每一個時代都有屬于自己特色的電子產(chǎn)品，每一類產(chǎn)品都有自己適配的操作系統(tǒng)。例如早期的MULTICS、UNIX這類多任務(wù)操作系統(tǒng)，到個人電腦采用的LINUX、Windows等多處理器操作系統(tǒng)，再到智能手機時代的iOS、安卓(Android)等移動操作系統(tǒng)。
這些操作系統(tǒng)運行在“裸機”設(shè)備的最低層，搭建了其他軟件、應(yīng)用(APP)運行的環(huán)境與平臺。當今各類軟件和互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的火熱，以及PC時代與移動互聯(lián)網(wǎng)時代的輝煌，都離不開一路完善的操作系統(tǒng)。
近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)(IoT)市場的迅猛發(fā)展，嵌入式設(shè)備聯(lián)網(wǎng)成為了一個剛需。物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍是互聯(lián)網(wǎng)，但不同于互聯(lián)網(wǎng)強調(diào)人與人的互聯(lián)，物聯(lián)網(wǎng)是在這樣的基礎(chǔ)上延伸和擴展出人與物、物與物之間的連接網(wǎng)絡(luò)，形成我們說的“萬物互聯(lián)”。
雖然物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展是大勢所趨，也被普遍看好和關(guān)注，但嵌入式設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)會使得軟件復(fù)雜性大幅增加，傳統(tǒng)的嵌入式RTOS(實時操作系統(tǒng))內(nèi)核已經(jīng)越來越難滿足市場的需求，在這種情況下，物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)(IoT OS)的概念應(yīng)運而生。
物聯(lián)網(wǎng)對操作系統(tǒng)的要求
物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)大致可分為感知層、終端系統(tǒng)層、網(wǎng)絡(luò)層(進一步分為網(wǎng)絡(luò)接入層和核心層)、設(shè)備管理層、后臺應(yīng)用層等幾個層次。由于包含大量的嵌入式設(shè)備，與傳統(tǒng)的單一設(shè)備相比，物聯(lián)網(wǎng)面對的是碎片化難題，無論是底層的連接還是上層的應(yīng)用服務(wù)，都特別強調(diào)“術(shù)業(yè)有專攻”：
◆物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)要求感知層的設(shè)備更小、功耗更低，而且需要安全可靠和具備組網(wǎng)能力；
◆物聯(lián)網(wǎng)通信層需要支持各種通信協(xié)議和協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換；
◆應(yīng)用層則需要具備云計算能力。
在軟件方面，早先的嵌入式操作系統(tǒng)只是完成了物理硬件的抽象，并不能真正代表未來的物聯(lián)網(wǎng)。例如在安卓的生態(tài)環(huán)境中，開發(fā)者基本不用考慮智能終端的物理硬件配置，只需根據(jù)安卓的編程接口編寫應(yīng)用程序，就可以運行在所有基于安卓的智能終端上一樣。
簡單地說，這是“物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備操作系統(tǒng)”和“物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)”的區(qū)別。設(shè)備操作系統(tǒng)解決的是設(shè)備怎么聯(lián)網(wǎng)、如何更方便地聯(lián)網(wǎng)的問題，但沒有解決聯(lián)網(wǎng)之后做什么以及如何做的問題。對于整個物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)來說，后者更重要。
支撐物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，需要比傳統(tǒng)的嵌入式設(shè)備更復(fù)雜的軟件，不能簡單局限于“邊緣側(cè)的操作系統(tǒng)”，而要涉及到芯片層、終端層、邊緣層、云端層等多個層面。通過層層分發(fā)、層層下達，通過調(diào)度云、邊、端等不同層級中不同設(shè)備的計算資源，而實現(xiàn)達到調(diào)度“物體”本身的目的。這些要求，催生了面向物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和應(yīng)用的專用操作系統(tǒng)。
物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的特點
物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)具備物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)的以下特點：
1、內(nèi)核尺寸伸縮性及架構(gòu)可擴展性
