物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)研究與思考

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

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)；RTOS； Linux； Android

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2018.1.004

何小慶，著名的嵌入式系統(tǒng)專家，麥克泰軟件公司創(chuàng)始人，《單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用》編委會(huì)副主任。*本文來(lái)源于“嵌入式系統(tǒng)聯(lián)誼會(huì)主題討論會(huì)（總第22次）——物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)現(xiàn)狀與發(fā)展前景研討會(huì)”上何小慶老師的報(bào)告，已經(jīng)過(guò)作者確認(rèn)。該會(huì)議主辦方：嵌入式系統(tǒng)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)。

1 物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的產(chǎn)生

1.1 RTOS的發(fā)展歷史

提到物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)（物聯(lián)網(wǎng)OS），肯定離不開嵌入式操作系統(tǒng)，更離不開RTOS（實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)）。因?yàn)榍度胧讲僮飨到y(tǒng)的內(nèi)核大都使用RTOS來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)然也有不用RTOS來(lái)實(shí)現(xiàn)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(jì)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(dāng)中也有幾十家RTOS公司，中國(guó)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(duì)RTOS進(jìn)行商業(yè)運(yùn)作，以提供產(chǎn)品或服務(wù)的公司），并以時(shí)間排序，也標(biāo)注了近況，例如有些已經(jīng)被收購(gòu)了，諸如風(fēng)河（WindRiver）在2009年被英特爾（Intel）收購(gòu)，但其產(chǎn)品依然還在：還有些產(chǎn)品被收購(gòu)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(gòu)后也不在了。表1下面幾列是幾家較新的企業(yè)，例如Zephyr、Nuttx等是新一代的開源嵌入式操作系統(tǒng)，也基本屬于RTOS操作系統(tǒng)。

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

1.2 嵌入式操作系統(tǒng)的演進(jìn)之路

在我的《嵌入式操作系統(tǒng)風(fēng)云錄》書[1]中，有1/3的章節(jié)詳解了RTOS的歷史，其結(jié)論是：嵌入式操作系統(tǒng)（也有稱為設(shè)備操作系統(tǒng)，device OS）（注：含手機(jī)）從1980年開始計(jì)算，每隔十年大概會(huì)有一次革命，會(huì)產(chǎn)生一代具有標(biāo)志性的嵌入式操作系統(tǒng)（如圖1）。其中，上世紀(jì)80年代是RTOS kernel（內(nèi)核），代表產(chǎn)品有uC/OS和FreeRTOS。上世紀(jì)90年代有RTOS，代表產(chǎn)品有Vxwork，因?yàn)閂xwork出來(lái)時(shí)沒(méi)有把kernel單獨(dú)拿出來(lái)，它把文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)、sheⅢ、甚至工具IDE（集成開發(fā)環(huán)境）都配置好了，打包給用戶，讓用戶使用起來(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，是通用型的甚至開源的。當(dāng)然微軟嵌入式Windows（注：指Windows 10IoT Core）也是GOS。2010年之后是以Android（安卓）為代表。Android是面向移動(dòng)應(yīng)用的操作系統(tǒng)，因?yàn)锳ndroid最早的設(shè)計(jì)來(lái)自Andy Rubin，就是定位于使用Linux操作系統(tǒng)做手機(jī)，而在之前也有許多人為手機(jī)做過(guò)操作系統(tǒng)，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(xiàn)在基本占了手機(jī)操作系統(tǒng)的八成的市場(chǎng)份額[2]。

最新的是物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)。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(tǒng)出現(xiàn)。

1.3 為什么需要物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)？

無(wú)論是傳統(tǒng)嵌入式的還是通用的OS，都無(wú)法滿足物聯(lián)網(wǎng)的需求，因?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)太復(fù)雜了，需要一個(gè)從端到云的整套解決方案。

2016年在德國(guó)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(shè)備有8大需求：模塊可升級(jí)的架構(gòu)，不同級(jí)別的設(shè)備軟件可伸縮，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備安全，虛擬化，性能和可靠性，連接性，豐富的UI，認(rèn)證。這說(shuō)明需要一種新型操作系統(tǒng)，或者需要在現(xiàn)有的嵌入式操作系統(tǒng)上進(jìn)行改造，來(lái)滿足物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的需求。

