從RTOS 到 IoT OS

作者 / 沈建華 華東師范大學(xué) 計算機科學(xué)與軟件工程學(xué)院(上海 200062)

　　*本文源于“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 )”上的報告。此會(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)。

　　沈建華，副教授，網(wǎng)絡(luò )研究所副所長(cháng)，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、嵌入式OS、嵌入式軟件設計與優(yōu)化、MCU/DSP應用系統等工作。

摘要：結合作者多年嵌入式系統和物聯(lián)網(wǎng)應用開(kāi)發(fā)與實(shí)踐，探討了物聯(lián)網(wǎng)給嵌入式系統帶來(lái)的影響，物聯(lián)網(wǎng)操作系統的技術(shù)、產(chǎn)品化發(fā)展思路和建議，以及我國在物聯(lián)網(wǎng)操作系統方面的機遇和挑戰。

1 嵌入式系統與RTOS

　　很多嵌入式應用都是基于微控制器(MCU/單片機)的小系統，其中大部分也不使用OS，稍微復雜一點(diǎn)的應用會(huì )考慮用一個(gè)RTOS，如μC/OS、MDK中的RTX、FreeRTOS等，它們基本上只是一個(gè)任務(wù)管理器，也是操作系統內核部分。因為早期的嵌入式系統，應用相對來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單，主要是采集和控制，涉及到數據多一點(diǎn)、要和外部交互的，可能會(huì )用一個(gè)文件系統(如FAT文件系統)或GUI，涉及到網(wǎng)絡(luò )應用就加個(gè)TCP/IP。很多RTOS是開(kāi)源的，沒(méi)有統一標準的API，應用程序要在不同的硬件和RTOS上移植是很困難的，一般都要從底層修改做到應用層。MCU有4位機、8位機、16位機、32位機，系統可為有RTOS或無(wú)RTOS，RTOS也非常多，開(kāi)發(fā)也沒(méi)有應用程序的基本框架，加上應用的多樣性，傳統嵌入式系統開(kāi)發(fā)效率是非常低的。所以很多年前我曾說(shuō)過(guò)：如果說(shuō)Android開(kāi)發(fā)是碎片化嚴重，那嵌入式開(kāi)發(fā)就是粉末化的。這種情況對應到PC機或整個(gè)計算機發(fā)展史上去看的話(huà)，目前嵌入式系統的開(kāi)發(fā)就像上世紀六、七十年代的計算機應用開(kāi)發(fā)，每一個(gè)新硬件出來(lái)，硬件軟件都是不通用、不兼容的，非常散亂。但后來(lái)PC和移動(dòng)應用為什么發(fā)展這么快?就是標準化問(wèn)題。物聯(lián)網(wǎng)給嵌入式系統帶來(lái)了巨大的機遇，但開(kāi)發(fā)平臺、開(kāi)發(fā)工具的逐步標準化是必經(jīng)之路。

2 物聯(lián)網(wǎng)與IoT OS

　　嵌入式系統開(kāi)發(fā)的“散亂”問(wèn)題，物聯(lián)網(wǎng)有機會(huì )來(lái)改變。凡是和互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的應用，發(fā)展速度都很快。從某種角度上說(shuō)，物聯(lián)網(wǎng)應用系統也可看作是嵌入式系統的網(wǎng)絡(luò )應用，因為物聯(lián)網(wǎng)系統中的“物”，基本上都是各種嵌入式設備。在20多年前有一句話(huà)，叫“計算機就是網(wǎng)絡(luò )，網(wǎng)絡(luò )就是計算機”，現在來(lái)看還是非常正確的。嵌入式系統放到物聯(lián)網(wǎng)背景上來(lái)看也是類(lèi)似的，也許再過(guò)個(gè)十年二十年，一個(gè)不聯(lián)網(wǎng)的嵌入式設備也沒(méi)什么用了。嵌入式小設備要聯(lián)網(wǎng)，還要方便、快速地開(kāi)發(fā)各種物聯(lián)網(wǎng)應用，并考慮很多安全問(wèn)題、系統效率問(wèn)題，使用傳統的RTOS加個(gè)網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧是不夠的。無(wú)論從哪個(gè)角度來(lái)看，使用一個(gè)合適的、相對標準化的物聯(lián)網(wǎng)OS(IoT OS)是更好的選擇。就像移動(dòng)應用開(kāi)發(fā)會(huì )選擇Android系統，而不是Linux系統。

