IOT OS比較，分析IOT OS的發(fā)展方向

摘要：根據(jù)IOT設(shè)備的需求，以及IOT OS需要滿足的技術(shù)特征、現(xiàn)有IOT OS的來(lái)源，分別概述FreeRTOS、AliOS-Things、RT-Thread、Lite OS、Zephyr、Mbed OS、AWorksOS、HybridOS等8個(gè)IOT OS的特點(diǎn)。智能物聯(lián)網(wǎng)（AIOT，AI+IOT）是人工智能與物聯(lián)網(wǎng)的協(xié)同應(yīng)用，據(jù)此分析IOT OS的發(fā)展方向。

關(guān)鍵字：物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)；IOT OS；智能物聯(lián)網(wǎng)；AIOT

1 IOT 設(shè)備特點(diǎn)及IOT OS特征

2016年，WindRiver（風(fēng)河系統(tǒng)公司）指出IOT設(shè)備的8大需求[1]：

不斷調(diào)整和升級(jí)的架構(gòu)（芯片？）；適應(yīng)不同種類的設(shè)備軟件；設(shè)備安全；虛擬化；性能和可靠性；聯(lián)網(wǎng)；豐富的UI；工業(yè)認(rèn)證。

何小慶得出IOT OS的5大技術(shù)特征[2]

1) 管理“物”——物聯(lián)網(wǎng)邊緣節(jié)點(diǎn)上的嵌入式實(shí)時(shí)低功耗設(shè)備。

2) 泛在通信，無(wú)線和有線，近場(chǎng)和遠(yuǎn)距離的通信方式和協(xié)議。

3) 可維護(hù)性，OTA和遠(yuǎn)程維護(hù)。

4) 安全，設(shè)備、通信、云等的安全。

5) 云平臺(tái)，遠(yuǎn)程管理，這是物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)和人工智能的基礎(chǔ)。

2 現(xiàn)有IOT操作系統(tǒng)

現(xiàn)行的IOT操作系統(tǒng)來(lái)源[1][3]：

1) 基于移動(dòng)端操操作系統(tǒng)如Linux、Android、IOS等進(jìn)行裁剪和定制，來(lái)適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)接入設(shè)備的需求。這些OS體積龐大、功耗較高，而且無(wú)法滿足安全認(rèn)證和實(shí)時(shí)性等要求。

2) 傳統(tǒng)的嵌入式操作系統(tǒng)，F(xiàn)reeRTOS（亞馬遜）、RT-Thread、uCos（以前是商業(yè)收費(fèi)，現(xiàn)在也開(kāi)源了）、ThreadX（微軟）、VxWorks的變種。

3) 專門為IOT設(shè)計(jì)，SyberV、華為LiteOS、阿里AliOS-Things、Android Things、ARM Mbed OS。

2.1 FreeRTOS

FreeRTOS起源于英國(guó)人Richard Barry于2003年發(fā)布的開(kāi)源的實(shí)時(shí)內(nèi)核，發(fā)展歷程如下。

2003~2016，傳統(tǒng)嵌入式OS。

2017成為AWS開(kāi)源項(xiàng)目，亞馬遜增加IOT應(yīng)用組件，連接云，變?yōu)镮OT OS。

2016年，Micrium公司的μC/OS被Silicon Labs收購(gòu)，出于競(jìng)爭(zhēng)的擔(dān)心，ST和NXP等知名的嵌入式芯片公司轉(zhuǎn)向支持FreeRTOS[4]。

OS主要特點(diǎn)如下。

歷史悠久，開(kāi)發(fā)者眾多，支持的CPU硬件架構(gòu)特別多，達(dá)35種。

FreeRTOS有一些列軟件，版本眾多，包括開(kāi)源版本、授權(quán)版本、安全版本（SafeRTOS）、Amazon開(kāi)源IOT OS版本。

支持AWS邊緣計(jì)算的功能（Greengrass）。

除了AWS，官方?jīng)]有支持第三方云平臺(tái)。

2.2 AliOS-Things

AliOS Things發(fā)布于2017年杭州云棲大會(huì)， 是AliOS家族旗下的、面向IoT領(lǐng)域的、高可伸縮的物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)。OS主要特點(diǎn)如下。

