物聯(lián)網(wǎng)操作系統研究與思考

作者 / 何小慶 嵌入式系統聯(lián)誼會(huì )秘書(shū)長(cháng)(北京 100191)

何小慶，著(zhù)名的嵌入式系統專(zhuān)家，麥克泰軟件公司創(chuàng )始人，《單片機與嵌入式系統應用》編委會(huì )副主任。*本文來(lái)源于“嵌入式系統聯(lián)誼會(huì )主題討論會(huì )(總第22次)——物聯(lián)網(wǎng)操作系統現狀與發(fā)展前景研討會(huì )”上何小慶老師的報告，已經(jīng)過(guò)作者確認。該會(huì )議主辦方：嵌入式系統聯(lián)誼會(huì )，時(shí)間：2017年11月12日，地點(diǎn)：北京航空航天大學(xué)。

摘要：探討了為什么需要物聯(lián)網(wǎng)操作系統，物聯(lián)網(wǎng)操作系統的內涵與外延，物聯(lián)網(wǎng)操作系統的現狀，及發(fā)展建議。

1 物聯(lián)網(wǎng)操作系統的產(chǎn)生

1.1 RTOS的發(fā)展歷史

　　提到物聯(lián)網(wǎng)操作系統(物聯(lián)網(wǎng)OS)，肯定離不開(kāi)嵌入式操作系統，更離不開(kāi)RTOS(實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統)。因為嵌入式操作系統的內核大都使用RTOS來(lái)實(shí)現，當然也有不用RTOS來(lái)實(shí)現的物聯(lián)網(wǎng)OS，例如谷歌Android Things、微軟Windows 10 IoT Core等。

　　RTOS始于上世紀七十年代，最早始于北美，截至2017年約有30年的發(fā)展歷史。興盛時(shí)有幾百家，即使在今天在全世界范圍當中也有幾十家RTOS公司，中國也有幾家RTOS公司。

　　表1列舉了一些依然活躍的公司(注：指有商業(yè)公司對RTOS進(jìn)行商業(yè)運作，以提供產(chǎn)品或服務(wù)的公司)，并以時(shí)間排序，也標注了近況，例如有些已經(jīng)被收購了，諸如風(fēng)河(Wind River)在2009年被英特爾(Intel)收購，但其產(chǎn)品依然還在;還有些產(chǎn)品被收購了，但產(chǎn)品基本上不存在了，諸如VRTX已經(jīng)不在了，pSoS被Wind River收購后也不在了。表1下面幾列是幾家較新的企業(yè)，例如Zephyr、Nuttx等是新一代的開(kāi)源嵌入式操作系統，也基本屬于RTOS操作系統。

　　值得說(shuō)明的是，中國也有幾家不錯的RTOS，除了熊譜翔先生創(chuàng )立的RT-Thread之外，中國最近有一家叫Sylix的RTOS公司，在一些軍工的項目非?；钴S^[1]。

1.2 嵌入式操作系統的演進(jìn)之路

　　在我的《嵌入式操作系統風(fēng)云錄》書(shū)^[1]中，有1/3的章節詳解了RTOS 的歷史，其結論是：嵌入式操作系統(也有稱(chēng)為設備操作系統，device OS)(注：含手機)從1980年開(kāi)始計算，每隔十年大概會(huì )有一次革命，會(huì )產(chǎn)生一代具有標志性的嵌入式操作系統(如圖1)。其中，上世紀80年代是RTOS kernel(內核)，代表產(chǎn)品有uC/OS和FreeRTOS。上世紀90年代有RTOS，代表產(chǎn)品有Vxwork，因為Vxwork出來(lái)時(shí)沒(méi)有把kernel單獨拿出來(lái)，它把文件系統、網(wǎng)絡(luò )、shelll、甚至工具IDE(集成開(kāi)發(fā)環(huán)境)都配置好了，打包給用戶(hù)，讓用戶(hù)使用起來(lái)非常方便。

