物聯(lián)網(wǎng)操作系統的架構和基本功能

　　物聯(lián)網(wǎng)操作系統由內核、輔助外圍模塊（文件系統、圖形用戶(hù)界面、通信協(xié)議棧、各類(lèi)常見(jiàn)設備的驅動(dòng)程序等）、集成開(kāi)發(fā)環(huán)境等組成，基于此，可衍生出一系列面向行業(yè)的特定應用，下圖展示了這個(gè)概念：

　　物聯(lián)網(wǎng)操作系統與傳統的個(gè)人計算機操作系統和智能手機類(lèi)操作系統不同，它具備物聯(lián)網(wǎng)應用領(lǐng)域內的一些獨特特點(diǎn)，現說(shuō)明如下。

　　物聯(lián)網(wǎng)操作系統內核的特點(diǎn)

　　1、內核尺寸伸縮性強，能夠適應不同配置的硬件平臺。比如，一個(gè)極端的情況下，內核尺寸必須維持在10K以?xún)?，以支撐內存和CPU性能都很受限的傳感器，這時(shí)候內核具備基本的任務(wù)調度和通信功能即可。在另外一個(gè)極端的情況下，內核必須具備完善的線(xiàn)程調度、內存管理、本地存儲、復雜的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議、圖形用戶(hù)界面等功能，以滿(mǎn)足高配置的智能物聯(lián)網(wǎng)終端的要求。這時(shí)候的內核尺寸，不可避免的會(huì )大大增加，可以達到幾百K，甚至M級。這種內核尺寸的伸縮性，可以通過(guò)兩個(gè)層面的措施來(lái)實(shí)現：重新編譯和二進(jìn)制模塊選擇加載。重新編譯措施很簡(jiǎn)單，只需要根據不同的應用目標，選擇所需的功能模塊，然后對內核進(jìn)行重新編譯即可。這個(gè)措施應用于內核定制非常深入的情況下，比如要求內核的尺寸達到10K以下的場(chǎng)合。而二進(jìn)制模塊選擇加載，則用在對內核定制不是很深入的情況。這時(shí)候維持一個(gè)操作系統配置文件，文件里列舉了操作系統需要加載的所有二進(jìn)制模塊。在內核初始化完成后，會(huì )根據配置文件，加載所需的二進(jìn)制模塊。這需要終端設備要有外部存儲器（比如硬盤(pán)、Flash等），以存儲要加載的二進(jìn)制模塊；

　　2、內核的實(shí)時(shí)性必須足夠強，以滿(mǎn)足關(guān)鍵應用的需要。大多數的物聯(lián)網(wǎng)設備，要求操作系統內核要具備實(shí)時(shí)性，因為很多的關(guān)鍵性動(dòng)作，必須在有限的時(shí)間內完成，否則將失去意義。內核的實(shí)時(shí)性包涵很多層面的意思，首先是中斷響應的實(shí)時(shí)性，一旦外部中斷發(fā)生，操作系統必須在足夠短的時(shí)間內響應中斷并做出處理。其次是線(xiàn)程或任務(wù)調度的實(shí)時(shí)性，一旦任務(wù)或線(xiàn)程所需的資源或進(jìn)一步運行的條件準備就緒，必須能夠馬上得到調度。顯然，基于非搶占式調度方式的內核很難滿(mǎn)足這些實(shí)時(shí)性要求；

　　3、內核架構可擴展性強。物聯(lián)網(wǎng)操作系統的內核，應該設計成一個(gè)框架，這個(gè)框架定義了一些接口和規范，只要遵循這些接口和規范，就可以很容易的在操作系統內核上增加新的功能的新的硬件支持。因為物聯(lián)網(wǎng)的應用環(huán)境具備廣譜特性，要求操作系統必須能夠擴展以適應新的應用環(huán)境。內核應該有一個(gè)基于總線(xiàn)或樹(shù)結構的設備管理機制，可以動(dòng)態(tài)加載設備驅動(dòng)程序或其它核心模塊。同時(shí)內核應該具備外部二進(jìn)制模塊或應用程序的動(dòng)態(tài)加載功能，這些應用程序存儲在外部介質(zhì)上，這樣就無(wú)需修改內核，只需要開(kāi)發(fā)新的應用程序，就可滿(mǎn)足特定的行業(yè)需求；