物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展即將進入一個小的爆發(fā)期，所以面對一輪輪的技術(shù)革新甚至換代時，整體架構(gòu)的靈活性和可擴展性可以說決定了一個企業(yè)的商業(yè)命脈。同時，為了適應(yīng)不同的應(yīng)用場景下的技術(shù)要求，內(nèi)核尺寸的伸縮性也是需要面對的問題。
2、內(nèi)核的實時性
對于非搶占式調(diào)度方式的內(nèi)核很難滿足關(guān)鍵性動作的實時性要求，比如常見的中斷響應(yīng)和多任務(wù)調(diào)度等情況下，操作系統(tǒng)的實時性便有了更高的要求，特別是對于大多數(shù)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而言，有意義的響應(yīng)時間決定了市場的接受度。
3、安全性和可靠性
在物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用環(huán)境下，面對海量節(jié)點可以說設(shè)備一經(jīng)投入使用，就很難再去維護。所以平均無故障運行時間和在一些嚴苛環(huán)境下的性能表現(xiàn)就顯得尤為重要。而在一向很注重信息安全的機密機構(gòu)的數(shù)據(jù)安全性，引發(fā)了業(yè)內(nèi)關(guān)于開源機制、VMM機制等的廣泛討論。
4、低功耗
由于物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場景和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的數(shù)量增多，低功耗是一個非常關(guān)鍵的指標。所以在整體架構(gòu)設(shè)計的時候，就需要加入一些休眠模式、節(jié)能模式、降頻模式等邏輯判斷，以延長續(xù)航能力。
真正出現(xiàn)針對物聯(lián)網(wǎng)特性開發(fā)的操作系統(tǒng)，是在2010年的RIOT(實時多任務(wù)操作系統(tǒng))。隨后2014年，風(fēng)河(Wind River，已被英特爾收購)在德國紐倫堡的嵌入式世界大會上，對外公布VxWorks 7物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)。同樣是2014年，Arm推出物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備平臺和操作系統(tǒng)Mbed OS。再后來，微軟在Windows 10的基礎(chǔ)上推出了面向物聯(lián)網(wǎng)的操作系統(tǒng)Windows 10 IoT Core。
國內(nèi)最早發(fā)布物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的有上海慶科，算起來比Arm還早三個月發(fā)布了MiCO。布局手機操作系統(tǒng)失敗后，阿里Yun OS也開始轉(zhuǎn)向物聯(lián)網(wǎng)。2015年，華為也推出了開源物聯(lián)網(wǎng)OS LiteOS，而在美國制裁后出現(xiàn)的鴻蒙OS(Harmony OS)包含了LiteOS的軟件代碼, 成為了華為布局于智能設(shè)備領(lǐng)域的底層操作系統(tǒng)。
目前，物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)主要分為兩大類，一是由傳統(tǒng)的嵌入式RTOS發(fā)展而來，典型代表有FreeRTOS、LiteOS、RT-Thread、Arm Mbed OS；二是由互聯(lián)網(wǎng)公司的云平臺延伸而來，基于傳統(tǒng)操作系統(tǒng)進行“剪裁”和定制，典型代表有Ali OS Things、TencentOS tiny、Win10 IOT。
RTOS陣營的優(yōu)點是在物聯(lián)網(wǎng)終端上已經(jīng)廣泛支持，硬件推廣成本低。缺點是軟件開發(fā)專業(yè)度極高，軟硬件開發(fā)難以隔離，對專業(yè)軟件公司進入這個領(lǐng)域造成困難。
互聯(lián)網(wǎng)平臺陣營的優(yōu)點是天生與互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)相結(jié)合，方便對接互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，缺點是基本上是各家產(chǎn)品對各家服務(wù)，難以做到平臺中立，對軟件開發(fā)者來說功能性受到了限制。
本文按照國外和國內(nèi)兩個陣營，對現(xiàn)有仍比較活躍的物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)進行一個盤點。那些較小眾、曾經(jīng)短暫出現(xiàn)后來淡出或不再更新的操作系統(tǒng)，則不在本文討論范圍。
國外主流物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)
◆Wind River-VxWorks
VxWorks操作系統(tǒng)是Wind River于1983年設(shè)計開發(fā)的一種嵌入式RTOS，是Tornado嵌入式開發(fā)環(huán)境的關(guān)鍵組成部分。良好的持續(xù)發(fā)展能力、高性能的內(nèi)核以及友好的用戶開發(fā)環(huán)境，在嵌人式實時操作系統(tǒng)領(lǐng)域逐漸占據(jù)一席之地。