　　但進(jìn)入2000年之后，以Linux為代表，通用OS(GOS)進(jìn)入嵌入式領(lǐng)域，是通用型的甚至開(kāi)源的。當然微軟嵌入式Windows(注：指Windows 10 IoT Core)也是GOS。 2010年之后是以Android(安卓)為代表。Android是面向移動(dòng)應用的操作系統，因為Android最早的設計來(lái)自Andy Rubin，就是定位于使用Linux操作系統做手機，而在之前也有許多人為手機做過(guò)操作系統，例如Montavista，但是做得不是很好，甚至做起來(lái)非常困難。Android出來(lái)之后，其實(shí)也不是很容易，但到現在基本占了手機操作系統的八成的市場(chǎng)份額^[2]。

　　最新的是物聯(lián)網(wǎng)操作系統。如果按十年為一個(gè)周期，2020年或許會(huì )有幾家知名或者流行的面向物聯(lián)網(wǎng)的操作系統出現。

1.3 為什么需要物聯(lián)網(wǎng)操作系統?

　　無(wú)論是傳統嵌入式的還是通用的OS，都無(wú)法滿(mǎn)足物聯(lián)網(wǎng)的需求，因為物聯(lián)網(wǎng)太復雜了，需要一個(gè)從端到云的整套解決方案。

　　2016年在德國紐倫堡舉辦的“嵌入式世界”大會(huì )上，風(fēng)河公司在會(huì )議發(fā)言中列出了物聯(lián)網(wǎng)設備有8大需求：模塊可升級的架構，不同級別的設備軟件可伸縮，物聯(lián)網(wǎng)設備安全，虛擬化，性能和可靠性，連接性，豐富的UI，認證。這說(shuō)明需要一種新型操作系統，或者需要在現有的嵌入式操作系統上進(jìn)行改造，來(lái)滿(mǎn)足物聯(lián)網(wǎng)操作系統的需求?！　∧壳笆忻嫔隙鄶诞a(chǎn)品能夠部分滿(mǎn)足這8大需求，例如“模塊可升級架構”，傳統嵌入式OS是不能滿(mǎn)足的;“UI”方面，RT-Thread的UI非常好;再有“認證”，目前很多國內OS產(chǎn)品還沒(méi)有通過(guò)認證，因此如果用在工業(yè)領(lǐng)域里，這些產(chǎn)品可能還有距離。

　　物聯(lián)網(wǎng)操作系統的概念始于2014年，但是直到2016-2017年才得到廣泛的關(guān)注，根據Gartner預測的2017-2018年10大IoT技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)操作系統(IoT Operating System)也位列其中(如圖2)，這說(shuō)明至少從產(chǎn)業(yè)界對此有一個(gè)共識：物聯(lián)網(wǎng)操作系統需要有人去做。

1.4 物聯(lián)網(wǎng)OS的起源和發(fā)展過(guò)程

　　物聯(lián)網(wǎng)操作系統起源于傳感網(wǎng)的兩個(gè)開(kāi)源OS——TinyOS和Contiki。今天的IoT對二者有相當的繼承性。至今還有個(gè)別的學(xué)校物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)業(yè)仍在講傳感網(wǎng)的OS。Contiki項目目前依然還很活躍，因為其作者是Adam Dunkels，是為名人，他原來(lái)是瑞典工學(xué)院計算機研究所的博士，后來(lái)創(chuàng )立了Thingsqure公司，是LWIP/uIP項目的作者，這個(gè)項目現在一直是他在維護。歐洲一些高校關(guān)于傳感網(wǎng)的課程還是基于該系統在講。TinyOS是美國加州大學(xué)伯克利分校的開(kāi)源項目，至今已經(jīng)停止維護了。