支持微內(nèi)核基礎(chǔ)上的POSIX實(shí)現(xiàn)，方便程序框架/程序庫(kù)移植。

支持云端一體在線開(kāi)發(fā)（靈活架構(gòu)，自組網(wǎng)），提供IOT全鏈路開(kāi)發(fā)、模擬和部署支持。

支持APP獨(dú)立升級(jí)；組件化思想的多BIN或差分升級(jí)。內(nèi)核、框架層、應(yīng)用層三個(gè)獨(dú)立的BIN文件，芯片廠商可以出廠預(yù)置內(nèi)核，應(yīng)用層只關(guān)心應(yīng)用層開(kāi)發(fā)，不關(guān)心硬件，方便移植。

支持可信執(zhí)行環(huán)境（csky）；支持ID2根身份證和秘鑰；支持系統(tǒng)調(diào)用。

v1.1.1集成了自研的Bone Engine，它是一套為AliOS Things優(yōu)化定制的JavaScript引擎，集成了JavaScript的編程及運(yùn)行環(huán)境。

集成了IOT套件，Link Kit，Link Voice等阿里云IoT核心組件，產(chǎn)品可以訪問(wèn)阿里云服務(wù)。

支持的CPU架構(gòu)一般。

2.3 RT-Thread

起源于上海睿賽德電子科技公司創(chuàng)始人和總經(jīng)理熊譜翔于2006年創(chuàng)建的RT-Thread 開(kāi)源實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)項(xiàng)目，發(fā)展歷程如下。

2011 年 RT-Thread 1.0 版本正式發(fā)布。

2015 年 2.0版本和現(xiàn)在名氣很大的柿餅 GUI 捆綁發(fā)布。

2017 年發(fā)布 3.0，RT-Thread 全面啟動(dòng) IoT 戰(zhàn)略 。

OS特點(diǎn)如下。

集成音頻，圖像相關(guān)的各類算法和智能引擎。

柿餅UI，小型、現(xiàn)代化的圖像庫(kù)。

開(kāi)源、社區(qū)化、中立，開(kāi)放支持第三方云。

Nano版本和IOT版本。

集成開(kāi)源JerryScript引擎，支持JavaScript開(kāi)發(fā)。

組件比較豐富。

混合微內(nèi)核架構(gòu)正在內(nèi)測(cè)[5]，平臺(tái)是柿餅M7的開(kāi)發(fā)板，全志R11處理器，ARM Cortex-A7。

2.4 Lite OS

Huawei LiteOS是華為針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域推出的輕量級(jí)物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)，是華為物聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略的重要組成部分，具備輕量級(jí)、低功耗、互聯(lián)互通、組件豐富、快速開(kāi)發(fā)等關(guān)鍵能力，為開(kāi)發(fā)者提供 “一站式” 完整軟件平臺(tái)，有效降低開(kāi)發(fā)門檻、縮短開(kāi)發(fā)周期。發(fā)展歷程如下，走過(guò)了內(nèi)部產(chǎn)品-開(kāi)源軟件-IoT 解決方案發(fā)展之路。

2012 年華為開(kāi)發(fā)支持公司內(nèi)部消費(fèi)產(chǎn)品的小型嵌入式操作系統(tǒng) LiteOS。

2014 和 2015 年 LiteOS 與Huawei 手機(jī)和智能手表一同出貨。

2016 年 Lite OS內(nèi)核正式開(kāi)源。

2017 年發(fā)布 LiteOS IoT 解決方案（即端云解決方案）

2018 年華為加速開(kāi)發(fā)步伐，發(fā)布LiteOS SDK 2.1 和 Lite OS Studio 1.0（開(kāi)發(fā)環(huán)境）。

2019以后，鴻蒙OS的架構(gòu)中，LiteOS也是其內(nèi)核之一（Linux、鴻蒙、LiteOS）。

OS主要特點(diǎn)：

OpenCPU架構(gòu)，MCU和通信模組二合一，顯著降低終端體積和終端成本，特別適用于NB-IOT應(yīng)用場(chǎng)景和海思芯片，這是它的主要優(yōu)勢(shì)。

智能邊緣項(xiàng)目KubeEdge，名字來(lái)源于Kube + Edge，顧名思義就是依托Kubernetes的容器編排和調(diào)度能力，實(shí)現(xiàn)云邊協(xié)同、計(jì)算下沉、海量設(shè)備接入等。