VxWorks支持幾乎所有現(xiàn)代市場上的嵌入式CPU，包括x86系列、MIPS、LoongISA、PowerPC、Freescale ColdFire、Intel i960、SPARC、SH-4、Arm, StrongARM以及xScale CPU。其他特性包括具有可裁剪微內(nèi)核結(jié)構(gòu)；高效的任務(wù)管理；靈活的任務(wù)間通訊；微秒級的中斷處理；支持POSIX 1003.1b實時擴展標準；支持多種物理介質(zhì)及標準的、完整的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等。
然而其價格昂貴。由于操作系統(tǒng)本身以及開發(fā)環(huán)境都是專有的，價格一般都比較高，通常需花費10萬元人民幣以上才能建起一個可用的開發(fā)環(huán)境，對每一個應(yīng)用一般還要另外收取版稅。一般不通供源代碼，只提供二進制代碼。由于它們都是專用操作系統(tǒng)，需要專門的技術(shù)人員掌握開發(fā)技術(shù)和維護，所以軟件的開發(fā)和維護成本都非常高。支持的硬件數(shù)量有限。
◆Canonical-Ubuntu Core
Ubuntu是以桌面應(yīng)用為主的Linux發(fā)行版，在玩家中很受歡迎，也令2016年11月發(fā)布的專為物聯(lián)網(wǎng)打造的Ubuntu Core變得流行。Ubuntu Core屬于輕量級操作系統(tǒng)，并以“安全第一”的理念進行設(shè)計。根據(jù)官方文檔，整個系統(tǒng)已經(jīng)過重新設(shè)計，以從第一次啟動起就專注于安全性。
Ubuntu Core具有防篡改功能。由于應(yīng)用程序可能來自不同的來源，因此它們僅對自己的數(shù)據(jù)具有特權(quán)。這樣做是為了使一個設(shè)計不當?shù)膽?yīng)用程序不會使整個系統(tǒng)容易受到攻擊。Ubuntu Core是為業(yè)務(wù)而構(gòu)建的，這意味著開發(fā)人員可以直接專注于手頭的應(yīng)用程序，而其他要求則由默認操作系統(tǒng)支持。
Ubuntu Core的另一個重要功能是安全應(yīng)用商店的可用性，以及有一個現(xiàn)成的軟件生態(tài)系統(tǒng)，所以使用Ubuntu Core變得更加簡單。
◆RIOT
RIOT最初是由柏林自由大學(xué)(FU Berlin)、法國國家信息與自動化研究所(INRIA)和漢堡應(yīng)用科技大學(xué)(HAW Hamburg)一同開發(fā)的。RIOT基于微內(nèi)核架構(gòu)，其內(nèi)核基本上是從FireKernel繼承的；這個內(nèi)核原本是為傳感器網(wǎng)絡(luò)開發(fā)的。
和其他低內(nèi)存占用的系統(tǒng)(如TinyOS和Contiki)不同, RIOT允許使用C語言和C++語言編寫應(yīng)用程序，而且提供完整的多線程和實時響應(yīng)解決方案。這令RIOT成為了一款“用戶友好型物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)”，支持許多低功耗IoT設(shè)備和各種微控制器架構(gòu)。
它對開發(fā)人員的友好體現(xiàn)在支持標準環(huán)境和工具，因此開發(fā)人員無需經(jīng)歷陡峭的學(xué)習(xí)過程。支持標準編程語言，例如C或C ++，硬件相關(guān)的代碼非常少。開發(fā)人員可以編寫一次代碼，然后在8位，16位和32位單片機上運行。RIOT也可以作為一個Linux或macOS進程運行，這樣就能使用諸如GNU編譯器合集(GCC)，GNU調(diào)試器，Valgrind，Wireshark等標準調(diào)試工具。RIOT符合一部分POSIX標準。
RIOT也是資源友好和物聯(lián)網(wǎng)友好的，它的重要功能之一是其支持輕型設(shè)備的能力，可以實現(xiàn)較大的能耗。它支持多線程，而線程開銷很小。RIOT提供多種通信協(xié)議棧，包括了IPv6、6LoWPAN和內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)。它還支持RPL、UDP、TCP和CoAP。
◆Contiki
Contiki的名字來自于歷史上最著名的探險家之一托爾·海爾達爾(Thor Heyerdahl)制作的一艘帆船“康-提基號”(Kon-Tiki)。其基礎(chǔ)的內(nèi)核以及大部分的核心功能是由瑞典計算機科學(xué)研究所網(wǎng)絡(luò)內(nèi)嵌系統(tǒng)小組的Adam Dunkels開發(fā)的。
Contiki是一個小型、開源、極易移植的多任務(wù)操作系統(tǒng)，尤其適用于內(nèi)存受限的嵌入式系統(tǒng)。從8位電腦到微控制器，Contiki只需幾千字節(jié)的代碼和幾百字節(jié)的內(nèi)存就能提供多任務(wù)環(huán)境和內(nèi)建TCP/IP支持。在一個較為典型的配置中，Contiki系統(tǒng)只需2Kb的RAM與40Kb的ROM
Contiki包括了一個事件驅(qū)動的內(nèi)核，因此可以在運行時動態(tài)加載上層應(yīng)用程序。Contiki中使用輕量級的protothreads進程模型，可以在事件驅(qū)動內(nèi)核上提供一種線性的、類似于線程的編程風(fēng)格。
◆Arm-Mbed OS
Mbed OS是一種單線程架構(gòu)的物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)，由Arm和它的技術(shù)伙伴協(xié)作開發(fā)。最新版本升級到了Mbed OS 5，集成了實時操作系統(tǒng)CMSIS-RTOS RTX的內(nèi)核，使得Mbed OS可以支持確定性、多線程實時程序，比如低時延的工業(yè)自動化控制和車聯(lián)網(wǎng)。