　　2010年歐洲有了面向物聯(lián)網(wǎng)的OS——RIOT，但影響力很小。

　　2014年物聯(lián)網(wǎng)OS開(kāi)始熱鬧起來(lái)?！哆B線(xiàn)雜志》(Wired)和IEEE的《頻譜》雜志2014年對物聯(lián)網(wǎng)操作系統都有報道。為什么是在此時(shí)?因為兩家有影響力的公司推出了產(chǎn)品，它們是：Arm的Mbed OS，微軟的Windows 10 IoT Core。2014年10月陸續有一些小公司推出產(chǎn)品，包括Micrium公司的物聯(lián)網(wǎng)方案Spectrum(基于uC/OS)、慶科發(fā)布MiCO OS。但有些產(chǎn)品還是換湯不換藥，即把自己原有的RTOS增加一些功能組件，然后再對接一下亞馬遜云或微軟云等，就成為一套物聯(lián)網(wǎng)的軟件解決方案?！　?015年華為發(fā)表了LiteOS，不過(guò)影響力有限。影響力最大的是2015年初谷歌在其“I/O 開(kāi)發(fā)者大會(huì )”上宣布的Brilo OS。其誕生的背景是之前剛把智能家居設備公司Nest收購，因此很快能推出Brillo OS?，F在谷歌要把Brilo OS改名為Android Things。這時(shí)業(yè)界熱鬧起來(lái)，大家都覺(jué)得物聯(lián)網(wǎng)OS一定是下一個(gè)風(fēng)口，一定要跟風(fēng)沖。所以在此之后，阿里也有YunOS(注：不主要針對物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)，開(kāi)始是手機，后來(lái)手機不成，就轉做汽車(chē))。2016年Linux基金會(huì )推出Zephry。我國的海爾在2017年1月CES(美國消費電子展)上展出了基于UIhome OS的大冰箱，冰箱上鑲了一個(gè)大平板(人機界面)，海爾在冰箱旁邊有了一個(gè)很大的宣傳牌：Your Home OS。2017年10月，阿里在云棲大會(huì )上宣布支持IoT的AliOS。

1.5 物聯(lián)網(wǎng)OS的分類(lèi)　　物聯(lián)網(wǎng)OS涵蓋從設備到網(wǎng)關(guān)、再到服務(wù)器、最后再到終端，只要有服務(wù)器/云和終端的地方都可以使用。由圖3可見(jiàn)，一大類(lèi)是嵌入式操作系統，另一類(lèi)是Linux開(kāi)源去做，還有一些是Android和蘋(píng)果iOS(注：在此包含了手機)。

　　但是很有意思的是，據2016年IoT Developers Survey報告，Linux占70%以上的份額，其他小OS也不少，沒(méi)有用操作系統的也很多?？梢?jiàn)Linux和Android的占有率是很高的。另外如果去看RTOS的機會(huì )，未來(lái)應該是通用OS的3倍，因為多數物聯(lián)網(wǎng)設備將使用MCU 作為主控單元，MCU 無(wú)法運行Linux OS。

　　以上可見(jiàn)，目前物聯(lián)網(wǎng)世界中是多種OS并存的。

2 什么是一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)操作系統?

　　目前在學(xué)術(shù)界很難找到物聯(lián)網(wǎng)操作系統的定義。ELSEVIER出版社的雜志《Next Generation Computing System》計劃出版IoT專(zhuān)輯——Special Issue on Internet of Things，該專(zhuān)輯的征稿說(shuō)明中定義了物聯(lián)網(wǎng)OS (IoT OS)的一些關(guān)鍵特性，諸如協(xié)議設計和驗證技術(shù)，還有模塊、能耗、調度(基于能耗的調度)、硬件支持、架構、網(wǎng)絡(luò )、協(xié)議棧、可靠性(即互通性)、通用API、實(shí)時(shí)性的能力等。

　　在產(chǎn)業(yè)界，微軟網(wǎng)站稱(chēng)之為：The operating system built for Internet of Things(為物聯(lián)網(wǎng)打造的操作系統)，谷歌網(wǎng)站的Android Things談的不是OS，而是“Build connected devices for a wide variety of consumer，retail，and industrial applications，”大意是針對所面向的應用。Arm認為是開(kāi)源的嵌入式的操作系統，是針對Thing(物)的設計，當然一定是包含Arm Cortex-M的物。

　　《嵌入式操作系統風(fēng)云錄》一書(shū)^[1]對物聯(lián)網(wǎng)操作系統做出了一個(gè)基本定義，就是具備低功耗、實(shí)時(shí)性和安全的傳感、連接、云端管理服務(wù)軟件平臺。前三個(gè)(低功耗、實(shí)時(shí)性和安全性)是技術(shù)，后三個(gè)(傳感、連接和云端管理)是指從端到云的一套方案。

