從RTOS 到 IoT OS

作者 / 沈建華 華東師范大學(xué) 計算機科學(xué)與軟件工程學(xué)院(上海 200062)

　　*本文源于“嵌入式系統(tǒng)聯(lián)誼會主題討論會(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”上的報告。此會議主辦方：嵌入式系統(tǒng)聯(lián)誼會，時間：2017年11月12日，地點：北京航空航天大學(xué)。

　　沈建華，副教授，網(wǎng)絡(luò)研究所副所長，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、嵌入式OS、嵌入式軟件設(shè)計與優(yōu)化、MCU/DSP應(yīng)用系統(tǒng)等工作。

摘要：結(jié)合作者多年嵌入式系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)與實踐，探討了物聯(lián)網(wǎng)給嵌入式系統(tǒng)帶來的影響，物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的技術(shù)、產(chǎn)品化發(fā)展思路和建議，以及我國在物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)方面的機遇和挑戰(zhàn)。

1 嵌入式系統(tǒng)與RTOS

　　很多嵌入式應(yīng)用都是基于微控制器(MCU/單片機)的小系統(tǒng)，其中大部分也不使用OS，稍微復(fù)雜一點的應(yīng)用會考慮用一個RTOS，如μC/OS、MDK中的RTX、FreeRTOS等，它們基本上只是一個任務(wù)管理器，也是操作系統(tǒng)內(nèi)核部分。因為早期的嵌入式系統(tǒng)，應(yīng)用相對來說比較簡單，主要是采集和控制，涉及到數(shù)據(jù)多一點、要和外部交互的，可能會用一個文件系統(tǒng)(如FAT文件系統(tǒng))或GUI，涉及到網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用就加個TCP/IP。很多RTOS是開源的，沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的API，應(yīng)用程序要在不同的硬件和RTOS上移植是很困難的，一般都要從底層修改做到應(yīng)用層。MCU有4位機、8位機、16位機、32位機，系統(tǒng)可為有RTOS或無RTOS，RTOS也非常多，開發(fā)也沒有應(yīng)用程序的基本框架，加上應(yīng)用的多樣性，傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)效率是非常低的。所以很多年前我曾說過：如果說Android開發(fā)是碎片化嚴(yán)重，那嵌入式開發(fā)就是粉末化的。這種情況對應(yīng)到PC機或整個計算機發(fā)展史上去看的話，目前嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)就像上世紀(jì)六、七十年代的計算機應(yīng)用開發(fā)，每一個新硬件出來，硬件軟件都是不通用、不兼容的，非常散亂。但后來PC和移動應(yīng)用為什么發(fā)展這么快?就是標(biāo)準(zhǔn)化問題。物聯(lián)網(wǎng)給嵌入式系統(tǒng)帶來了巨大的機遇，但開發(fā)平臺、開發(fā)工具的逐步標(biāo)準(zhǔn)化是必經(jīng)之路。

2 物聯(lián)網(wǎng)與IoT OS

　　嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的“散亂”問題，物聯(lián)網(wǎng)有機會來改變。凡是和互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的應(yīng)用，發(fā)展速度都很快。從某種角度上說，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)也可看作是嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，因為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的“物”，基本上都是各種嵌入式設(shè)備。在20多年前有一句話，叫“計算機就是網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)就是計算機”，現(xiàn)在來看還是非常正確的。嵌入式系統(tǒng)放到物聯(lián)網(wǎng)背景上來看也是類似的，也許再過個十年二十年，一個不聯(lián)網(wǎng)的嵌入式設(shè)備也沒什么用了。嵌入式小設(shè)備要聯(lián)網(wǎng)，還要方便、快速地開發(fā)各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，并考慮很多安全問題、系統(tǒng)效率問題，使用傳統(tǒng)的RTOS加個網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧是不夠的。無論從哪個角度來看，使用一個合適的、相對標(biāo)準(zhǔn)化的物聯(lián)網(wǎng)OS(IoT OS)是更好的選擇。就像移動應(yīng)用開發(fā)會選擇Android系統(tǒng)，而不是Linux系統(tǒng)。

