AliOS Things的基本架構(gòu)和如何在MCU上應(yīng)用AliOS Things的介紹

隨著物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的普及，物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)也成了廣大開發(fā)者熱烈討論的話題之一，很多的組織和廠商都推出了在物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點上的基礎(chǔ)軟件——物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)，如服務(wù)器巨頭Alibaba推出的AliOS Things，Amazon公司的Amazon FreeRTOS，再如開源社區(qū)領(lǐng)袖Linux基金會推出的Zephyr，以及在國內(nèi)知名度很高的RT-Thread等等。

這些物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)各具優(yōu)勢，小編參與過AliOS Things的開發(fā)，今天就講講AliOS Things的基本架構(gòu)。

在恩智浦MCU上使用AliOS Things

討論AliOS Things之前，先來看看恩智浦在這上面做了哪些工作，有哪些產(chǎn)品可以支持這一物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)。

恩智浦的工程師和廣大開發(fā)者，在AliOS Things上已經(jīng)完成了大量的平臺移植工作。在AliOS Things的GITHUB上，已經(jīng)有數(shù)十款MCU通過了AliOS Things的認(rèn)證測試，并獲得了設(shè)備認(rèn)證。

下面是已經(jīng)獲得認(rèn)證的部分恩智浦MCU的列表：

從這個表里可以看出，很多恩智浦主流的MCU產(chǎn)品都已經(jīng)支持了AliOS Things。另一個要點是，表中可以看到這些MCU的存儲容量跨度很大，最小只有8KB RAM和32KB Flash，這說明AliOS Things可以適應(yīng)非常廣泛的MCU配置，適應(yīng)性很強。

下面就詳細(xì)看看AliOS Things的內(nèi)部模塊和功能配置。

AliOS Things是什么？

AliOS Things是阿里巴巴推出的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備端軟件框架，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可以通過AliOS Things設(shè)備框架接入阿里云，使用云服務(wù)器提供的相關(guān)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備服務(wù)。

AliOS Things軟件框架是基于APACHE2.0協(xié)議的開源軟件，項目地址為

https://github.com/alibaba/AliOS-Things

AliOS Things軟件架構(gòu)可以從下到上分為四層，硬件和硬件抽象層、AOS操作系統(tǒng)層、應(yīng)用框架層和應(yīng)用層，下層組件為上層業(yè)務(wù)邏輯的實現(xiàn)提供支撐機(jī)制。

下圖是AliOS Things的整體框圖：

1. 硬件和硬件抽象層

物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點應(yīng)用的多樣性，導(dǎo)致物聯(lián)網(wǎng)硬件的巨大差異。

物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點設(shè)備上的傳感器、通信模塊、微控制器的內(nèi)核架構(gòu)，外設(shè)組件等都不相同，物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)在不同硬件平臺的可移植性，是其成功與否的一大挑戰(zhàn)。

為了增加物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)在不同硬件平臺的可移植性，AliOS Things對物聯(lián)網(wǎng)硬件提供了3組不同層級的硬件接口，包括微控制器內(nèi)核架構(gòu)模塊(圖中的CPU模塊)，片上系統(tǒng)片上外設(shè)模塊(圖中的HAL模塊)，和基于電路板的模塊(圖中的BSP模塊)。

在Github的項目中，CPU相關(guān)源碼位于/AliOS-Things/platform/arch目錄，HAL相關(guān)源碼位于/AliOS-Things/platform/mcu目錄，API定義文件為/kernel/hal/include/hal/hal.h，BSP相關(guān)源碼位于/AliOS-Things/board目錄。

2. AOS操作系統(tǒng)層

AOS操作系統(tǒng)層主要由核心組件(Kernel)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧(Protocol Stack)和安全組件構(gòu)成。

核心組件

Rhino是一個實時操作系統(tǒng)內(nèi)核。和其他操作系統(tǒng)內(nèi)核類似，Rhino提供了操作系統(tǒng)的基本功能，如多任務(wù)管理、任務(wù)間通信、內(nèi)存管理等。內(nèi)核也支持軟件定時器及功耗管理。如果讀者希望對Rhino內(nèi)核有更多的了解，可以參考AliOS Things百科

https://github.com/alibaba/AliOS-Things/wiki/AliOS-Things-FreeRTOS-Porting-Guide.zh，文章介紹了更多關(guān)于Rhino內(nèi)核的移植、性能、代碼尺寸等信息。

VFS是一個虛擬文件系統(tǒng)，提供了設(shè)備文件接口。類似于Linux系統(tǒng)，除了存儲在存儲器上的文件外，硬件設(shè)備(如傳感器、麥克風(fēng)等)也可以通過VFS設(shè)備接口訪問。

YLoop是一個用于進(jìn)程間通信的異步事件框架，提供了在任務(wù)中接收/處理/發(fā)布系統(tǒng)消息、定時器消息、用戶消息、IO消息(傳感器、WiFi)的機(jī)制。Yloop機(jī)制廣泛的用于AliOS Things的設(shè)備框架層和應(yīng)用程序中。

