物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的架構(gòu)和基本功能

　　物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)由內(nèi)核、輔助外圍模塊（文件系統(tǒng)、圖形用戶界面、通信協(xié)議棧、各類常見設(shè)備的驅(qū)動程序等）、集成開發(fā)環(huán)境等組成，基于此，可衍生出一系列面向行業(yè)的特定應用，下圖展示了這個概念：

　　物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)與傳統(tǒng)的個人計算機操作系統(tǒng)和智能手機類操作系統(tǒng)不同，它具備物聯(lián)網(wǎng)應用領(lǐng)域內(nèi)的一些獨特特點，現(xiàn)說明如下。

　　物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)內(nèi)核的特點

　　1、內(nèi)核尺寸伸縮性強，能夠適應不同配置的硬件平臺。比如，一個極端的情況下，內(nèi)核尺寸必須維持在10K以內(nèi)，以支撐內(nèi)存和CPU性能都很受限的傳感器，這時候內(nèi)核具備基本的任務(wù)調(diào)度和通信功能即可。在另外一個極端的情況下，內(nèi)核必須具備完善的線程調(diào)度、內(nèi)存管理、本地存儲、復雜的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、圖形用戶界面等功能，以滿足高配置的智能物聯(lián)網(wǎng)終端的要求。這時候的內(nèi)核尺寸，不可避免的會大大增加，可以達到幾百K，甚至M級。這種內(nèi)核尺寸的伸縮性，可以通過兩個層面的措施來實現(xiàn)：重新編譯和二進制模塊選擇加載。重新編譯措施很簡單，只需要根據(jù)不同的應用目標，選擇所需的功能模塊，然后對內(nèi)核進行重新編譯即可。這個措施應用于內(nèi)核定制非常深入的情況下，比如要求內(nèi)核的尺寸達到10K以下的場合。而二進制模塊選擇加載，則用在對內(nèi)核定制不是很深入的情況。這時候維持一個操作系統(tǒng)配置文件，文件里列舉了操作系統(tǒng)需要加載的所有二進制模塊。在內(nèi)核初始化完成后，會根據(jù)配置文件，加載所需的二進制模塊。這需要終端設(shè)備要有外部存儲器（比如硬盤、Flash等），以存儲要加載的二進制模塊；

　　2、內(nèi)核的實時性必須足夠強，以滿足關(guān)鍵應用的需要。大多數(shù)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，要求操作系統(tǒng)內(nèi)核要具備實時性，因為很多的關(guān)鍵性動作，必須在有限的時間內(nèi)完成，否則將失去意義。內(nèi)核的實時性包涵很多層面的意思，首先是中斷響應的實時性，一旦外部中斷發(fā)生，操作系統(tǒng)必須在足夠短的時間內(nèi)響應中斷并做出處理。其次是線程或任務(wù)調(diào)度的實時性，一旦任務(wù)或線程所需的資源或進一步運行的條件準備就緒，必須能夠馬上得到調(diào)度。顯然，基于非搶占式調(diào)度方式的內(nèi)核很難滿足這些實時性要求；

　　3、內(nèi)核架構(gòu)可擴展性強。物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的內(nèi)核，應該設(shè)計成一個框架，這個框架定義了一些接口和規(guī)范，只要遵循這些接口和規(guī)范，就可以很容易的在操作系統(tǒng)內(nèi)核上增加新的功能的新的硬件支持。因為物聯(lián)網(wǎng)的應用環(huán)境具備廣譜特性，要求操作系統(tǒng)必須能夠擴展以適應新的應用環(huán)境。內(nèi)核應該有一個基于總線或樹結(jié)構(gòu)的設(shè)備管理機制，可以動態(tài)加載設(shè)備驅(qū)動程序或其它核心模塊。同時內(nèi)核應該具備外部二進制模塊或應用程序的動態(tài)加載功能，這些應用程序存儲在外部介質(zhì)上，這樣就無需修改內(nèi)核，只需要開發(fā)新的應用程序，就可滿足特定的行業(yè)需求；

　　4、內(nèi)核應足夠安全和可靠。可靠性就不用說了，物聯(lián)網(wǎng)應用環(huán)境具備自動化程度高、人為干預少的特點，這要求內(nèi)核必須足夠可靠，以支撐長時間的獨立運行。安全對物聯(lián)網(wǎng)來說更加關(guān)鍵，甚至關(guān)系到國家命脈。比如一個不安全的內(nèi)核被應用到國家電網(wǎng)控制當中，一旦被外部侵入，造成的影響將無法估量。為了加強安全性，內(nèi)核應支持內(nèi)存保護（VMM等機制）、異常管理等機制，以在必要時隔離錯誤的代碼。另外一個安全策略，就是不開放源代碼，或者不開放關(guān)鍵部分的內(nèi)核源代碼。不公開源代碼只是一種安全策略，并不代表不能免費適用內(nèi)核；