AI引擎、JS引擎。

支持的CPU架構(gòu)單一。

2.5 Zephyr

Zephy是2016年由Intel、Synopsys、NXP等公司發(fā)起的開(kāi)源實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)平臺(tái)項(xiàng)目，現(xiàn)在由Linux基金會(huì)管理。Zephyr是一款小型且可擴(kuò)展的操作系統(tǒng)，尤其適用于資源受限的硬件系統(tǒng)，可支持多種架構(gòu)。

OS特點(diǎn)如下：

起點(diǎn)很高，來(lái)自風(fēng)河的成熟代碼。

代碼結(jié)構(gòu)和Linux內(nèi)核很相似。

支持的CPU架構(gòu)豐富。

安全設(shè)計(jì)方面，支持用戶態(tài)/內(nèi)核態(tài)；支持MPU；內(nèi)核對(duì)象權(quán)限模型。

支持TEE，Armv8-M trustzone。

功能安全，打算通過(guò)IEC 61508和ISO 26262認(rèn)證。

中間件豐富，支持很多協(xié)議。

2.6 Mbed OS

2014年，ARM發(fā)布了Mbed OS，試圖基于Mbed OS建立一個(gè)龐大的物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)，以此來(lái)連接硬件廠商、軟件服務(wù)商、云服務(wù)商以及開(kāi)發(fā)者社區(qū)。OS特點(diǎn)如下。

面向ARM Cortex-M系列處理器。

版本從1.0、2.0、3.0，然后直接到5.0，6.0在計(jì)劃中。

模塊化的可配置軟件棧，不配置則排除不必要的軟件組件，進(jìn)而降低內(nèi)存要求。

使用C++作為程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。

在線編譯，或者導(dǎo)出工程，用其他IDE編譯，部分源碼不開(kāi)放。

內(nèi)核uVisor運(yùn)行在特權(quán)模式，內(nèi)核創(chuàng)建隔離的安全域，安全域?qū)?nèi)存和外設(shè)的訪問(wèn)權(quán)限有限制。

支持ARM PSA架構(gòu)。

2017年ARM推出了mbed Edge，與mbed Cloud和mbed OS組成邊緣計(jì)算的 IoT 方案 。

云服務(wù)pelion 也是在國(guó)外，影響了國(guó)人的使用。

2.7 AWorksOS

AWorksOS是ZLG（周立功，廣州致遠(yuǎn)電子）歷時(shí)12年開(kāi)發(fā)的工業(yè)智能物聯(lián)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，特點(diǎn)如下。

AWorksOS是不開(kāi)源的，內(nèi)部核心功能組件都是以庫(kù)的形式提供，相關(guān)接口通過(guò)頭文件引出。

AWorksOS以SDK方式發(fā)布，伴隨著特定開(kāi)發(fā)板，SDK中包含了文檔、工具、示例代碼、模版工程等。

OS的發(fā)展，依托ZLG的AWTK開(kāi)源GUI引擎。

分為“核心域”和“非核心域”，即“業(yè)務(wù)”和“技術(shù)”， 非核心域包括底層驅(qū)動(dòng)、操作系統(tǒng)和組件；開(kāi)發(fā)者忽略產(chǎn)品底層技術(shù)細(xì)節(jié)，專注“核心域”。

將MCU和OS的共性抽象為統(tǒng)一接口，應(yīng)用實(shí)現(xiàn)“一次編程，終生使用，跨平臺(tái)”。

支持的CPU很少，目前有ARM Cortex-M4/M7/A7，ARM9。

2.8 HybridOS

合璧操作系統(tǒng)(HybridOS)是北京飛漫軟件于 2018 年 11 月發(fā)起的一個(gè)全新的開(kāi)源項(xiàng)目。HybridOS 的目標(biāo)是為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和云計(jì)算環(huán)境打造一個(gè)全新的操作系統(tǒng)，特點(diǎn)如下。

2019.11.18發(fā)布了第一個(gè)組件hiCairo；2019.12.10發(fā)布了了2D/3D的圖形組件，包括hiMesa、hiDRM、hiDRMDrivers、以及hiCairo，這些和MiniGUI（最初由飛漫軟件創(chuàng)始人魏永明開(kāi)發(fā)，20年的發(fā)展歷程，為 IoT 智能設(shè)備和嵌入式系統(tǒng)提供圖形界面及交互實(shí)現(xiàn)）一起組成了HybridOS的圖形棧；2020.3.29，隨著MiniGUI 5.0的發(fā)布，HybridOS也升級(jí)了圖形棧。

為IOT網(wǎng)絡(luò)中的虛擬計(jì)算節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，故可運(yùn)行在設(shè)備端、云端、客戶端。