　　4、內核應足夠安全和可靠。可靠性就不用說(shuō)了，物聯(lián)網(wǎng)應用環(huán)境具備自動(dòng)化程度高、人為干預少的特點(diǎn)，這要求內核必須足夠可靠，以支撐長(cháng)時(shí)間的獨立運行。安全對物聯(lián)網(wǎng)來(lái)說(shuō)更加關(guān)鍵，甚至關(guān)系到國家命脈。比如一個(gè)不安全的內核被應用到國家電網(wǎng)控制當中，一旦被外部侵入，造成的影響將無(wú)法估量。為了加強安全性，內核應支持內存保護（VMM等機制）、異常管理等機制，以在必要時(shí)隔離錯誤的代碼。另外一個(gè)安全策略，就是不開(kāi)放源代碼，或者不開(kāi)放關(guān)鍵部分的內核源代碼。不公開(kāi)源代碼只是一種安全策略，并不代表不能免費適用內核；

　　5、節能省電，以支持足夠的電源續航能力。操作系統內核應該在CPU空閑的時(shí)候，降低CPU運行頻率，或干脆關(guān)閉 CPU。對于周邊設備，也應該實(shí)時(shí)判斷其運行狀態(tài)，一旦進(jìn)入空閑狀態(tài)，則切換到省電模式。同時(shí)，操作系統內核應最大程度的降低中斷發(fā)生頻率，比如在不影響實(shí)時(shí)性的情況下，把系統的時(shí)鐘頻率調到最低，以最大可能的節約電源。

　　物聯(lián)網(wǎng)操作系外圍模塊的特點(diǎn)

　　外圍模塊指為了適應物聯(lián)網(wǎng)的應用特點(diǎn)，操作系統應該具備的一些功能特征，比如遠程維護和升級等。同時(shí)也指為了擴展物聯(lián)網(wǎng)操作系統內核的功能范圍，而開(kāi)發(fā)的一些功能模塊，比如文件系統、網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧等。物聯(lián)網(wǎng)操作系統的外圍模塊（或外圍功能）應該至少具備下列這些：

　　1、支持操作系統核心、設備驅動(dòng)程序或應用程序等的遠程升級。遠程升級是物聯(lián)網(wǎng)操作系統的最基本特征，這個(gè)特性可大大降低維護成本。遠程升級完成后，原有的設備配置和數據能夠得以繼續使用。即使在升級失敗的情況下，操作系統也應該能夠恢復原有的運行狀態(tài)。遠程升級和維護是支持物聯(lián)網(wǎng)操作系統大規模部署的主要措施之一；

　　2、支持常用的文件系統和外部存儲。比如支持FAT32/NTFS/DCFS等文件系統，支持硬盤(pán)、USB stick、Flash、ROM等常用存儲設備。在網(wǎng)絡(luò )連接中斷的情況下，外部存儲功能會(huì )發(fā)揮重要作用。比如可以臨時(shí)存儲采集到的數據，再網(wǎng)絡(luò )恢復后再上傳到數據中心。但文件系統和存儲驅動(dòng)的代碼，要與操作系統核心代碼有效分離，能夠做到非常容易的裁剪；

　　3、支持遠程配置、遠程診斷、遠程管理等維護功能。這里不僅僅包涵常見(jiàn)的遠程操作特性，比如遠程修改設備參數、遠程查看運行信息等。還應該包涵更深層面的遠程操作，比如可以遠程查看操作系統內核的狀態(tài)，遠程調試線(xiàn)程或任務(wù)，異常時(shí)的遠程dump內核狀態(tài)等功能。這些功能不僅僅需要外圍應用的支持，更需要內核的天然支持；

　　4、 支持完善的網(wǎng)絡(luò )功能。物聯(lián)網(wǎng)操作系統必須支持完善的TCP/IP協(xié)議棧，包括對IPv4和IPv6的同時(shí)支持。這個(gè)協(xié)議棧要具備靈活的伸縮性，以適應裁剪需要。比如可以通過(guò)裁剪，使得協(xié)議棧只支持IP/UDP等協(xié)議功能，以降低代碼尺寸。同時(shí)也支持豐富的IP協(xié)議族，比如Telnet/FTP/IPSec/SCTP等協(xié)議，以適用智能終端和高安全可靠的應用場(chǎng)合；

　　5、對物聯(lián)網(wǎng)常用的無(wú)線(xiàn)通信功能要內置支持。比如支持GPRS/3G/HSPA/4G等公共網(wǎng)絡(luò )的無(wú)線(xiàn)通信功能，同時(shí)要支持Zigbee/NFC/RFID等近場(chǎng)通信功能，支持WLAN/Ethernet等桌面網(wǎng)絡(luò )接口功能。這些不同的協(xié)議之間，要能夠相互轉換，能夠把從一種協(xié)議獲取到的數據報文，轉換成為另外一種協(xié)議的報文發(fā)送出去。除此之外，還應支持短信息的接收和發(fā)送、語(yǔ)音通信、視頻通信等功能；