Mbed OS 5可以運行在所有Cortex-M系列的產(chǎn)品上，并且具有良好的延展性。如果在處理性能要求不高的產(chǎn)品應(yīng)用，可以只保留Mbed OS 5的核心功能，使其可以運行在只有8K內(nèi)存的Cortex-M0芯片上。
針對Mbed平臺的應(yīng)用可以使用Mbed在線IDE來開發(fā)，它是免費的在線代碼編輯器和編譯器。只需在本地PC上安裝一個網(wǎng)頁瀏覽器，因為你的項目是在云端編譯的，就是說是在遠程服務(wù)器上使用ARMCC C/C++編譯器。Mbed IDE提供私有工作空間，有能力通過分布式Mercurial版本控制導(dǎo)入、導(dǎo)出和分享代碼，并且它還可以用于代碼文檔生成。應(yīng)用還可以使用其他開發(fā)環(huán)境來開發(fā)，比如Keil μVision、IAR Embedded Workbench、和 Eclipse加上GCC Arm嵌入式工具。
◆Keil-RTX
RTX操作系統(tǒng)是由KEIL公司(已被并入Arm旗下)開發(fā)并進行升級維護的一款嵌入式實時操作系統(tǒng)，使用標準的C結(jié)構(gòu)編寫，運用RealView編譯器進行編譯，適用于 Arm Cortex-M 設(shè)備。它不僅僅是一個實時內(nèi)核，還具備豐富的中間層組件，不但免費，而且代碼也是開放的。
RTX的主要功能有開始和停止任務(wù)(進程)，除此之外還支持進程通信，例如任務(wù)的同步、共享資源(外設(shè)或內(nèi)存)的管理、任務(wù)之間消息的傳遞。開發(fā)者可以使用基本函數(shù)去開啟實時運行器，去開始和終結(jié)任務(wù)，以及去傳遞任務(wù)間的控制(輪轉(zhuǎn)調(diào)度)。開發(fā)者可以賦予任務(wù)優(yōu)先級。
特點是支持時間片，搶占式和合作式調(diào)度。不限制數(shù)量的任務(wù)，每個任務(wù)都具有254的優(yōu)先級。不限制數(shù)量的信號量，互斥信號量，消息郵箱和軟定時器。支持多線程和線程安全操作。使用MDK基于對話框的配置向?qū)?，可以很方便的完成MDK的配置。
◆加州大學(xué)伯克利分校-TinyOS
TinyOS最初是加州大學(xué)伯克利分校(UC Berkeley)和英特爾研究院(Intel Research)為嵌入智能微塵而開發(fā)的合作項目，之后逐漸演變成一個國際合作項目，即TinyOS聯(lián)盟。TinyOS使用nesC語言編寫，是一款開放源代碼操作系統(tǒng)，它基于一種組件(Component-Based)的架構(gòu)方式，使得能夠快速實現(xiàn)各種應(yīng)用。
TinyOS設(shè)計之初的目的是制作一個專屬嵌入式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN, wireless sensor network)的操作系統(tǒng)。但事實上，由于良好的可擴展性和足夠小的代碼尺寸，TinyOS在物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域中也占有非常重要的地位。
TinyOS的用戶社區(qū)十分活躍，其用戶遍布學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界。從一年中TinyOS被下載超過35000次這一事實可以理解TinyOS的流行。TinyOS非常有效地用于各種場景中，例如傳感器網(wǎng)絡(luò)、智能建筑、智能電表等。
◆亞馬遜-FreeRTOS
FreeRTOS是一個迷你的實時操作系統(tǒng)內(nèi)核，2003年由 Richard Barry設(shè)計。作為一個輕量級的操作系統(tǒng)，整個核心代碼只有3到4個C文件，為了讓代碼容易閱讀、移植和維護，大部分的代碼都是以C語言編寫，只有一些函數(shù)(多數(shù)是架構(gòu)特定排班副程序)采用匯編語言編寫。
其特點是用戶可配置內(nèi)核功能、多平臺的支持、目標代碼小，簡單易用強大的執(zhí)行跟蹤功能、堆棧溢出檢測、沒有限制的任務(wù)數(shù)量和任務(wù)優(yōu)先級，多個任務(wù)可以分配相同的優(yōu)先權(quán)、隊列，二進制信號量，計數(shù)信號燈和遞歸通信和同步的任務(wù)、優(yōu)先級繼承。
FreeRTOS提供許多方法以實現(xiàn)多線程(threads)、多作業(yè)(task)、互斥鎖(mutex)、信號量(semaphore)和軟件計時器(software timer)，有個為低耗電應(yīng)用程序提供的無嘀嗒(tick-less)模式，線程的優(yōu)先權(quán)管理也有支持。主要功能包括：任務(wù)管理、時間管理、信號量、消息隊列、內(nèi)存管理、記錄功能、軟件定時器、協(xié)程等，可基本滿足較小系統(tǒng)的需要。
該操作系統(tǒng)由于簡單和易用，在輕量級的CPU上目前很多廠商都用這個國外系統(tǒng)，并已被經(jīng)成功移植到35種不同的微控制器上。FreeRTOS采用MIT許可證許可。
◆微軟-Windows 10 IoT
