撑技术两大方面。CPS底层传感反馈网络中的节点操作系统是负责与物理过程直接交互的基础信息系统,属于CPS领域重要的支撑技术。尽管目前在无线传感网领域已存在很多节点操作系统的研究成果,但这些系统当初的设计目的基本都是针对无线传感网节点系统的资源有限性特点,并不是以CPS智能实时等特征需求为设计出发点,因此难以直接满足CPS领域的应用需求。本文针对面向CPS的节点操作系统的需求特点展开深入研究,主要工作包括以下方面:(1)与CPS特征需求相适应的节点操作系统功能模型当前已有的节点操作系统主要是面向传感网资源有限性特点设计的,对CPS物联性、互联性和智联性等特点要求考虑不足,将其直接应用于CPS领域并不理想。在深入研究和分析CPS结构特征和关键属性的基础上,本文面向CPS特征要求设计了一种节点操作系统功能模型,并分析了系统的整体架构,以及主要功能模块的结构与特点,为后续开展面向CPS节点操作系统关键技术研究起到指导性作用。(2)满足CPS灵活性要求的节点混合编程模型CPS系统应用类型丰富,任务类型也多样化,具体表现在既有来源于事件驱动机制的事件任务类型,又有来源于多线程驱动机制的线程任务类型,这就对目前节点操作系统中单一的任务编程模型提出了挑战。针对这一问题,本文提出了一种基于适配器机制的节点混合编程模型。在深入剖析事件编程模型与多线程编程模型的内在管理机制的基础上,针对两者在更细粒度上存在的任务管理方式和栈管理方式的差异性,本文给出了模型转换点的转换层次和转换时机,采用适配器机制实现了人工栈与自动栈两种不同栈管理方式的双向转换,从而实现事件模型与线程模型相融合的混合编程模型。在节点操作系统中保证了对事件任务和线程任务的兼容性支持,满足了 CPS对节点操作系统灵活性的要求。(3)满足CPS实时性要求的节点调度算法传感网节点操作系统存在实时性不理想的问题,而这一点正是CPS系统的核心要求。针对该问题,本文将PT抢占阈值算法与SRP栈资源协议在节点调度系统中结合,提出了一种PTS-SRP算法。PTS-SRP算法通过建立抢占阈值θ与SRP资源冲顶值Π之间的赋值关系,解决了 PT抢占阈值与SRP抢占参数的匹配问题,实现了受限抢占算法与资源访问协议的融合。本文还针对PTS-SRP算法完成了可调度性分析,给出了相应的阈值定界策略。实验测试表明,无论是针对单节点系统的实时任务中断响应数指标,还是针对多节点网络环境的实时任务错失率指标,PTS-SRP算法都比目前主流节点调度系统的性能更好,在保证任务实时性的同时进一步减少了任务抢占次数。(4)满足CPS适应性要求的节点调度模型适应性来源于CPS处理多类型任务的需求,而目前大多数节点操作系统的调度模型难以同时调度多种类型的任务。本文建构了一种层次化的调度模型,可以将针对事件任务和线程任务的不同类型调度算法按需组构起来。本文对调度模型的系统结构和调度机制进行了参数化描述和分析。该调度模型具有可配置特点,既支持本文提出的混合编程模型实现,又可以通过系统构成参数的调整,来实现多种类型调度系统的策略模式,满足CPS节点调度系统的适应性要求。(5)满足CPS时间可预测性要求的节点数据管理方法传感网领域的研究工作已逐渐由传统的以节点通信为中心向以数据存储为中心转变,CPS领域丰富的应用类型进一步增强了这种需求。这种变化对仅提供基本数据管理方法的节点操作系统提出了挑战。针对目前节点操作系统中存在的数据操作时延大、操作时间难以预测等方面问题,提出了一种基于集中式级联日志的虚拟扇区映射方法(CLVS)用于构建节点文件系统。该方法通过建立虚拟扇区映射解决闪存块变更操作中的时间延迟问题,通过集中式级联页面日志策略实现了闪存数据操作的可预测性,还设计了与之相适应的垃圾回收机制和损耗均衡策略。实验结果表明,CLVS方法在没有额外增加系统负载的情况下,改善了数据操作响应时间,满足CPS时间可预测性要求,同时还具有良好的垃圾回收和损耗均衡性能。