國產嵌入式操作系統(tǒng)發(fā)展步入快車道

嵌入式操作系統(tǒng)歷史悠久、門類繁多、用途廣泛，不僅包括嵌入式實時多任務操作者系統(tǒng)（RTOS）、開源的 Linux、機器人和路由器操作系統(tǒng)，還包括新型的物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)，以及邊緣計算操作系統(tǒng)平臺。筆者認為，只要是國人開發(fā)的，國人參與維護的開源項目，都是廣義上的“國產嵌入式操作系統(tǒng)”，隨著中國物聯(lián)網(wǎng)產業(yè)迅猛發(fā)展，國產裝備自主可控需求旺盛，國產嵌入式操作系統(tǒng)發(fā)展步入快車道。

1. 國產物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)頗具影響力

睿賽德電子科技公司這個名字大家不是很熟悉，但是他們的產品 RT-Thread 在物聯(lián)網(wǎng)和嵌入式開發(fā)者心目中是非常棒的開源軟件，RT-Thread 是國內目前合作和支持芯片和廠商眾多、社區(qū)開發(fā)者踴躍、組件豐富、應用領域廣泛的國產物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)。2017 年以前，RT-Thread 還是一個傳統(tǒng)的嵌入式操作系統(tǒng)，經(jīng)過過去兩年的發(fā)展，RT-Thread 在縮短產品開發(fā)周期、加快端云互聯(lián)對接和提升設備端軟件質量等方面做了大量工作，取得顯著的成效。

華為 LiteOS 是另外一個在物聯(lián)網(wǎng)領域頗具影響力的嵌入式操作系統(tǒng)。今天名氣已經(jīng)很大的華為可穿戴產品，比如 Huawei WatchGT，2015 年開始使用 LiteOS。超低功耗和超小的尺寸要求，給了 LiteOS 一個發(fā)展成熟的機會，到了 2017 年正式推出開源的物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)，LiteOS 已經(jīng)初具規(guī)模很快在 NB-IoT 領域站穩(wěn)了市場，特別是 OPEN CPU 的 NB-IOT 芯片和模組方案里面，都有 LiteOS 身影。在 HDC 2019 大會上，鴻蒙 OS 的當前的架構里面，LiteOS 也是其內核之一（Linux、鴻蒙和 LiteOS）。隨著鴻蒙出現(xiàn)，未來 LiteOS 還是一個謎，但其針對 IoT 設備特有的素質，必將會融合進華為操作系統(tǒng)的布局里面。

2. 開源嵌入式操作系統(tǒng)助力創(chuàng)新發(fā)展

Zephyr 是 2016 年由 Intel、Synopsys、NXP 等公司發(fā)起的開源實時操作系統(tǒng)平臺項目，現(xiàn)在由 Linux 基金會管理。項目旨在聯(lián)合整個行業(yè)的領導者，構建針對資源小型受限設備，開發(fā)一個可擴展的嵌入式實時操作系統(tǒng)。Zephyr 雖然歷史比較短，但起點很高，是發(fā)起公司和組織多年的經(jīng)驗教訓的總結，最初的代碼來自風河，風河的 vxwork RTOS 在工業(yè)和航空航天極有影響力。

Zephyr 雖然只有 3 年的歷史，相對 FreeRTOS 和 Contiki 等開源 RTOS，Zephyr 比較完備，中間件豐富。在安全設計方面 Zephyr 有縝密的考量，在代碼規(guī)范中，Zephyr 用 MISRA C；在功能安全認證上，Zephyr 選擇 IEC61508，這些功能開源嵌入式操作系統(tǒng)里面還沒有其他項目能做到。Zephyr 有一個充滿活力的國際開發(fā)社區(qū)，它和物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)中的 ARM Mbed OS、nuttX 和 RIOT 比較，活躍度很高。雖然 Zephyr 目前在中國關注度目前比較低，但技術上產品發(fā)展思路很值得國內同行的借鑒。

3. 自主可控、安全先行

國產嵌入式操作系統(tǒng)發(fā)展一個重要方向就是打造航空航天、工業(yè)裝備和軌道交通、通信設備和汽車電子的自主可控的操作系統(tǒng)。面向裝備與國防系統(tǒng)的嵌入式操作系統(tǒng)在可靠性、環(huán)境適應性、電磁兼容性、實時控制性方面都有自己的一套要求。華為在嵌入式操作系統(tǒng)方面的起步比較早，目前已經(jīng)有基于開源的 Linux 自研的高可靠、高安全與高實時性的操作系統(tǒng)，覆蓋了公司通信產品中的各個業(yè)務。

華為的 RTOS 面向 5G 萬物互聯(lián)的物聯(lián)網(wǎng)時代，對于操作系統(tǒng)安全方面的考慮尤其重視，可滿足安全、可靠、自主的嵌入式實時操作系統(tǒng)要求。上海華元創(chuàng)信研發(fā)的銳華高安全嵌入式操作系統(tǒng)（ReWorks Cert），符合功能安全標準 IEC 61508 SIL/SC3（通用）和EN 50128 SW SIL4（軌道交通），是國內目前少數(shù)通過國際第三方認證公司認證的嵌入式實時操作系統(tǒng)。目前ReWorks Cert 已率先成功應用于軌道交通信號領域龍頭公司卡斯柯信號有限公司的安全計算機平臺中，該計算機平臺已成功通過 EN 50126 SIL4 等級認證。ReWorks Cert 有望在城市軌道交通領域獲得規(guī)?；瘧谩?/p>