　　5、節(jié)能省電，以支持足夠的電源續(xù)航能力。操作系統(tǒng)內(nèi)核應該在CPU空閑的時候，降低CPU運行頻率，或干脆關(guān)閉 CPU。對于周邊設(shè)備，也應該實時判斷其運行狀態(tài)，一旦進入空閑狀態(tài)，則切換到省電模式。同時，操作系統(tǒng)內(nèi)核應最大程度的降低中斷發(fā)生頻率，比如在不影響實時性的情況下，把系統(tǒng)的時鐘頻率調(diào)到最低，以最大可能的節(jié)約電源。

　　物聯(lián)網(wǎng)操作系外圍模塊的特點

　　外圍模塊指為了適應物聯(lián)網(wǎng)的應用特點，操作系統(tǒng)應該具備的一些功能特征，比如遠程維護和升級等。同時也指為了擴展物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)內(nèi)核的功能范圍，而開發(fā)的一些功能模塊，比如文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧等。物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的外圍模塊（或外圍功能）應該至少具備下列這些：

　　1、支持操作系統(tǒng)核心、設(shè)備驅(qū)動程序或應用程序等的遠程升級。遠程升級是物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的最基本特征，這個特性可大大降低維護成本。遠程升級完成后，原有的設(shè)備配置和數(shù)據(jù)能夠得以繼續(xù)使用。即使在升級失敗的情況下，操作系統(tǒng)也應該能夠恢復原有的運行狀態(tài)。遠程升級和維護是支持物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)大規(guī)模部署的主要措施之一；

　　2、支持常用的文件系統(tǒng)和外部存儲。比如支持FAT32/NTFS/DCFS等文件系統(tǒng)，支持硬盤、USB stick、Flash、ROM等常用存儲設(shè)備。在網(wǎng)絡(luò)連接中斷的情況下，外部存儲功能會發(fā)揮重要作用。比如可以臨時存儲采集到的數(shù)據(jù)，再網(wǎng)絡(luò)恢復后再上傳到數(shù)據(jù)中心。但文件系統(tǒng)和存儲驅(qū)動的代碼，要與操作系統(tǒng)核心代碼有效分離，能夠做到非常容易的裁剪；

　　3、支持遠程配置、遠程診斷、遠程管理等維護功能。這里不僅僅包涵常見的遠程操作特性，比如遠程修改設(shè)備參數(shù)、遠程查看運行信息等。還應該包涵更深層面的遠程操作，比如可以遠程查看操作系統(tǒng)內(nèi)核的狀態(tài)，遠程調(diào)試線程或任務(wù)，異常時的遠程dump內(nèi)核狀態(tài)等功能。這些功能不僅僅需要外圍應用的支持，更需要內(nèi)核的天然支持；

　　4、 支持完善的網(wǎng)絡(luò)功能。物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)必須支持完善的TCP/IP協(xié)議棧，包括對IPv4和IPv6的同時支持。這個協(xié)議棧要具備靈活的伸縮性，以適應裁剪需要。比如可以通過裁剪，使得協(xié)議棧只支持IP/UDP等協(xié)議功能，以降低代碼尺寸。同時也支持豐富的IP協(xié)議族，比如Telnet/FTP/IPSec/SCTP等協(xié)議，以適用智能終端和高安全可靠的應用場合；

　　5、對物聯(lián)網(wǎng)常用的無線通信功能要內(nèi)置支持。比如支持GPRS/3G/HSPA/4G等公共網(wǎng)絡(luò)的無線通信功能，同時要支持Zigbee/NFC/RFID等近場通信功能，支持WLAN/Ethernet等桌面網(wǎng)絡(luò)接口功能。這些不同的協(xié)議之間，要能夠相互轉(zhuǎn)換，能夠把從一種協(xié)議獲取到的數(shù)據(jù)報文，轉(zhuǎn)換成為另外一種協(xié)議的報文發(fā)送出去。除此之外，還應支持短信息的接收和發(fā)送、語音通信、視頻通信等功能；