3 物聯(lián)網(wǎng)OS的現狀

　　物聯(lián)網(wǎng)OS目前的情況還是大公司在布局，小公司在投石問(wèn)路^[3-5]。這是因為技術(shù)和產(chǎn)品好做，商業(yè)模式還需要很多摸索。

　　物聯(lián)網(wǎng)OS可以分成兩類(lèi)：一類(lèi)是為物聯(lián)網(wǎng)而生的OS，即針對物聯(lián)網(wǎng)去做的OS，之前并沒(méi)有，代表產(chǎn)品是Mbed OS、MiCO OS、Android Things等，它們還可以再分成支持MCU和支持MPU(嵌入式處理器)的兩種，如圖4?！　〉诙?lèi)是以嵌入式OS為基礎，把它擴展成支持物聯(lián)網(wǎng)應用的，這一類(lèi)的最大市場(chǎng)份額是Linux和Android。除此之外，FreeRTOS經(jīng)過(guò)加固、改造也能用于物聯(lián)網(wǎng)應用^[6]，最近亞馬遜推出Amazon FreeRTOS，uC/OS-III、ThreadX也可以用，例如瑞薩的Arm MCU平臺——Synergy就是基于ThreadX。Vxwork稱(chēng)也有自己的嵌入式OS。Nucleus和RT-Thread 3.0等也都是適合物聯(lián)網(wǎng)的OS。

　　但是目前市場(chǎng)上十余種物聯(lián)網(wǎng)OS都處于發(fā)展初期。例如Arm Mbed OS已出了三個(gè)版本——1.0/2.0、3.0和5.0(最新是5.6.3)版本，但如果瀏覽Arm Mbed的官方網(wǎng)站，其中會(huì )有一句中文提示：Mbed操作系統仍處于開(kāi)發(fā)階段。說(shuō)明Arm還是在摸索和發(fā)展中。

　　慶科MiCO OS的市場(chǎng)定位還處于調整期。MiCO OS商標沒(méi)有了，之后慶科的MiCO SDK(軟件開(kāi)發(fā)包)是以什么樣的市場(chǎng)品牌出來(lái)?大家正在觀(guān)望。因為如果只為自己的智能硬件模塊提供SDK，不能稱(chēng)作物聯(lián)網(wǎng)OS。一個(gè)操作系統要求能夠支持不同的硬件平臺，這是操作系統的最基本條件。

　　Windows 10 IoT Core在向云端發(fā)展。我參加過(guò)多次微軟研討會(huì )，認為微軟更強調“云管端”的云，即上面的云怎么對IoT設備進(jìn)行控制，而淡化操作系統在設備端的作用。

　　AliOS正在進(jìn)入IoT市場(chǎng)。AliOS開(kāi)始和恩智浦(NXP)和ST等公司合作。

　　MCU廠(chǎng)商在2015年之后與物聯(lián)網(wǎng)OS的互動(dòng)較少，例如ST沒(méi)怎么宣傳要支持Mbed，但是最近比較積極地表示要支持AliOS。

　　只有市場(chǎng)互動(dòng)起來(lái)，才可能帶動(dòng)更多的用戶(hù)來(lái)用。華為L(cháng)iteOS也做了黑客松大賽，但目前用戶(hù)和合作伙伴規模相對較小，依靠NB-IoT 發(fā)展的策略偏于單調。

　　本節的結論是：很少看到和聽(tīng)到國內和國外企業(yè)宣傳在使用某種物聯(lián)網(wǎng)OS(注：這里指原生態(tài)的，諸如 Arm Mbed，而不是指本節開(kāi)始所提到的第二類(lèi)，諸如RT-Thread。因為第二類(lèi)在物聯(lián)網(wǎng)出現之前已經(jīng)有了，因此已積累了很多應用和用戶(hù))，傳統的RTOS和Linux還是主流。當然，被用戶(hù)接納是一個(gè)漫長(cháng)的過(guò)程，但如果這個(gè)過(guò)程有了，那么后期客戶(hù)會(huì )愿意主動(dòng)地用它，這種前仆后繼的浪潮就會(huì )產(chǎn)生，像海浪似的一浪推著(zhù)一浪。