4. 技術發(fā)展、標準領航

嵌入式操作系統(tǒng)的發(fā)展離不開相關國家標準的制定，中國電子技術標準化研究院物聯(lián)網(wǎng)中心正在著手物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)國家標準體系制訂的前期研究工作。物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的應用領域比較廣泛，包括智慧城市、智能家居、交通運輸、智能電網(wǎng)等場景，物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)標準的制定，工作需要產業(yè)和學術屆的支持和幫助，為物聯(lián)網(wǎng)的標準化建設貢獻力量。物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)標準制定，對于物聯(lián)網(wǎng)產業(yè)生態(tài)建設將更為重要，期待政府出臺一些政策來促進物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的健康良性發(fā)展等。

5. 嵌入式操作系統(tǒng)發(fā)展新趨勢

物聯(lián)網(wǎng)安全需要嵌入式操作系統(tǒng)通過安全認證，比如醫(yī)療電子 IEC 60601/62304、汽車電子 ISO 26262、航空電子 DO-178B/C 和核電 IEC 61513。老牌的嵌入式操作系統(tǒng) QNX、Vxwork、Integrity 和 SafeRTOS 在安全認證起步比較早，Thread-X、uC/OS 和 embOS 這兩年也迎頭趕上，開源的 Zephery 正在做認證的工作，將要成為首家通過安全認證的開源嵌入式操作系統(tǒng)。

上面講到上海銳華的 RTOS 成功應用于軌道交通信號領域龍頭公司卡斯柯信號有限公司的安全認證計算機平臺中， 這說明國產嵌入式操作系統(tǒng)已經(jīng)具備安全的能力并具備相應的技術能力。嵌入式操作系統(tǒng)的虛擬化已經(jīng)由來已久，幾乎所有大的 RTOS 公司都有自己 Hypervisor 比如 ENEA 和風河，但是 Hypervisor 存在性能不高和缺少統(tǒng)一設備驅動的問題。隨著容器技術在服務器和云計算成功采用，容器技術被證明具備應用級安全，這樣輕量型容器技術受到物聯(lián)網(wǎng)和嵌入式系統(tǒng)的關注。

目前基于 Linux 輕量級容器技術研究進展比較大，比如 Canonical 推出的針對物聯(lián)網(wǎng)以及邊緣計算平臺 Ubuntu Core 和它類似 Docker 的 Snap package 包管理軟件，以及針對 IoT 的支持容器技術 ResinOS（現(xiàn)更名為 BalenaOS）。

IoT 設備大量使用 MCU，無法運行 Linux，包括翼輝信息和華為等企業(yè)推出輕量級安全容器技術，即在它們 RTOS 基礎上實現(xiàn)容器技術，已滿足物聯(lián)網(wǎng)時代安全、實時和快速布置和管理的新的需求。

嵌入式操作系統(tǒng)的內核繼續(xù)呈現(xiàn)百花齊放局面，基于宏內核的 RTOS 仍占多數(shù)。微內核技術應用在商業(yè) RTOS 的歷史可以追溯到 90 年初，比如 VRTXsa，目前依然活躍在市場上代表性產品是 QNX，因為實時性等因素，微內核技術在代碼受限的 MCU 上應用很少，比如 uc/OS、FreeRTOS 和 RT-Thread 都是宏內核技術。

在 MCU 中如何能享受到大型 OS 的一些特性，同時保留 RTOS 在尺寸、實時性等方面的優(yōu)勢呢？AliOS Things 在 ARM 架構Cortex M 和 A 處理器上做了有益嘗試，他們實現(xiàn)安全、多應用、內核可靠和動態(tài)低流量升級等技術特征。

AIOT 應用的對傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)提出新的課題，比如可擴展的內核技術、功能安全和信息安全、邊緣計算架構的支持和應用 App 的便捷布置和管理。

傳統(tǒng)的移動操作系統(tǒng)比如 Android 和開源的 Linux 無法滿足功能安全認證和強實時性的需要，傳統(tǒng)的基于宏內核的 RTOS 無法滿足系統(tǒng)擴展、維護和應用便捷的需要，針對 AIOT 場景的廣義的嵌入式操作系統(tǒng)和泛 IoT OS 技術正在探索和研究中，比如無人駕駛汽車上的操作系統(tǒng)技術正在吸引產業(yè)和學術界關注。

6. 結束語

可以預見，嵌入式操作系統(tǒng)和 IoT OS 將向大型復雜和可配置、更小更安全和硬化兩個方向發(fā)展，以適應物聯(lián)網(wǎng)和人工智能時代，計算架構和應用軟件平臺發(fā)展的新需求。嵌入式軟件經(jīng)歷了 80 年代微處理器和硬件設計占主導地位，軟件在系統(tǒng)中比例很低；90 年代商業(yè) RTOS 出現(xiàn)，解決了一部分軟件復雜性問題；2000 年之后開源軟件大規(guī)模采用，開發(fā)方法發(fā)生巨大的變革；2010 年之后 IoT 架構和應用驅動分布式實時軟件回歸；預計到了 2020 年“軟件定義硬件”將驅動嵌入式軟件開發(fā)方法變革，包括嵌入式和 IoT OS 的操作系統(tǒng)技術將迎來新的發(fā)展機遇。