深度：国产嵌入式操作系统发展思考.docx

嵌入式操作系统历史悠久、门类繁多、用途广泛,不仅包括嵌入式实时多任务 操作者系统（RTOS ）、开源的Linux,机器人和路由器操作系统,还包括新 型的物联网操作系统，以及边缘计算操作系统平台。笔者认为，只要是国人开 发的，国人参与维护的开源工程，都是广义上的国产嵌入式操作系统，随着 中国物联网产业迅猛开展，国产装备自主可控需求旺盛，国产嵌入式操作系统 开展步入快车道。1 .国产物联网操作系统颇具影响力睿赛德电子科技公司这个名字大家不是很熟悉,但是他们的产品RT-Thread 在物联网和嵌入式开发者心目中是非常棒的开源软件，RT-Thread是国内目 前合作和支持芯片和厂商众多、社区开发者踊跃、组件丰富、应用领域广泛的 国产物联网操作系统。2017年以前，RT-Thread还是一个传统的嵌入式操作 系统，经过过去两年的开展，RT-Thread在缩短产品开发周期、加快端云互联 对接和提升设备端软件质量等方面做了大量工作，取得显著的成效。华为 LiteOS是另外一个在物联网领域颇具影响力的嵌入式操作系统。今天名气已 经很大的华为可穿戴产品，比方Huawei WatchGT , 2015年开始使用 LiteOS,超低功耗和超小的尺寸要求，给了 LiteOS 一个开展成熟的机会，到 了 2017年正式推出开源的物联网操作系统，LiteOS已经初具规模很快在 NB-IoT领域站稳了市场，特别是OPEN CPU的NB-IOT芯片和模组方案 里面，都有LiteOS身影。在HDC2019大会上，鸿蒙OS的当前的架构里 面，LiteOS也是其内核之一（Linux、鸿蒙和LiteOS ）。随着鸿蒙出现，未 来LiteOS还是一个谜，但其针对IoT设备特有的素质，必将会融合进华为 操作系统的布局里面。2 .开源嵌入式操作系统助力创新开展Zephyr是2016年由Intel. Synopsys. NXP等公司发起的开源实时操作 系统平台工程，现在由Linux基金会管理。工程旨在联合整个行业的领导者， 构建针对资源小型受限设备，开发一个可扩展的嵌入式实时操作系统。Zephyr 虽然历史比拟短，但起点很高，是发起公司和组织多年的经验教训的总结，最 初的代码来自风河，风河的vxwork RTOS在工业和航空航天极有影响力。 Zephyr虽然只有3年的历史相对FreeRTOS和Contiki等开源RTOS , Zephyr比拟完备，中间件丰富。在平安设计方面Zephyr有缜密的考量，在 代码规范中，Zephyr用MISRA C ;在功能平安认证上，Zephyr选择 IEC61508这些功能开源嵌入式操作系统里面还没有其他工程能做到。Zephyr 有一个充满活力的国际开发社区，它和物联网操作系统中的ARM Mbed OS、 nuttX和RIOT比拟，活跃度很高。虽然Zephyr目前在中国关注度目前比 较低，但技术上产品开展思路很值得国内同行的借鉴。3 .自主可控.平安先行国产嵌入式操作系统开展一个重要方向就是打造航空航天、工业装备和轨道交 通、通信设备和汽车电子的自主可控的操作系统。面向装备与国防系统的嵌入 式操作系统在可靠性、环境适应性、电磁兼容性、实时控制性方面都有自己的 一套要求。华为在嵌入式操作系统方面的起步比拟早，目前已经有基于开源的 Linux自研的高可靠、高平安与高实时性的操作系统，覆盖了公司通信产品中 的各个业务。华为的RTOS面向5G万物互联的物联网时代，对于操作系统 平安方面的考虑尤其重视，可满足平安、可靠、自主的嵌入式实时操作系统要 求。上海华元创信研发的锐华高平安嵌入式操作系统(ReWorks Cert)，符合 功能平安标准IEC 61508 SIL/SC3 （通用）和EN 50128 SW SIL4 （轨道交 通），是国内目前少数通过国际第三方认证公司认证的嵌入式实时操作系统。 目前ReWorks Cert已率先成功应用于轨道交通信号领域龙头公司卡斯柯信 号的平安计算机平台中，该计算机平台已成功通过EN 50126 SIL4 等级认证。