提供云端和客戶端的接口，以及設(shè)備端與這兩者通訊的協(xié)議棧。

支持python、JavaScipt、C/C++。

依托MiniGUI，增加數(shù)據(jù)庫(kù)，以及其它復(fù)雜的圖形處理。

2019.9.19宣布MiniGUI4.0.2支持RT-Thread，但是沒(méi)找到相關(guān)驗(yàn)證的源碼。

系統(tǒng)組件是damon進(jìn)程；網(wǎng)絡(luò)通信等協(xié)議棧作為系統(tǒng)的服務(wù)。

3 AI+IOT對(duì)操作系統(tǒng)提出的新課題

移動(dòng)操作系統(tǒng)Android和Linux，無(wú)法滿足工業(yè)安全認(rèn)證和實(shí)時(shí)性要求；傳統(tǒng)的嵌入式操作系統(tǒng)無(wú)法滿足系統(tǒng)擴(kuò)展、維護(hù)和應(yīng)用的便捷需求；針對(duì)智能物聯(lián)網(wǎng)（AIOT，AI+IOT）場(chǎng)景的廣義的嵌入式操作系統(tǒng)和泛IOT OS技術(shù)正在探索和研究中[6]。

智能物聯(lián)網(wǎng)是2018年興起的概念[7]，是人工智能與物聯(lián)網(wǎng)的協(xié)同應(yīng)用，人工智能使物聯(lián)網(wǎng)獲取感知與識(shí)別能力，物聯(lián)網(wǎng)為人工智能提供訓(xùn)練算法的數(shù)據(jù)。AIOT中系統(tǒng)通過(guò)各種信息傳感器實(shí)時(shí)采集各類信息（一般是在監(jiān)控、互動(dòng)、連接情景下的），在終端設(shè)備、邊緣域或云中心通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析，包括定位、對(duì)比、預(yù)測(cè)、調(diào)度等。

AIOT中終端設(shè)備還需要具備智能特性，預(yù)計(jì)未來(lái)IOT OS會(huì)向著兩個(gè)方向發(fā)展，一是大型、復(fù)雜、可配置，二是更小、更安全、硬化，則IOT OS需要滿足如下要求。

1)云端協(xié)同/邊緣計(jì)算架構(gòu)

云端人工智能技術(shù)如何透過(guò)邊緣計(jì)算與設(shè)備節(jié)點(diǎn)的 IOT OS結(jié)合起來(lái)[2]；邊緣節(jié)點(diǎn)管理和控制該場(chǎng)景中各種物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和計(jì)算硬件[8]，同時(shí)也支撐該場(chǎng)景中的應(yīng)用層業(yè)務(wù)需求，提供基本的安全性。

2)人工智能，終端智能化，具備感知和交互能力

AI引擎，JS引擎，音頻、圖像算法。

3)終端虛擬化

輕量級(jí)容器。

4)功能安全

通過(guò)工業(yè)級(jí)認(rèn)證，IEC 61508和ISO 26262。

5)信息安全

內(nèi)核高度安全，通過(guò)形式化認(rèn)證和安全認(rèn)證[9]，ARM Cortex-M33/M35P軟核通過(guò)了EAL6+

認(rèn)證[10]。內(nèi)核支持用戶態(tài)/特權(quán)態(tài)；進(jìn)程MPU隔離；內(nèi)核對(duì)象權(quán)限。

6)可信物聯(lián)網(wǎng)，數(shù)據(jù)可信

結(jié)合區(qū)塊鏈技術(shù)[11]，確保端到端數(shù)據(jù)可信。終端、邊緣、后端基礎(chǔ)設(shè)施（云端）、后端應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)傳遞，確保可信。

7)可擴(kuò)展的內(nèi)核

大型、復(fù)雜、可配置：支持X86、ARM Cortex-A系列；

更小、更安全、硬化：支持極簡(jiǎn)的MCU等資源受限的設(shè)備。

8)APP單獨(dú)管理

多BIN特征，內(nèi)核、框架層、應(yīng)用三個(gè)BIN文件，應(yīng)用層不關(guān)心硬件。

9)高級(jí)語(yǔ)言支持

Micropython，JavaScript。

10)豐富的UI

占用資料少、界面流暢度高。

11)OS抽象層

支持POSIX、CMSIS RTOS

作者：wangyw
文章來(lái)源：博客園

審核編輯 黃昊宇