目前市面上多數(shù)產(chǎn)品能夠部分滿足這8大需求，例如“模塊可升級(jí)架構(gòu)”，傳統(tǒng)嵌入式OS是不能滿足的；“UI”方面，RT-Thread的UI非常好；再有“認(rèn)證”，目前很多國(guó)內(nèi)OS產(chǎn)品還沒(méi)有通過(guò)認(rèn)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(tǒng)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(jù)Gartner預(yù)測(cè)的2017-2018年10大IoT技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)（IoTOperating System）也位列其中（如圖2），這說(shuō)明至少?gòu)漠a(chǎn)業(yè)界對(duì)此有一個(gè)共識(shí)：物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)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(tǒng)起源于傳感網(wǎng)的兩個(gè)開源OSTinyOS和Contiki。今天的IoT對(duì)二者有相當(dāng)?shù)睦^承性。至今還有個(gè)別的學(xué)校物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)仍在講傳感網(wǎng)的OS。Contiki項(xiàng)目目前依然還很活躍，因?yàn)槠渥髡呤茿dam Dunkels，是為名人，他原來(lái)是瑞典工學(xué)院計(jì)算機(jī)研究所的博士，后來(lái)創(chuàng)立了Thingsqure公司，是LWIP/uIP項(xiàng)目的作者，這個(gè)項(xiàng)目現(xiàn)在一直是他在維護(hù)。歐洲一些高校關(guān)于傳感網(wǎng)的課程還是基于該系統(tǒng)在講。TinyOS是美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的開源項(xiàng)目，至今已經(jīng)停止維護(hù)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開始熱鬧起來(lái)?！哆B線雜志》（Wired）和IEEE的《頻譜》雜志2014年對(duì)物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)都有報(bào)道。為什么是在此時(shí)？因?yàn)閮杉矣杏绊懥Φ墓就瞥隽水a(chǎn)品，它們是：Arm的Mbed OS，微軟的Windows 10 IoTCore。2014年10月陸續(xù)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(duì)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。

2015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(shè)備公司Nest收購(gòu)，因此很快能推出Brillo OS?，F(xiàn)在谷歌要把BriloOS改名為Android Things。這時(shí)業(yè)界熱鬧起來(lái)，大家都覺得物聯(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(duì)物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)，開始是手機(jī)，后來(lái)手機(jī)不成，就轉(zhuǎn)做汽車）。2016年Linux基金會(huì)推出Zephry。我國(guó)的海爾在2017年1月CES（美國(guó)消費(fèi)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(jī)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AIiOS。

1.5 物聯(lián)網(wǎng)OS的分類

物聯(lián)網(wǎng)OS涵蓋從設(shè)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，一大類是嵌入式操作系統(tǒng)，另一類是Linux開源去做，還有一些是Android和蘋果iOS（注：在此包含了手機(jī)）。

但是很有意思的是，據(jù)2016年IoT DevelopersSurvey報(bào)告，Linux占70%以上的份額，其他小OS也不少，沒(méi)有用操作系統(tǒng)的也很多。可見Linux和Android的占有率是很高的。另外如果去看RTOS的機(jī)會(huì)，未來(lái)應(yīng)該是通用OS的3倍，因?yàn)槎鄶?shù)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備將使用MCU作為主控單元，MCU無(wú)法運(yùn)行LinuxOS。

以上可見，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(tǒng)？

目前在學(xué)術(shù)界很難找到物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的定義。ELSEVIER出版社的雜志《Next GenerationComputing System》計(jì)劃出版IoT專輯——SpecialIssue on Internet of Things，該專輯的征稿說(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(shè)計(jì)和驗(yàn)證技術(shù)，還有模塊、能耗、調(diào)度（基于能耗的調(diào)度）、硬件支持、架構(gòu)、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)站稱之為：The operatingsystem built for Internet of Things（為物聯(lián)網(wǎng)打造的操作系統(tǒng)），谷歌網(wǎng)站的Android Things談的不是OS，而是“Build connected devices for awide variety of consumer， retail， and industrialapplications，”大意是針對(duì)所面向的應(yīng)用。Arm認(rèn)為是開源的嵌入式的操作系統(tǒng)，是針對(duì)Thing（物）的設(shè)計(jì)，當(dāng)然一定是包含Arm Cortex-M的物。

《嵌入式操作系統(tǒng)風(fēng)云錄》一書[1]對(duì)物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)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(tái)。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(xiàn)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?yàn)榧夹g(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：一類是為物聯(lián)網(wǎng)而生的OS，即針對(duì)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。