3 IoT OS技術(shù)

　　大部分物聯(lián)網(wǎng)設備的“物”，都是基于MCU的小設備。計算機技術(shù)發(fā)展到今天，針對MCU的RTOS的基本功能、技術(shù)都是成熟的。不同RTOS的內核和組件各自有一些小的特點(diǎn)，比如內核調度是用什么算法，任務(wù)堆棧怎么處理，任務(wù)之間的通信方式、支持的任務(wù)狀態(tài)和任務(wù)數等，但是這些已經(jīng)不重要，因為硬件性能提升很多，應用對這些特點(diǎn)基本無(wú)感知了。隨著(zhù)IoT應用系統的復雜化，應用更多關(guān)注的是“端到云”整個(gè)系統的快速實(shí)現和穩定，就像現在移動(dòng)應用APP開(kāi)發(fā)者并不會(huì )去關(guān)心Android里面的底層任務(wù)調度算法一樣。IoT OS更多的要從整體系統架構上思考，而不是在某個(gè)技術(shù)細節上。有關(guān)OS內核與具體處理器的高效融合技術(shù)等，可以在處理器體系結構中去研究和實(shí)現，并可作為IoT OS中一個(gè)與處理器特征相關(guān)的組件。

　　基于MCU的物聯(lián)網(wǎng)應用需要一個(gè)操作系統(IoT OS)，它是一個(gè)以傳統操作系統(RTOS為主)為基礎，針對物聯(lián)網(wǎng)應用特征，擴充了必需的連接、安全、應用協(xié)議、應用框架等組件、軟硬件協(xié)同的功耗管理等組件，同時(shí)應該支持多種主流的MCU和SoC芯片，以及國內外主流云平臺接入協(xié)議的系統軟件。

　　IoT OS也一定是一個(gè)“端-云”一體化的OS。如果僅局限在“端”這個(gè)層面，那它一定不是一個(gè)完整的IoT OS。只有“端-云”深度結合，才能在整個(gè)系統層面做到高效、安全。

　　與IoT OS相關(guān)的開(kāi)發(fā)工具、編程語(yǔ)言，也會(huì )有變革?，F在流行的開(kāi)發(fā)環(huán)境，例如JS、Java，Python等，都是有時(shí)代特征和應用特點(diǎn)的，對IoT應用開(kāi)發(fā)都不太合適。所以，整一個(gè)Java虛擬機放進(jìn)MCU，想用Java來(lái)開(kāi)發(fā)基于MCU的物聯(lián)網(wǎng)應用或做個(gè)Demo驗證，可能更多也是技術(shù)人員的想法，并不具有普遍實(shí)際意義。

　　總之，作為一個(gè)IoT OS，技術(shù)重點(diǎn)不是OS內核，而是“端-云”一體化的系統架構。

4 IoT OS產(chǎn)品化

　　技術(shù)是無(wú)邊界的、是發(fā)散的，技術(shù)必需與應用需求(場(chǎng)景)結合，輸出了產(chǎn)品，技術(shù)才發(fā)揮出價(jià)值。IoT OS的用戶(hù)是開(kāi)發(fā)者，要被廣大開(kāi)發(fā)者所采用IoT OS需要產(chǎn)品化。

　　第一，要有產(chǎn)品思維，要站在用戶(hù)、開(kāi)發(fā)者的角度考慮問(wèn)題，盡量保持OS接口的一致性，不斷地完善、抽象、迭代。

　　第二，對新功能、新技術(shù)要有一個(gè)系統性的規劃，也就是產(chǎn)品定義。做好這個(gè)IoT OS的產(chǎn)品定義，需要對物聯(lián)網(wǎng)應用開(kāi)發(fā)方式、開(kāi)發(fā)者需求、系統架構等很多方面有充分的理解，不僅要有豐富的經(jīng)驗，而且要有系統性和前瞻性。

　　第三，OS產(chǎn)品是用出來(lái)的。不要為出一個(gè)OS而去開(kāi)發(fā)一個(gè)OS， OS一定是為了適應不同時(shí)期的應用需求，從簡(jiǎn)單到復雜、從不穩定到穩定，是應用拉動(dòng)技術(shù)、不斷開(kāi)發(fā)完善出來(lái)的。應用需求的激增，使大量開(kāi)發(fā)者尋找易用的開(kāi)發(fā)環(huán)境，這就是OS的迭代之路。

