國產(chǎn)嵌入式操作系統(tǒng)發(fā)展思考

時(shí)間：2020-09-21 10:45:23

關(guān)鍵字：嵌入式物聯(lián)網(wǎng)

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[導(dǎo)讀]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(shí)時(shí)多任務(wù)操作者系統(tǒng)（RTOS）、開源的 Linux、機(jī)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(jì)算操作系統(tǒng)平臺(tái)。筆者認(rèn)為，只要是國人開發(fā)的，國人參與維護(hù)的開源項(xiàng)目，都是廣義上的“國產(chǎn)嵌入式操作系統(tǒng)”，隨著中國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，國產(chǎn)裝備自主可控需求旺盛，國產(chǎn)嵌入式操作系統(tǒng)發(fā)展步入快車道。

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作者 | 何小慶

責(zé)編 | 屠敏

出品 | CSDN（ID：CSDNnews）

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(shí)時(shí)多任務(wù)操作者系統(tǒng)（RTOS）、開源的 Linux、機(jī)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(jì)算操作系統(tǒng)平臺(tái)。筆者認(rèn)為，只要是國人開發(fā)的，國人參與維護(hù)的開源項(xiàng)目，都是廣義上的“國產(chǎn)嵌入式操作系統(tǒng)”，隨著中國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，國產(chǎn)裝備自主可控需求旺盛，國產(chǎn)嵌入式操作系統(tǒng)發(fā)展步入快車道。

1.? 國產(chǎn)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(gè)名字大家不是很熟悉，但是他們的產(chǎn)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(nèi)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(yīng)用領(lǐng)域廣泛的國產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)。2017 年以前，RT-Thread 還是一個(gè)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(chǎn)品開發(fā)周期、加快端云互聯(lián)對(duì)接和提升設(shè)備端軟件質(zhì)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(gè)在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)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(chǎn)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(gè)發(fā)展成熟的機(jī)會(huì)，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(lǐng)域站穩(wěn)了市場(chǎng)，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(huì)上，鴻蒙 OS 的當(dāng)前的架構(gòu)里面，LiteOS 也是其內(nèi)核之一（Linux、鴻蒙和 LiteOS）。隨著鴻蒙出現(xiàn)，未來 LiteOS 還是一個(gè)謎，但其針對(duì) IoT 設(shè)備特有的素質(zhì)，必將會(huì)融合進(jìn)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(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。項(xiàng)目旨在聯(lián)合整個(gè)行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者，構(gòu)建針對(duì)資源小型受限設(shè)備，開發(fā)一個(gè)可擴(kuò)展的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。Zephyr 雖然歷史比較短，但起點(diǎn)很高，是發(fā)起公司和組織多年的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)的總結(jié)，最初的代碼來自風(fēng)河，風(fēng)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(duì) FreeRTOS 和 Contiki 等開源 RTOS，Zephyr 比較完備，中間件豐富。在安全設(shè)計(jì)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(rèn)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(xiàng)目能做到。Zephyr 有一個(gè)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(guān)注度目前比較低，但技術(shù)上產(chǎn)品發(fā)展思路很值得國內(nèi)同行的借鑒。

3.? 自主可控、安全先行

國產(chǎn)嵌入式操作系統(tǒng)發(fā)展一個(gè)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(shè)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(yīng)性、電磁兼容性、實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)性的操作系統(tǒng)，覆蓋了公司通信產(chǎn)品中的各個(gè)業(yè)務(wù)。華為的 RTOS 面向 5G 萬物互聯(lián)的物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，對(duì)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(shí)時(shí)操作系統(tǒng)要求。

上海華元?jiǎng)?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(biāo)準(zhǔn) IEC 61508 SIL/SC3（通用）和EN 50128 SW SIL4（軌道交通），是國內(nèi)目前少數(shù)通過國際第三方認(rèn)證公司認(rèn)證的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。目前ReWorks Cert 已率先成功應(yīng)用于軌道交通信號(hào)領(lǐng)域龍頭公司卡斯柯信號(hào)有限公司的安全計(jì)算機(jī)平臺(tái)中，該計(jì)算機(jī)平臺(tái)已成功通過 EN 50126 SIL4 等級(jí)認(rèn)證。ReWorks Cert 有望在城市軌道交通領(lǐng)域獲得規(guī)?；瘧?yīng)用。

4.? 技術(shù)發(fā)展、標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)航

嵌入式操作系統(tǒng)的發(fā)展離不開相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)的制定，中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)體系制訂的前期研究工作。物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域比較廣泛，包括智慧城市、智能家居、交通運(yùn)輸、智能電網(wǎng)等場(chǎng)景，物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的制定，工作需要產(chǎn)業(yè)和學(xué)術(shù)屆的支持和幫助，為物聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)貢獻(xiàn)力量。物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)制定，對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)生態(tài)建設(shè)將更為重要，期待政府出臺(tái)一些政策來促進(jìn)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(shì)