第二類是以嵌入式OS為基礎(chǔ)，把它擴(kuò)展成支持物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的，這一類的最大市場(chǎng)份額是Linux和Android。除此之外，F(xiàn)reeRTOS經(jīng)過(guò)加固、改造也能用于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用[6]，最近亞馬遜推出AmazonFreeRTOS，uC/OS-III、ThreadX也可以用，例如瑞薩的Arm MCU平臺(tái)——Synergy就是基于ThreadX。Vxwork稱也有自己的嵌入式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(tǒng)仍處于開發(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(diào)整期。MiCOOS商標(biāo)沒(méi)有了，之后慶科的MiCO SDK（軟件開發(fā)包）是以什么樣的市場(chǎng)品牌出來(lái)？大家正在觀望。因?yàn)槿绻粸樽约旱闹悄苡布K提供SDK，不能稱作物聯(lián)網(wǎng)OS。一個(gè)操作系統(tǒng)要求能夠支持不同的硬件平臺(tái)，這是操作系統(tǒng)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(rèn)為微軟更強(qiáng)調(diào)“云管端”的云，即上面的云怎么對(duì)IoT設(shè)備進(jìn)行控制，而淡化操作系統(tǒng)在設(shè)備端的作用。

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

MCU廠商在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)更多的用戶來(lái)用。華為L(zhǎng)iteOS也做了黑客松大賽，但目前用戶和合作伙伴規(guī)模相對(duì)較小，依靠NB-IoT發(fā)展的策略偏于單調(diào)。

本節(jié)的結(jié)論是：很少看到和聽到國(guó)內(nèi)和國(guó)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(jié)開始所提到的第二類，諸如RT-Thread。因?yàn)榈诙愒谖锫?lián)網(wǎng)出現(xiàn)之前已經(jīng)有了，因此已積累了很多應(yīng)用和用戶），傳統(tǒng)的RTOS和Linux還是主流。當(dāng)然，被用戶接納是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程，但如果這個(gè)過(guò)程有了，那么后期客戶會(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一浪。

4 思考與建議

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

第二，目前物聯(lián)網(wǎng)OS的內(nèi)涵和外延還不是很清晰。有一種趨勢(shì)是廠商都想做大，那么對(duì)于規(guī)模相對(duì)較小的團(tuán)隊(duì)，就要由小到大、由簡(jiǎn)到繁地展開，而不要什么都做、一步到位。例如RT-Thread的創(chuàng)始人熊譜翔先生稱并沒(méi)有做安全，這是一個(gè)很好的選擇，因?yàn)榘踩质橇硗庖活惣夹g(shù)，沒(méi)有相當(dāng)?shù)募夹g(shù)儲(chǔ)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)。

第三，重視物聯(lián)網(wǎng)OS的安全研究。因?yàn)榘踩俏锫?lián)網(wǎng)中必備的功能，所以如果有一套安全方案，還是會(huì)很吸引用戶的。例如FreeRTOS也沒(méi)有現(xiàn)成的安全方案，如果增加了安全功能，會(huì)更易吸引人們?nèi)ナ褂眠@套物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)。

第四，高校對(duì)物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的研究和關(guān)注還要加強(qiáng)。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(tǒng)，認(rèn)為反響不太大。傳統(tǒng)的嵌入式操作系統(tǒng)的課程改進(jìn)目前處于窗口期了，未來(lái)可能升級(jí)，現(xiàn)在有些學(xué)校也開始考慮開設(shè)基于RTOS的嵌入式課程。實(shí)際上物聯(lián)網(wǎng)OS是有機(jī)會(huì)進(jìn)入到高校的，因?yàn)檫M(jìn)到高校之后才可能影響產(chǎn)業(yè)界，高校計(jì)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(tǒng)普及開來(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(jiān)持，例如有些企業(yè)做著做著就不開源了；有些企業(yè)剛開始時(shí)熱熱鬧鬧地做生態(tài)，之后不做了，因?yàn)樽錾鷳B(tài)投資投入很大，很難短時(shí)間見到產(chǎn)出，因此一些企業(yè)做幾次開發(fā)者大會(huì)后就停下了，回頭還是去做大客戶。

5 結(jié)論

隨著物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)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(xiàn)：

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[2]Kantar， 2017年中國(guó)智能手機(jī)市場(chǎng)Android份額高達(dá)87%[R/OL].（2017-5-2）.http：tech.sina.com.cn/rool/2017-05-13/doc-ifyfecvz1148686.shtrnl

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