　　6、內(nèi)置支持XML文件解析功能。物聯(lián)網(wǎng)時代，不同行業(yè)之間，甚至相同行業(yè)的不同領(lǐng)域之間，會存在嚴重的信息共享壁壘。而XML格式的數(shù)據(jù)共享可以打破這個壁壘，因此XML標準在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域會得到更廣泛的應用。物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)要內(nèi)置對XML解析的支持，所有操作系統(tǒng)的配置數(shù)據(jù)，統(tǒng)一用XML格式進行存儲。同時也可對行業(yè)自行定義的XML格式進行解析，以完成行業(yè)轉(zhuǎn)換功能；

　　7、支持完善的GUI功能。圖形用戶界面一般應用于物聯(lián)網(wǎng)的智能終端中，完成用戶和設(shè)備的交互。GUI應該定義一個完整的框架，以方便圖形功能的擴展。同時應該實現(xiàn)常用的用戶界面元素，比如文本框、按鈕、列表等。另外，GUI模塊應該與操作系統(tǒng)核心分離，最好支持二進制的動態(tài)加載功能，即操作系統(tǒng)核心根據(jù)應用程序需要，動態(tài)加載或卸載GUI模塊。GUI模塊的效率要足夠高，從用戶輸入確認，到具體的動作開始執(zhí)行之間的時間（可以叫做click-launch時間）要足夠短，不能出現(xiàn)用戶點擊了確定、但任務(wù)的執(zhí)行卻等待很長時間的情況；

　　8、支持從外部存儲介質(zhì)中動態(tài)加載應用程序。物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)應提供一組API，供不同應用程序調(diào)用，而且這一組 API應該根據(jù)操作系統(tǒng)所加載的外圍模塊實時變化。比如在加載了GUI模塊的情況下，需要提供GUI操作的系統(tǒng)調(diào)用，但是在沒有GUI模塊的情況下，就不應該提供GUI功能調(diào)用。同時操作系統(tǒng)、GUI等外圍模塊、應用程序模塊應該二進制分離，操作系統(tǒng)能夠動態(tài)的從外部存儲介質(zhì)上按需加載應用程序。這樣的一種結(jié)構(gòu)，就使得整個操作系統(tǒng)具備強大的擴展能力。操作系統(tǒng)內(nèi)核和外圍模塊（GUI、網(wǎng)絡(luò)等）提供基礎(chǔ)支持，而各種各樣的行業(yè)應用，通過應用程序來實現(xiàn)。最后在軟件發(fā)布的時候，只發(fā)布操作系統(tǒng)內(nèi)核、所需的外圍模塊、應用程序模塊即可。

　　物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)集成開發(fā)環(huán)境的特點

　　集成開發(fā)環(huán)境是構(gòu)筑行業(yè)應用的關(guān)鍵工具，物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)必須提供方便靈活的開發(fā)工具，以開發(fā)出適合行業(yè)應用的應用程序。開發(fā)環(huán)境必須足夠成熟并得到廣泛適用，以降低應用程序的上市時間（GTMT）。集成開發(fā)環(huán)境必須具備如下特點：

　　1、 物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)要提供豐富靈活的API，供程序員調(diào)用，這組API應該能夠支持多種語言，比如既支持C/C++，也支持Java、Basic等程序設(shè)計語言；

　　2、 最好充分利用已有的集成開發(fā)環(huán)境。比如可以利用Eclipse、Visual Studio等集成開發(fā)環(huán)境，這些集成開發(fā)工具具備廣泛的應用基礎(chǔ)，可以在Internet上直接獲得良好的技術(shù)支持；

　　3、 除配套的集成開發(fā)環(huán)境外，還應定義和實現(xiàn)一種緊湊的應用程序格式（類似Windows的PE格式），以適用物聯(lián)網(wǎng)的特殊需要。通過對集成開發(fā)環(huán)境進行定制，使得集成開發(fā)環(huán)境生成的代碼，可以遵循這種格式；

　　4、 要提供一組工具，方便應用程序的開發(fā)和調(diào)試。比如提供應用程序下載工具、遠程調(diào)試工具等，支撐整個開發(fā)過程。

　　可以看出，上述物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)內(nèi)核、外圍模塊、應用開發(fā)環(huán)境等，都是支撐平臺，支撐更上一層的行業(yè)應用。行業(yè)應用才是最終產(chǎn)生生產(chǎn)力的軟件，但是物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)是行業(yè)應用得以茁壯生長和長期有效生存的基礎(chǔ)，只有具備了強大靈活的物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)，物聯(lián)網(wǎng)這棵大樹才能結(jié)出豐碩的果實。