3 IoT OS技術(shù)

　　大部分物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的“物”，都是基于MCU的小設(shè)備。計算機技術(shù)發(fā)展到今天，針對MCU的RTOS的基本功能、技術(shù)都是成熟的。不同RTOS的內(nèi)核和組件各自有一些小的特點，比如內(nèi)核調(diào)度是用什么算法，任務(wù)堆棧怎么處理，任務(wù)之間的通信方式、支持的任務(wù)狀態(tài)和任務(wù)數(shù)等，但是這些已經(jīng)不重要，因為硬件性能提升很多，應(yīng)用對這些特點基本無感知了。隨著IoT應(yīng)用系統(tǒng)的復(fù)雜化，應(yīng)用更多關(guān)注的是“端到云”整個系統(tǒng)的快速實現(xiàn)和穩(wěn)定，就像現(xiàn)在移動應(yīng)用APP開發(fā)者并不會去關(guān)心Android里面的底層任務(wù)調(diào)度算法一樣。IoT OS更多的要從整體系統(tǒng)架構(gòu)上思考，而不是在某個技術(shù)細節(jié)上。有關(guān)OS內(nèi)核與具體處理器的高效融合技術(shù)等，可以在處理器體系結(jié)構(gòu)中去研究和實現(xiàn)，并可作為IoT OS中一個與處理器特征相關(guān)的組件。

　　基于MCU的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需要一個操作系統(tǒng)(IoT OS)，它是一個以傳統(tǒng)操作系統(tǒng)(RTOS為主)為基礎(chǔ)，針對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用特征，擴充了必需的連接、安全、應(yīng)用協(xié)議、應(yīng)用框架等組件、軟硬件協(xié)同的功耗管理等組件，同時應(yīng)該支持多種主流的MCU和SoC芯片，以及國內(nèi)外主流云平臺接入?yún)f(xié)議的系統(tǒng)軟件。

　　IoT OS也一定是一個“端-云”一體化的OS。如果僅局限在“端”這個層面，那它一定不是一個完整的IoT OS。只有“端-云”深度結(jié)合，才能在整個系統(tǒng)層面做到高效、安全。

　　與IoT OS相關(guān)的開發(fā)工具、編程語言，也會有變革?，F(xiàn)在流行的開發(fā)環(huán)境，例如JS、Java，Python等，都是有時代特征和應(yīng)用特點的，對IoT應(yīng)用開發(fā)都不太合適。所以，整一個Java虛擬機放進MCU，想用Java來開發(fā)基于MCU的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用或做個Demo驗證，可能更多也是技術(shù)人員的想法，并不具有普遍實際意義。

　　總之，作為一個IoT OS，技術(shù)重點不是OS內(nèi)核，而是“端-云”一體化的系統(tǒng)架構(gòu)。

4 IoT OS產(chǎn)品化

　　技術(shù)是無邊界的、是發(fā)散的，技術(shù)必需與應(yīng)用需求(場景)結(jié)合，輸出了產(chǎn)品，技術(shù)才發(fā)揮出價值。IoT OS的用戶是開發(fā)者，要被廣大開發(fā)者所采用IoT OS需要產(chǎn)品化。

　　第一，要有產(chǎn)品思維，要站在用戶、開發(fā)者的角度考慮問題，盡量保持OS接口的一致性，不斷地完善、抽象、迭代。

　　第二，對新功能、新技術(shù)要有一個系統(tǒng)性的規(guī)劃，也就是產(chǎn)品定義。做好這個IoT OS的產(chǎn)品定義，需要對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)方式、開發(fā)者需求、系統(tǒng)架構(gòu)等很多方面有充分的理解，不僅要有豐富的經(jīng)驗，而且要有系統(tǒng)性和前瞻性。