物聯(lián)網(wǎng)安全需要嵌入式操作系統(tǒng)通過安全認(rèn)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(rèn)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(rèn)證的工作，將要成為首家通過安全認(rèn)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(yīng)用于軌道交通信號(hào)領(lǐng)域龍頭公司卡斯柯信號(hào)有限公司的安全認(rèn)證計(jì)算機(jī)平臺(tái)中，這說明國產(chǎn)嵌入式操作系統(tǒng)已經(jīng)具備安全的能力并具備相應(yīng)的技術(shù)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(fēng)河，但是 Hypervisor 存在性能不高和缺少統(tǒng)一設(shè)備驅(qū)動(dòng)的問題。隨著容器技術(shù)在服務(wù)器和云計(jì)算成功采用，容器技術(shù)被證明具備應(yīng)用級(jí)安全，這樣輕量型容器技術(shù)受到物聯(lián)網(wǎng)和嵌入式系統(tǒng)的關(guān)注。目前基于 Linux 輕量級(jí)容器技術(shù)研究進(jìn)展比較大，比如 Canonical 推出的針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)以及邊緣計(jì)算平臺(tái) Ubuntu Core 和它類似 Docker 的 Snap package 包管理軟件，以及針對(duì) IoT 的支持容器技術(shù) ResinOS（現(xiàn)更名為 BalenaOS）。

IoT 設(shè)備大量使用 MCU，無法運(yùn)行 Linux，包括翼輝信息和華為等企業(yè)推出輕量級(jí)安全容器技術(shù)，即在它們 RTOS 基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)容器技術(shù)，已滿足物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代安全、實(shí)時(shí)和快速布置和管理的新的需求。

嵌入式操作系統(tǒng)的內(nèi)核繼續(xù)呈現(xiàn)百花齊放局面，基于宏內(nèi)核的 RTOS 仍占多數(shù)。微內(nèi)核技術(shù)應(yīng)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(chǎng)上代表性產(chǎn)品是 QNX，因?yàn)閷?shí)時(shí)性等因素，微內(nèi)核技術(shù)在代碼受限的 MCU 上應(yīng)用很少，比如 uc/OS、FreeRTOS 和 RT-Thread 都是宏內(nèi)核技術(shù)。在 MCU 中如何能享受到大型 OS 的一些特性，同時(shí)保留 RTOS 在尺寸、實(shí)時(shí)性等方面的優(yōu)勢(shì)呢？AliOS Things 在 ARM 架構(gòu)Cortex M 和 A 處理器上做了有益嘗試，他們實(shí)現(xiàn)安全、多應(yīng)用、內(nèi)核可靠和動(dòng)態(tài)低流量升級(jí)等技術(shù)特征。

AIOT 應(yīng)用的對(duì)傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)提出新的課題，比如可擴(kuò)展的內(nèi)核技術(shù)、功能安全和信息安全、邊緣計(jì)算架構(gòu)的支持和應(yīng)用 App 的便捷布置和管理。傳統(tǒng)的移動(dòng)操作系統(tǒng)比如 Android 和開源的 Linux 無法滿足功能安全認(rèn)證和強(qiáng)實(shí)時(shí)性的需要，傳統(tǒng)的基于宏內(nèi)核的 RTOS 無法滿足系統(tǒng)擴(kuò)展、維護(hù)和應(yīng)用便捷的需要，針對(duì) AIOT 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，比如無人駕駛汽車上的操作系統(tǒng)技術(shù)正在吸引產(chǎn)業(yè)和學(xué)術(shù)界關(guān)注。

6.? 結(jié)束語

可以預(yù)見，嵌入式操作系統(tǒng)和 IoT OS 將向大型復(fù)雜和可配置、更小更安全和硬化兩個(gè)方向發(fā)展，以適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)和人工智能時(shí)代，計(jì)算架構(gòu)和應(yīng)用軟件平臺(tái)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(shè)計(jì)占主導(dǎo)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(fù)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(gòu)和應(yīng)用驅(qū)動(dòng)分布式實(shí)時(shí)軟件回歸；預(yù)計(jì)到了 2020 年“軟件定義硬件”將驅(qū)動(dòng)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(shù)將迎來新的發(fā)展機(jī)遇。

作者：何小慶，嵌入式系統(tǒng)知名專家、長期從事嵌入式與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、產(chǎn)業(yè)和教育方面工作，著有《嵌入式操作系統(tǒng)風(fēng)云錄：歷史演進(jìn)與物聯(lián)網(wǎng)未來》等五本書籍和數(shù)十篇論文。

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