　　6、內置支持XML文件解析功能。物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，不同行業(yè)之間，甚至相同行業(yè)的不同領(lǐng)域之間，會(huì )存在嚴重的信息共享壁壘。而XML格式的數據共享可以打破這個(gè)壁壘，因此XML標準在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域會(huì )得到更廣泛的應用。物聯(lián)網(wǎng)操作系統要內置對XML解析的支持，所有操作系統的配置數據，統一用XML格式進(jìn)行存儲。同時(shí)也可對行業(yè)自行定義的XML格式進(jìn)行解析，以完成行業(yè)轉換功能；

　　7、支持完善的GUI功能。圖形用戶(hù)界面一般應用于物聯(lián)網(wǎng)的智能終端中，完成用戶(hù)和設備的交互。GUI應該定義一個(gè)完整的框架，以方便圖形功能的擴展。同時(shí)應該實(shí)現常用的用戶(hù)界面元素，比如文本框、按鈕、列表等。另外，GUI模塊應該與操作系統核心分離，最好支持二進(jìn)制的動(dòng)態(tài)加載功能，即操作系統核心根據應用程序需要，動(dòng)態(tài)加載或卸載GUI模塊。GUI模塊的效率要足夠高，從用戶(hù)輸入確認，到具體的動(dòng)作開(kāi)始執行之間的時(shí)間（可以叫做click-launch時(shí)間）要足夠短，不能出現用戶(hù)點(diǎn)擊了確定、但任務(wù)的執行卻等待很長(cháng)時(shí)間的情況；

　　8、支持從外部存儲介質(zhì)中動(dòng)態(tài)加載應用程序。物聯(lián)網(wǎng)操作系統應提供一組API，供不同應用程序調用，而且這一組 API應該根據操作系統所加載的外圍模塊實(shí)時(shí)變化。比如在加載了GUI模塊的情況下，需要提供GUI操作的系統調用，但是在沒(méi)有GUI模塊的情況下，就不應該提供GUI功能調用。同時(shí)操作系統、GUI等外圍模塊、應用程序模塊應該二進(jìn)制分離，操作系統能夠動(dòng)態(tài)的從外部存儲介質(zhì)上按需加載應用程序。這樣的一種結構，就使得整個(gè)操作系統具備強大的擴展能力。操作系統內核和外圍模塊（GUI、網(wǎng)絡(luò )等）提供基礎支持，而各種各樣的行業(yè)應用，通過(guò)應用程序來(lái)實(shí)現。最后在軟件發(fā)布的時(shí)候，只發(fā)布操作系統內核、所需的外圍模塊、應用程序模塊即可。

　　物聯(lián)網(wǎng)操作系統集成開(kāi)發(fā)環(huán)境的特點(diǎn)

　　集成開(kāi)發(fā)環(huán)境是構筑行業(yè)應用的關(guān)鍵工具，物聯(lián)網(wǎng)操作系統必須提供方便靈活的開(kāi)發(fā)工具，以開(kāi)發(fā)出適合行業(yè)應用的應用程序。開(kāi)發(fā)環(huán)境必須足夠成熟并得到廣泛適用，以降低應用程序的上市時(shí)間（GTMT）。集成開(kāi)發(fā)環(huán)境必須具備如下特點(diǎn)：

　　1、 物聯(lián)網(wǎng)操作系統要提供豐富靈活的API，供程序員調用，這組API應該能夠支持多種語(yǔ)言，比如既支持C/C++，也支持Java、Basic等程序設計語(yǔ)言；

　　2、 最好充分利用已有的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。比如可以利用Eclipse、Visual Studio等集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，這些集成開(kāi)發(fā)工具具備廣泛的應用基礎，可以在Internet上直接獲得良好的技術(shù)支持；

　　3、 除配套的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境外，還應定義和實(shí)現一種緊湊的應用程序格式（類(lèi)似Windows的PE格式），以適用物聯(lián)網(wǎng)的特殊需要。通過(guò)對集成開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行定制，使得集成開(kāi)發(fā)環(huán)境生成的代碼，可以遵循這種格式；

　　4、 要提供一組工具，方便應用程序的開(kāi)發(fā)和調試。比如提供應用程序下載工具、遠程調試工具等，支撐整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程。

　　可以看出，上述物聯(lián)網(wǎng)操作系統內核、外圍模塊、應用開(kāi)發(fā)環(huán)境等，都是支撐平臺，支撐更上一層的行業(yè)應用。行業(yè)應用才是最終產(chǎn)生生產(chǎn)力的軟件，但是物聯(lián)網(wǎng)操作系統是行業(yè)應用得以茁壯生長(cháng)和長(cháng)期有效生存的基礎，只有具備了強大靈活的物聯(lián)網(wǎng)操作系統，物聯(lián)網(wǎng)這棵大樹(shù)才能結出豐碩的果實(shí)。