ReWorks Cert有望在城市轨道交通领域获得规模化应用。4 .技术开展标准领航嵌入式操作系统的开展离不开相关国家标准的制定,中国电子技术标准化研究 院物联网中心正在着手物联网操作系统国家标准体系制订的前期研究工作。物 联网操作系统的应用领域比拟广泛，包括智慧城市、智能家居、交通运输、智 能电网等场景，物联网操作系统标准的制定，工作需要产业和学术届的支持和 帮助，为物联网的标准化建设贡献力量。物联网操作系统标准制定，对于物联 网产业生态建设将更为重要，期待政府出台一些政策来促进物联网操作系统的 健康良性开展等。5 .嵌入式操作系统开展新趋势物联网平安需要嵌入式操作系统通过平安认证，比方医疗电子正C 60601/62304.汽车电子ISO 26262、航空电子DCM78B/C和核电正C 61513。老牌的嵌入式操作系统QNX、Vxwork. Integrity和SafeRTOS在 平安认证起步比拟早,Thread-Xx uC/OS和embOS这两年也迎头赶上，开 源的Zephery正在做认证的工作，将要成为首家通过平安认证的开源嵌入式 操作系统。上面讲到上海锐华的RTOS成功应用于轨道交通信号领域龙头公 司卡斯柯信号的平安认证计算机平台中，这说明国产嵌入式操作系 统已经具备平安的能力并具备相应的技术能力。嵌入式操作系统的虚拟化已经 由来已久，几乎所有大的RTOS公司都有自己Hypervisor比方ENEA和 风河，但是Hypervisor存在性能不高和缺少统一设备驱动的问题。随着容器 技术在服务器和云计算成功采用，容器技术被证明具备应用级平安,这样轻量 型容器技术受到物联网和嵌入式系统的关注。目前基于Linux轻量级容器技 术研究进展比拟大，比方Canonical推出的针对物联网以及边缘计算平台 Ubuntu Core和它类似Docker的Snap package包管理软件，以及针对 IoT的支持容器技术ResinOS （现更名为BalenaOS ） 0 IoT设备大量使用 MCU，无法运行Linux，包括翼辉信息和华为等企业推出轻量级平安容器技术, 即在它们RTOS基础上实现容器技术，已满足物联网时代平安、实时和快速 布置和管理的新的需求。嵌入式操作系统的内核继续呈现百花齐放局面，基于 宏内核的RTOS仍占多数。微内核技术应用在商业RTOS的历史可以追溯 到90年初，比方VRTXsa ,目前依然活跃在市场上代表性产品是QNX ,因 为实时性等因素，微内核技术在代码受限的MCU上应用很少，比方uc/OS. FreeRTOS和RT-Thread都是宏内核技术。在MCU中如何能享受到大型 OS的一些特性，同时保存RTOS在尺寸、实时性等方面的优势呢？ AliOS Things在ARM架构Cortex M和A处理器上做了有益尝试，他们实现安 全、多应用、内核可靠和动态低流量升级等技术特征。AIOT应用的对传统的 操作系统提出新的课题，比方可扩展的内核技术、功能平安和信息平安、边缘 计算架构的支持和应用App的便捷布置和管理。传统的移动操作系统比方 Android和开源的Linux无法满足功能平安认证和强实时性的需要，传统的 基于宏内核的RTOS无法满足系统扩展、维护和应用便捷的需要，针对AIOT 场景的广义的嵌入式操作系统和泛IoT OS技术正在探索和研究中，比方无人 驾驶汽车上的操作系统技术正在吸引产业和学术界关注。6 .结束语可以预见，嵌入式操作系统和loTOS将向大型复杂和可配置、更小更平安和 硬化两个方向开展,以适应物联网和人工智能时代，计算架构和应用软件平台 开展的新需求。嵌入式软件经历了 80年代微处理器和硬件设计占主导地位， 软件在系统中比例很低；90年代商业RTOS出现，解决了一局部软件复杂性 问题;2000年之后开源软件大规模采用，开发方法发生巨大的变革；2010年 之后IoT架构和应用驱动分布式实时软件回归；预计到了 2020年软件定 义硬件将驱动嵌入式软件开发方法变革，包括嵌入式和IoT OS的操作系统 技术将迎来新的开展机遇。