　　另外，作為一個(gè)產(chǎn)品，外圍的東西也很重要——工具、文檔。這方面我們中國的公司以往受制于現實(shí)條件，做的都不好。但是作為一個(gè)產(chǎn)品，特別是要推向全球的產(chǎn)品，必須把這些配套外圍做好。

5 IoT OS商業(yè)化

　　很多OS是科研院所、技術(shù)人員個(gè)人所為，可以采用一些免授權協(xié)議，不太考慮商業(yè)問(wèn)題。但作為一個(gè)企業(yè)，不談商務(wù)是不行的。任何一個(gè)OS早期是沒(méi)有商業(yè)模式的，嵌入式OS的公司也都是很小的公司，更不要說(shuō)在中國這樣不太認可軟件價(jià)值的環(huán)境下。目前，巨頭紛紛入場(chǎng)，IoT發(fā)展快、應用離散、產(chǎn)品上市時(shí)間要求很高，作為一個(gè)企業(yè)，首先要生存下去。沒(méi)有商業(yè)模式、怎么活下去?所以作為企業(yè)，還得想其他的商業(yè)模式。

　　IoT OS要迭代、收斂的話(huà)，也需要生態(tài)支持。需要芯片廠(chǎng)商、IDH、開(kāi)發(fā)者共同建設，但是這個(gè)生態(tài)建設的過(guò)程是非常漫長(cháng)的。這個(gè)過(guò)程誰(shuí)能夠耗得起?要兼顧到公司自己的生存發(fā)展和生態(tài)建設，這對小公司來(lái)說(shuō)是一件非常難以平衡的事情，商業(yè)化的路就更長(cháng)了。Android到現在可能有一些商業(yè)模式了，畢竟大家都離不開(kāi)它了。OS商業(yè)化過(guò)程漫長(cháng)、需要很大的投入，肯定不是短期的商業(yè)行為。那么在這個(gè)過(guò)程當中該怎么辦?可能還得借助所謂的互聯(lián)網(wǎng)思維，“羊毛出在豬身上”，在這個(gè)點(diǎn)上沒(méi)有出口，但總要找到一個(gè)出口。

　　未來(lái)的物聯(lián)網(wǎng)系統可能就是：AI +軟件+硬件。

　　AI是能力，但對絕大部分物聯(lián)網(wǎng)應用開(kāi)發(fā)而言，用好AI就可以了，云平臺公司、芯片公司會(huì )提供這種能力。硬件是載體，各種技術(shù)、算法做的再好，終究都離不開(kāi)硬件。軟件是“粘合劑”，把各種硬件、AI能力整合在一起，實(shí)現各種具體IoT應用。有一句話(huà)叫“軟件定義世界”，軟件是核心競爭力。有了AI、有了硬件，最終用戶(hù)的應用、服務(wù)都得靠軟件去實(shí)現。如何幫助客戶(hù)快速開(kāi)發(fā)IoT應用軟件?IoT OS是一個(gè)較好的平臺。不斷從各種應用中做共性抽象、豐富OS的內涵，這才是IoT OS發(fā)展的方向和路徑。只有通過(guò)這樣的方式，才可能慢慢形成一個(gè)真正的IoT OS。

6 結論

　　應用拉動(dòng)技術(shù)，技術(shù)推動(dòng)應用發(fā)展。中國在物聯(lián)網(wǎng)OS這個(gè)點(diǎn)上是有很大機會(huì )的，因為物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代目前是中國在引領(lǐng)，應用需求很大，會(huì )極大地拉動(dòng)相關(guān)技術(shù)，包括IoT OS的發(fā)展。IoT OS是“端-云”一體化的產(chǎn)品，不斷迭代，市場(chǎng)選擇，最后可能成為事實(shí)標準。必需要有用戶(hù)思維，OS的用戶(hù)是開(kāi)發(fā)者，所以需要充分了解物聯(lián)網(wǎng)應用開(kāi)發(fā)者的需求和感受。IoT OS商業(yè)化之路漫長(cháng)，企業(yè)需要用互聯(lián)網(wǎng)思維來(lái)考慮商業(yè)模式。

　　參考文獻：

　　[1]何小慶.物聯(lián)網(wǎng)操作系統研究與思考[J].電子產(chǎn)品世界,2018(1):27-31

　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第3期第30頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。