Windows IoT曾經(jīng)叫做Windows Embedded，是微軟的嵌入式系列產(chǎn)品家族，微軟在開始發(fā)行Windows 10嵌入式版本時將"Windows Embedded"更名為"Windows IoT"。該系統(tǒng)以各種物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備為目標，從小型的工業(yè)網(wǎng)關(guān)到較大型且更復(fù)雜的設(shè)備 (例如：控制醫(yī)療設(shè)備、ATM)，適合自動化制造、零售、醫(yī)療、軍事、金融、航天等嵌入式設(shè)備所使用。
目前包括四大系列：Windows Embedded Standard、Windows Embedded Compact、Windows Embedded Enterprise、Windows Embedded POSReady。
2020年5月，微軟宣布將把Windows 10 IoT Core及Windows 10 IoT Enterprise兩個版本合并為一，預(yù)計2021年釋出第一版，同時也承諾新版本將更精簡，且增加執(zhí)行Linux容器等新功能。
◆谷歌-Fuchsia
2016年，谷歌被曝出正在基于微內(nèi)核Zircon研發(fā)名為“Fuchsia”的物聯(lián)網(wǎng)OS，外界猜測Fuchsia是谷歌試圖使用單一操作系統(tǒng)統(tǒng)一整個生態(tài)圈的嘗試，即一個操作系統(tǒng)可以在智能手表、智能音箱、筆記本、智能手機等在內(nèi)的設(shè)備上運行。
與基于Linux內(nèi)核的Chrome OS和Android等不同，F(xiàn)uchsia基于新的名為Zircon的微內(nèi)核，受Little Kernel啟發(fā)，用于嵌入式系統(tǒng)，主要使用C語言和C++編寫。
Fuchsia的用戶界面與應(yīng)用使用“Flutter”開發(fā)，得益于Flutter提供的跨平臺能力，用戶可以在Android設(shè)備上安裝一部分Fuchsia。
Fuchsia的形象標識是個粉紅色的無限符號。作為免費和開源軟件分發(fā)，采用三句版BSD，MIT和Apache 2.0軟件許可證。
◆Linux基金會-Zephyr
Zephyr最初是風(fēng)河系統(tǒng)公司在2015年11月推出的為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備開發(fā)的“Rocket內(nèi)核”，更早時稱為“Microkernel Profile for VxWorks”，代碼移植于2001年并購Eonic Systems得來的Virtuoso DSP RTOS。2016年2月，它成為Linux基金會的項目而改稱現(xiàn)名。
Zephyr是支持多種架構(gòu)的小型實時操作系統(tǒng)，并針對資源受限的環(huán)境進行了優(yōu)化。適用于從簡單的嵌入式環(huán)境傳感器和LED可穿戴設(shè)備，到復(fù)雜的智能手表和IoT無線網(wǎng)關(guān)。
下面列出了Zephyr的主要功能：
◆支持150多個板。
◆完全的靈活性和選擇自由。
◆可以處理體積小的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。
◆可以開發(fā)具有內(nèi)置安全功能的產(chǎn)品。
在Zephyr設(shè)計中，安全性也很重要，設(shè)立了專門機制來維護或改進安全性。
◆Micrium-μC/OS-II
μC/OS由Micrium公司提供，是一個可移植、可固化的、可裁剪的、占先式多任務(wù)的開源實時內(nèi)核，專為嵌入式應(yīng)用設(shè)計，可用于8位、16位和32位單片機或數(shù)字信號處理器(DSP)。μC/OS-Ⅱ是在原版本μC/OS的基礎(chǔ)上做了重大改進與升級，目前已經(jīng)升級到了μC/OS-III。源代碼開放、整潔、一致，注釋詳盡，適合系統(tǒng)開發(fā)，已有近十年的使用實踐，有許多成功應(yīng)用該實時內(nèi)核的實例。
μC/OS-Ⅱ的主要特點如下：
1)公開源代碼，容易就能把操作系統(tǒng)移植到各個不同的硬件平臺上；
可移植性，絕大部分源代碼是用C語言寫的，便于移植到其他微處理器上；
2)可固化；
3)可裁剪性，有選擇的使用需要的系統(tǒng)服務(wù)，以減少斗所需的存儲空間；
4)占先式，完全是占先式的實時內(nèi)核，即總是運行就緒條件下優(yōu)先級最高的任務(wù)；
5)多任務(wù)，可管理64個任務(wù)，任務(wù)的優(yōu)先級必須是不同的，不支持時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度法；
6)可確定性，函數(shù)調(diào)用與服務(wù)的執(zhí)行時間具有其可確定性，不依賴于任務(wù)的多少；
7)實用性和可靠性，成功應(yīng)用該實時內(nèi)核的實例，是其實用性和可靠性的最好證據(jù)。
嚴格地說，μC/OS僅是一個實時操作系統(tǒng)內(nèi)核，它僅僅包含了任務(wù)調(diào)度，任務(wù)管理，時間管理，內(nèi)存管理和任務(wù)間的通信和同步等基本功能。沒有提供輸入輸出管理，文件系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)等額外的服務(wù)。但由于uC/OS良好的可擴展性和源碼開放，這些非必須的功能完全可以由用戶自己根據(jù)需要分別實現(xiàn)。
◆嵌入式Linux
