信息物理融合系统（Cyber-Physical System, CPS）旨在将信息世界与物理世界融合在一起，通过嵌入式计算技术、网络技术、感知技术以及控制技术的综合应用，达到对物理世界的实时感知、认知分析以及实时控制反馈。CPS的概念一经提出，便得到了工业界以及学术界的高度关注，美国国家基金委员会将CPS列为未来影响美国技术领先地位的八项关键技术的首位。本文围绕着CPS的基本结构特征，对CPS操作系统的关键技术进行了分析研究。本文在分析CPS结构特点的基础上，针对目前没有一种比较清晰的体系结构能够很好的描述CPS中节点的交互过程，给出一种CPS的三层体系结构，详细阐述了物理节点之间的互通、互联、互控。接下来，从实时性、并发性、可预测性的角度出发，分析了CPS对操作系统软件的高标准要求。基于这样的要求，指出传统嵌入式操作系统在进程间同步、通信机制方面的不适应之处，提出了一种面向对象的进程间通信机制，将任务属性与通信能力统一封装成对象的概念，通过对象间端口的操作，完成系统中各对象的无阻塞通信，更好的满足CPS的实时性、并发性要求。设计并实现了两种进程间非阻塞的通信算法，通过实验进行了算法的正确性以及性能的比较验证。此外，本文对比分析了传统嵌入式操作系统所采用的各种进程调度机制，并结合CPS操作系统特点，提出了一种面向不同CPS功能节点的分层调度机制，根据节点功能、任务属性的差异，采取不同的分层次调度算法，确保实时任务与非实时任务的及时响应，更好的满足CPS的对实时性、可靠性要求。