Key-Value Pair(KV)鍵值對，提供了鍵值對在Flash或EEPROM上的增加、刪除、修改、查詢等接口。上層業(yè)務(wù)可以通過鍵值對接口，完成對硬件設(shè)備數(shù)據(jù)(Sensor校準(zhǔn)參數(shù))或用戶數(shù)據(jù)(WiFi SSID)的管理。

除此以外，核心組件還提供了POSIX兼容接口和低功耗的支持。

核心組件的相關(guān)源碼位于/AliOS-Things/kernel目錄。

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧(Protocol Stack)

AliOS Things網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧包括IP和非IP設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。對于IP網(wǎng)絡(luò)，協(xié)議棧既提供基于LWIP的支持，也提供了MCU + Wi-Fi模塊或Wi-Fi片上系統(tǒng)的支持。對于非IP網(wǎng)絡(luò)，協(xié)議棧包括藍(lán)牙、LoRa WAN、zigbee等。

在物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點中使用的Wi-Fi模塊并非統(tǒng)一規(guī)格。在總線連接方式上，Wi-Fi模塊的接口可能支持UART/SPI/SDIO的一種或幾種；在訪問方式上，有的Wi-Fi模塊使用基于AT命令的控制方式，有的Wi-Fi模塊使用裸Socket形式的API。

套接字適配層SAL(Socket Adapter Layer)旨在抽象Wi-Fi模塊的差別，以提供應(yīng)用層網(wǎng)絡(luò)服務(wù)或者網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序的可移植性，向上層提供BSD Socket接口。

對于設(shè)備組網(wǎng)，AliOS Things網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧還提供基于不同平臺的uMesh庫。

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧相關(guān)源碼在/AliOS-Things/network目錄。

安全組件

AliOS Things對于安全的支持要有以下方面：

基于mbed tls提供TLS支持，用于建立服務(wù)器和IoT節(jié)點的安全可信通信連接。

提供軟件密碼學(xué)引擎

提供安全存儲的接口

提供基于ID2的預(yù)置可信根和相關(guān)認(rèn)證機(jī)制

提供可信執(zhí)行環(huán)境TEE的例子

安全相關(guān)源碼位于/AliOS-Things/security目錄。

3. 應(yīng)用框架(中間件)

應(yīng)用框架包括固件升級框架、傳感器采集框架、物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議、語音服務(wù)、Java Script解釋器和工具。

Linkkit中間件支持各種適用于物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用層協(xié)議，包括MQTT、CoAP、ALink、HTTP、HTTP2等。

uData提供了傳感器采集框架，在uData框架中，傳感器數(shù)據(jù)表示成為傳感器類型，傳感器數(shù)據(jù)和時間戳的實例。

Tiny Engine是一個Java Script腳本解釋器，為實現(xiàn)最終應(yīng)用的跨硬件平臺的運行能力。

固件升級FOTA，基于網(wǎng)絡(luò)的固件升級在物聯(lián)網(wǎng)終端節(jié)點非常普及。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備固件存放在AliCloud中，AliCloud管理入網(wǎng)設(shè)備和對應(yīng)的固件版本。在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和AliCloud建立可信安全連接后，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通過MQTT升級主題訂閱，或者Alink相關(guān)協(xié)議實現(xiàn)待升級固件的下載。在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，由于網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定，實現(xiàn)固件升級通常需要實現(xiàn)“雙備份”升級方式，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的Flash一般會劃分有獨立的存儲升級文件的區(qū)域，這也要求物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點設(shè)備比傳統(tǒng)設(shè)備需要更多的存儲空間。

此外，AliOS Things還提供了語音云服務(wù)接口LinkVoice，物聯(lián)網(wǎng)終端節(jié)點可以上傳語音數(shù)據(jù)，使用阿里云的諸如語音識別等的云服務(wù)。

AliOSThings應(yīng)用框架及中間件相關(guān)源碼位于/AliOS-Things/middleware目錄。

4. 應(yīng)用實例

AliOS Things提供了各種應(yīng)用實例，指導(dǎo)開發(fā)者如何使用AliOS Things提供的各種機(jī)制，以完成物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和AliCloud之間的互聯(lián)通信。

通過BUILD系統(tǒng)和交叉編譯工具鏈，這些應(yīng)用可以在支持AliOS Things的硬件平臺上運行。

AliOS Things應(yīng)用實例的源碼位于/AliOS-Things/app目錄。

結(jié)束語

恩智浦長期致力于物聯(lián)網(wǎng)，以及在AliOS Things平臺下的開發(fā)和移植工作。如果您心意的MCU不在列表中，請讓我們知道，我們有足夠的經(jīng)驗和知識，可以幫助您進(jìn)行平臺的移植和設(shè)備認(rèn)證。

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3.對于邊緣計算，其實嵌入式系統(tǒng)一點兒都不陌生！

4.邊緣計算對嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的影響，究竟有多大？

5.你的應(yīng)用適合選擇哪個Linux版本？這里有答案。。。

6.在北京當(dāng) Python 程序員，能買起房嗎？

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