嵌入式linux是一類嵌入式操作系統(tǒng)的概稱，這類型的操作系統(tǒng)皆以Linux內(nèi)核為基礎(chǔ)，被設(shè)計來使用于嵌入式設(shè)備。由于其源代碼公開，人們可以任意修改，以滿足自己的應(yīng)用，并且查錯也很容易。遵從GPL，無須為每例應(yīng)用交納許可證費。有大量的應(yīng)用軟件可用，其中大部分都遵從GPL，是開放源代碼和免費的，可以稍加修改后應(yīng)用于用戶自己的系統(tǒng)。
此外還有大量的免費的優(yōu)秀的開發(fā)工具，都遵從GPL并且是開放源代碼的。有龐大的開發(fā)人員群體，無需專門的人才，只要懂Unix/Linux和C語言即可。隨著Linux在中國的普及，這類人才越來越多。所以軟件的開發(fā)和維護成本很低。此外穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)功能是Linux本身具備的一個很大優(yōu)點。內(nèi)核精悍，運行所需資源少，典型的嵌入式Linux安裝大概需要2MB的系統(tǒng)存儲器。
嵌入式Linux和普通Linux并無本質(zhì)區(qū)別，PC上用到的硬件嵌入式Linux幾乎都支持。而且各種硬件的驅(qū)動程序源代碼都可以得到，為用戶編寫自己專有硬件的驅(qū)動程序帶來很大方便在嵌入式。
系統(tǒng)上運行Linux的一個缺點是Linux體系提供實時性能需要添加實時軟件模塊。而這些模塊運行的內(nèi)核空間正是操作系統(tǒng)實現(xiàn)調(diào)度策略、硬件中斷異常和執(zhí)行程序的部分。由于這些實時軟件模塊是在內(nèi)核空間運行的，因此代碼錯誤可能會破壞操作系統(tǒng)從而影響整個系統(tǒng)的可靠性，這對于實時應(yīng)用將是一個非常嚴重的弱點。
◆RIM-QNX
QNX主要針對嵌入式系統(tǒng)市場，其本身雖然并不屬于UNIX，但由于其支持POSIX，使得多數(shù)傳統(tǒng)UNIX程序在微量修改(甚至不需修改)后即可在QNX上面編譯與執(zhí)行，算是一款商業(yè)類Unix實時操作系統(tǒng)。該產(chǎn)品開發(fā)于20世紀80年代初，后來改名為QNX軟件系統(tǒng)公司，公司已被Research In Motion公司(RIM， 黑莓手機制造商)并購。
QNX是最成功的微內(nèi)核操作系統(tǒng)之一，多數(shù)功能是以許多小型的task來執(zhí)行，它們被稱為server。這樣的架構(gòu)使得用戶和開發(fā)者可以關(guān)閉不需要的功能，而不需要改變操作系統(tǒng)本身。
QNX Neutrino(2001)具有微內(nèi)核實時平臺，實時、穩(wěn)定、可靠、運行速度快，已經(jīng)被移植到許多平臺,并且運行在嵌入式市場中使用的各種現(xiàn)代處理器上，例如X86、PowerPC等。QNX在汽車領(lǐng)域得到了極為廣泛的應(yīng)用，如保時捷跑車的音樂和媒體控制系統(tǒng)和美國陸軍無人駕駛Crusher坦克的控制系統(tǒng)，還有RIM公司的blackberry playbook平板電腦。
◆Nucleus
Nucleus即時操作系統(tǒng)(Nucleus RTOS)是Mentor Graphics(已更名Siemens EDA)旗下Accelerated Technology公司所推出的嵌入式操作系統(tǒng)。Nucleus的好處是程序員不用再撰寫板支持套裝軟件(BSP)，并且約95%的代碼用ANSI C編寫，非常便于移植并能夠支持大多數(shù)類型的處理器，同時可提供網(wǎng)絡(luò)、圖形用戶界面、文件系統(tǒng)等模塊支持。
在典型的目標環(huán)境中，Nucleus PLUS核心代碼區(qū)一般不超過20K字節(jié)大小。從實現(xiàn)角度來看，Nucleus PLUS是一組C函數(shù)庫，應(yīng)用程序代碼與核心函數(shù)庫連接在一起，生成一個目標代碼，下載到目標板的RAM中或直接燒錄到目標板的ROM中執(zhí)行。由于采用了軟件組件的方法，Nucleus PLUS各個組件非常易于替換和復(fù)用。Nucleus PLUS的組件包括任務(wù)控制、內(nèi)存管理、任務(wù)間通信、任務(wù)的同步與互斥、中斷管理、定時器及I/O驅(qū)動等。
Nucleus RTOS提供注釋嚴格的C源級代碼給每一個用戶。
◆微軟-ThreadX
ThreadX是由美國Express Logic公司(2019年被微軟收購)開發(fā)的實時操作系統(tǒng)。ThreadX的作者是Willian Lamie，他也曾是Nucleus的作者，并且曾是Express Logic公司的CEO。
ThreadX名字是由來有兩個方面，線程(Thread)是操作系統(tǒng)的可執(zhí)行單元， “X”表示上下文切換。ThreadX的線程共享同一內(nèi)存空間，資源可共享。
和許多其他實時操作系統(tǒng)類似，ThreadX是多任務(wù)系統(tǒng)，采用搶占式調(diào)度，快速的中斷響應(yīng)，獨立內(nèi)存管理，支持線程間通信，互斥，事件和線程同步。
ThreadX主要的特點是支持優(yōu)先級繼承，搶占閾值的設(shè)計，微內(nèi)核設(shè)計，代碼空間占用小等。ThreadX源代碼采用免版稅使用模式(royalty-free)。
ThreadX 通常應(yīng)用在嵌入式操作系統(tǒng)中。大部分的開發(fā)工作在主機上完成，主機運行Windows或Linux系統(tǒng)，交叉編譯器可以在主機上生成目標系統(tǒng)的機器碼，然后下載到目標板上運行。
幾種可以識別threadx系統(tǒng)(OS-aware)的開發(fā)工具，包括 Wind River Workbench，ARM RealView，GreenHills Software's MULTI, Metrowerks CodeWarrior, IAR C-SPY, Lauterbach TRACE32 和 visionCLICK。