　　第三，OS產(chǎn)品是用出來的。不要為出一個OS而去開發(fā)一個OS， OS一定是為了適應(yīng)不同時期的應(yīng)用需求，從簡單到復(fù)雜、從不穩(wěn)定到穩(wěn)定，是應(yīng)用拉動技術(shù)、不斷開發(fā)完善出來的。應(yīng)用需求的激增，使大量開發(fā)者尋找易用的開發(fā)環(huán)境，這就是OS的迭代之路。

　　另外，作為一個產(chǎn)品，外圍的東西也很重要——工具、文檔。這方面我們中國的公司以往受制于現(xiàn)實條件，做的都不好。但是作為一個產(chǎn)品，特別是要推向全球的產(chǎn)品，必須把這些配套外圍做好。

5 IoT OS商業(yè)化

　　很多OS是科研院所、技術(shù)人員個人所為，可以采用一些免授權(quán)協(xié)議，不太考慮商業(yè)問題。但作為一個企業(yè)，不談商務(wù)是不行的。任何一個OS早期是沒有商業(yè)模式的，嵌入式OS的公司也都是很小的公司，更不要說在中國這樣不太認可軟件價值的環(huán)境下。目前，巨頭紛紛入場，IoT發(fā)展快、應(yīng)用離散、產(chǎn)品上市時間要求很高，作為一個企業(yè)，首先要生存下去。沒有商業(yè)模式、怎么活下去?所以作為企業(yè)，還得想其他的商業(yè)模式。

　　IoT OS要迭代、收斂的話，也需要生態(tài)支持。需要芯片廠商、IDH、開發(fā)者共同建設(shè)，但是這個生態(tài)建設(shè)的過程是非常漫長的。這個過程誰能夠耗得起?要兼顧到公司自己的生存發(fā)展和生態(tài)建設(shè)，這對小公司來說是一件非常難以平衡的事情，商業(yè)化的路就更長了。Android到現(xiàn)在可能有一些商業(yè)模式了，畢竟大家都離不開它了。OS商業(yè)化過程漫長、需要很大的投入，肯定不是短期的商業(yè)行為。那么在這個過程當(dāng)中該怎么辦?可能還得借助所謂的互聯(lián)網(wǎng)思維，“羊毛出在豬身上”，在這個點上沒有出口，但總要找到一個出口。

　　未來的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可能就是：AI +軟件+硬件。

　　AI是能力，但對絕大部分物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)而言，用好AI就可以了，云平臺公司、芯片公司會提供這種能力。硬件是載體，各種技術(shù)、算法做的再好，終究都離不開硬件。軟件是“粘合劑”，把各種硬件、AI能力整合在一起，實現(xiàn)各種具體IoT應(yīng)用。有一句話叫“軟件定義世界”，軟件是核心競爭力。有了AI、有了硬件，最終用戶的應(yīng)用、服務(wù)都得靠軟件去實現(xiàn)。如何幫助客戶快速開發(fā)IoT應(yīng)用軟件?IoT OS是一個較好的平臺。不斷從各種應(yīng)用中做共性抽象、豐富OS的內(nèi)涵，這才是IoT OS發(fā)展的方向和路徑。只有通過這樣的方式，才可能慢慢形成一個真正的IoT OS。

6 結(jié)論

　　應(yīng)用拉動技術(shù)，技術(shù)推動應(yīng)用發(fā)展。中國在物聯(lián)網(wǎng)OS這個點上是有很大機會的，因為物聯(lián)網(wǎng)時代目前是中國在引領(lǐng)，應(yīng)用需求很大，會極大地拉動相關(guān)技術(shù)，包括IoT OS的發(fā)展。IoT OS是“端-云”一體化的產(chǎn)品，不斷迭代，市場選擇，最后可能成為事實標(biāo)準(zhǔn)。必需要有用戶思維，OS的用戶是開發(fā)者，所以需要充分了解物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)者的需求和感受。IoT OS商業(yè)化之路漫長，企業(yè)需要用互聯(lián)網(wǎng)思維來考慮商業(yè)模式。

　　參考文獻：

　　[1]何小慶.物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)研究與思考[J].電子產(chǎn)品世界,2018(1):27-31

　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第3期第30頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。