4 思考與建議

　　第一，無(wú)論是物聯(lián)網(wǎng)操作系統還是其他操作系統，一個(gè)操作系統的普及，需要很長(cháng)時(shí)間的市場(chǎng)引導，用戶(hù)不太會(huì )在短時(shí)間決定選用哪一種，也不會(huì )輕易更換。即客戶(hù)換多家公司的芯片可能也比換一個(gè)操作系統容易，所以一旦用起來(lái)，操作系統的黏性/忠誠度是很高的。

　　第二，目前物聯(lián)網(wǎng)OS的內涵和外延還不是很清晰。有一種趨勢是廠(chǎng)商都想做大，那么對于規模相對較小的團隊，就要由小到大、由簡(jiǎn)到繁地展開(kāi)，而不要什么都做、一步到位。例如RT-Thread的創(chuàng )始人熊譜翔先生稱(chēng)并沒(méi)有做安全，這是一個(gè)很好的選擇，因為安全又是另外一類(lèi)技術(shù)，沒(méi)有相當的技術(shù)儲備和積累不一定能做，或許你可以從外部引入一些安全技術(shù)?！　〉谌?，重視物聯(lián)網(wǎng)OS的安全研究。因為安全是物聯(lián)網(wǎng)中必備的功能，所以如果有一套安全方案，還是會(huì )很吸引用戶(hù)的。例如FreeRTOS也沒(méi)有現成的安全方案，如果增加了安全功能，會(huì )更易吸引人們去使用這套物聯(lián)網(wǎng)操作系統。

　　第四，高校對物聯(lián)網(wǎng)操作系統的研究和關(guān)注還要加強。2017年我曾在幾次物聯(lián)網(wǎng)教育會(huì )議上介紹過(guò)物聯(lián)網(wǎng)操作系統，認為反響不太大。傳統的嵌入式操作系統的課程改進(jìn)目前處于窗口期了，未來(lái)可能升級，現在有些學(xué)校也開(kāi)始考慮開(kāi)設基于RTOS的嵌入式課程。實(shí)際上物聯(lián)網(wǎng)OS是有機會(huì )進(jìn)入到高校的，因為進(jìn)到高校之后才可能影響產(chǎn)業(yè)界，高校計劃企業(yè)要積極主動(dòng)。

　　最后，企業(yè)要想將物聯(lián)網(wǎng)操作系統普及開(kāi)來(lái)，需要注意以下兩點(diǎn)。首先確定好物聯(lián)網(wǎng)OS的邊界，不要什么都做。其次還要堅持，例如有些企業(yè)做著(zhù)做著(zhù)就不開(kāi)源了;有些企業(yè)剛開(kāi)始時(shí)熱熱鬧鬧地做生態(tài)，之后不做了，因為做生態(tài)投資投入很大，很難短時(shí)間見(jiàn)到產(chǎn)出，因此一些企業(yè)做幾次開(kāi)發(fā)者大會(huì )后就停下了，回頭還是去做大客戶(hù)。

5 結論

　　隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)應用落地和逐漸成熟，物聯(lián)網(wǎng)OS正在興起，目前處于百花齊放的繁榮期，產(chǎn)業(yè)屆需要耐心培育。

　　參考文獻：

　　[1]何小慶.嵌入式操作系統風(fēng)云錄[M].北京：機械工業(yè)出版社,2016

　　[2]Kantar：2017年中國智能手機市場(chǎng)Android份額高達87%[R/OL].(2017-5-12).http://tech.sina.com.cn/roll/2017-05-13/doc-ifyfecvz1148686.shtml

　　[3]江文瑞,何小慶.嵌入式計算設備[J].單片機與嵌入式系統應用,2014(9)

　　[4]何小慶.物聯(lián)網(wǎng)操作系統淺析[J].單片機與嵌入式系統應用,2015(1)

　　[5]江文瑞,何小慶.物聯(lián)網(wǎng)與實(shí)時(shí)操作系統[J].單片機與嵌入式系統應用,2014(12)

　　[6]何小慶.談?wù)凢reeRTOS及其授權方式[J].單片機與嵌入式系統應用,2015(10)

　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第1期第27頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。