ThreadX 支持的架構(gòu)包括 ARM，X86, ARC, MIPS，Xtensa等等， 幾乎涵蓋所有主流CPU架構(gòu)。
國內(nèi)主流物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)
◆華為-LiteOS
2015年Huawei LiteOS發(fā)布，2016年9月推出開源版本，Kernel源代碼開源，大小只有10K，是華為針對物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域推出的輕量級物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)，是華為物聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略的重要組成部分。具備輕量級、低功耗、互聯(lián)互通、組件豐富、快速開發(fā)等關(guān)鍵能力，基于物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域業(yè)務(wù)特征打造領(lǐng)域性技術(shù)棧，為開發(fā)者提供 “一站式” 完整軟件平臺，有效降低開發(fā)門檻、縮短開發(fā)周期，可廣泛應(yīng)用于可穿戴設(shè)備、智能家居、車聯(lián)網(wǎng)、LPWA等領(lǐng)域。
關(guān)鍵特性包括低功耗框架、OpenCPU架構(gòu)、安全性設(shè)計、端云互通組件和SOTA遠程升級等。
◆華為-鴻蒙HarmonyOS(含LiteOS內(nèi)核)
華為HarmonyOS是一款面向全場景(移動辦公、運動健康、社交通信、媒體娛樂等)的分布式操作系統(tǒng)。在傳統(tǒng)的單設(shè)備系統(tǒng)能力的基礎(chǔ)上，HarmonyOS提出了基于同一套系統(tǒng)能力、適配多種終端形態(tài)的分布式理念，能夠支持多種終端設(shè)備。HarmonyOS的主要特點是分布式，包括軟總線、設(shè)備虛擬化、數(shù)據(jù)管理和任務(wù)調(diào)度方面。同時具備一次開發(fā)，多端部署；統(tǒng)一OS，彈性部署的特點。
HarmonyOS主要有Linux、HarmonyOS內(nèi)核、Lite OS三種內(nèi)核，默認采用LiteOS，而且HarmonyOS內(nèi)核文件中可以看到liteos-a和liteos-m字樣，推測出HarmonyOS內(nèi)核對于LiteOS內(nèi)核具有一定的繼承性。多內(nèi)核設(shè)計可以在支持針對不同資源受限設(shè)備時，選則適合的內(nèi)核。從另一個角度講，LiteOS內(nèi)核也不僅限于給HarmonyOS用，支持的硬件甚至比HarmonyOS還豐富一些，提供了更多內(nèi)核案例和移植策略，從代碼來看，它們都支持Cortex-M內(nèi)核和Cortex-A內(nèi)核。
小疑問：LiteOS和鴻蒙有啥不同？
兩者因?qū)Ξa(chǎn)品定位的不同，在對內(nèi)存和資源的消耗上也有不同。
HUAWEI LiteOS因為其具有很高的剪裁特性，在硬件資源有限的時候的僅保留內(nèi)核，可以剪裁到6KB ROM以及消耗2KB RAM資源，可以說對資源的消耗是低到一定程度，而HarmonyOS為了保證系統(tǒng)性能要求，對硬件的資源則是128K ROM及2MB RAM的要求。
所以HUAWEI LiteOS主打物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)領(lǐng)域，更適合硬件低配置、低成本、低功耗的應(yīng)用場景；HarmonyOS更適合多媒體交互，需要Js增加開發(fā)效率的復(fù)雜大應(yīng)用的場合使用。HarmonyOS目前的開發(fā)板支持還是以華為自研芯片為主，HUAWEI LiteOS除了支持華為自研芯片外，還支持了市場上主流的Arm開發(fā)學(xué)習(xí)板。
◆阿里巴巴-AliOS Things
阿里做OS起源于移動操作系統(tǒng)YunOS，距今已近10年，后整合升級為AliOS。其中AliOS Things是AliOS家族專門針對物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的、高可裁剪、輕量級的嵌入式操作系統(tǒng)，致力于搭建云端一體化物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)備。具備極致性能，極簡開發(fā)、云端一體、豐富組建、安全防護等關(guān)鍵能力，并支持終端設(shè)備連接到阿里云Link，可廣泛應(yīng)用在智能家居、智慧城市、新出行等領(lǐng)域。
2017年10月，AliOS Things正式開源。
AliOS Things采用微內(nèi)核架構(gòu)，能夠?qū)⒃谥悄苡布线\行的軟件容器化和在線化升級，這意味軟硬件可以快速解耦、運維，降低了硬件廠商的生產(chǎn)與維護成本。據(jù)阿里官方介紹，這是一款專用于AIoT智能設(shè)備的操作系統(tǒng)，具備全新開發(fā)模式、在線裁剪工具、應(yīng)用與內(nèi)核分離、腳本語言支持、本地AI框架等特性。
另外，AliOS Things也是平頭哥YoC軟件平臺的核心。
◆賽睿德-RT-Thread
RT-Thread發(fā)布于2006年，是一個集RTOS內(nèi)核、中間件組件和開發(fā)者社區(qū)于一體的技術(shù)平臺，由熊譜翔先生帶領(lǐng)并集合開源社區(qū)力量開發(fā)而成，RT-Thread也是一個組件完整豐富、高度可伸縮、簡易開發(fā)、超低功耗、高安全性的物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)。RT-Thread具備一個物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)平臺所需的所有關(guān)鍵組件，例如GUI、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧、安全傳輸、低功耗組件等等。
官方資料顯示，RT-Thread目前擁有國內(nèi)最大的嵌入式開源社區(qū)，同時被廣泛應(yīng)用于能源、車載、醫(yī)療、消費電子等多個行業(yè)，累積裝機量超過8億臺，成為國人自主開發(fā)、國內(nèi)最成熟穩(wěn)定和裝機量最大的開源RTOS。
RT-Thread擁有良好的軟件生態(tài)，支持市面上所有主流的編譯工具如GCC、Keil、IAR等，工具鏈完善、友好，支持各類標準接口，如POSIX、CMSIS、C++應(yīng)用環(huán)境、Javascript執(zhí)行環(huán)境等，方便開發(fā)者移植各類應(yīng)用程序。商用支持所有主流MCU架構(gòu)，如ARM Cortex-M/R/A, MIPS, X86, Xtensa, C-Sky, RISC-V，幾乎支持市場上所有主流的MCU和Wi-Fi芯片。
◆中移物聯(lián)-OneOS
OneOS是中國移動針對物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域推出的輕量級操作系統(tǒng)，2018年開始頂層設(shè)計，2020年6月正式對外發(fā)布開源版本。該系統(tǒng)具有可裁剪、跨平臺、低功耗、高安全等特點，支持Arm Cortex-M/R/A、MIPS、RISC-V等主流CPU架構(gòu)，兼容POSIX、CMSIS等標準接口，支持Micropython語言開發(fā)，提供圖形化開發(fā)工具，能夠有效提高開發(fā)效率并降低開發(fā)成本，幫助客戶開發(fā)穩(wěn)定可靠、安全易用的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。
OneOS遵循Apache許可證2.0版本，個人、企業(yè)客戶可以免費在商業(yè)產(chǎn)品中使用，不需要公布源碼，沒有潛在商業(yè)風(fēng)險。中移物聯(lián)網(wǎng)表示，將秉承開放合作的態(tài)度，免費為客戶提供適用于各種物聯(lián)網(wǎng)場景的穩(wěn)定系統(tǒng)。
◆騰訊-TencentOS tiny
TencentOS tiny是騰訊面向物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域開發(fā)的實時操作系統(tǒng)，具有低功耗、低資源占用、模塊化、安全可靠等特點，可有效提升物聯(lián)網(wǎng)終端產(chǎn)品開發(fā)效率。
TencentOS tiny號稱業(yè)界最小，只有1.8K，提供精簡的RTOS內(nèi)核，內(nèi)核組件可裁剪可配置，可快速移植到多種主流MCU及模組芯片上?；赗TOS內(nèi)核提供了豐富的物聯(lián)網(wǎng)組件，內(nèi)部集成主流物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議棧(如CoAP/MQTT/TLS/DTLS/LoRaWAN/NB-IoT 等)，可助力物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備及業(yè)務(wù)快速接入騰訊云物聯(lián)網(wǎng)平臺。
有意思的是，這款操作系統(tǒng)推出不久后騰訊曾宣布，TencentOS將于2017年6月28日停止服務(wù)。當時給出的解釋是，“因為第三方ROM市場萎縮，TencentOS要退出歷史舞臺了?！?/span>
但面對物聯(lián)網(wǎng)市場的前景，2019年9月，騰訊還是宣布TencentOS tiny開源，希望以此進一步推動其物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)的繁榮。目前，TencentOS tiny已支持意法半導(dǎo)體、恩智浦、華大半導(dǎo)體、瑞興恒方、國民技術(shù)等主流廠商多種芯片和模組。不過，與華為、阿里強勢且全面的生態(tài)布局相比，騰訊還有很長一段路要走。
◆慶科-MiCO
2014年7月，上海慶科(Mxchip)攜手阿里云發(fā)布了MiCO(Micro-controller based Internet Connectivity Operating System)，這是一個面向智能硬件優(yōu)化設(shè)計的、運行在微控制器上的、高度可移植的操作系統(tǒng)和中間件開發(fā)平臺。當時慶科稱，這是中國首款真正意義上的物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)。
作為獨立的系統(tǒng)，MiCO擁有開放架構(gòu)，并不依賴于MCU型號，同時具有硬件抽象層(HAL)。此外，固件的應(yīng)用開放接口已實現(xiàn)多種應(yīng)用層協(xié)議：海爾、美的、AO、Apple MFi 、HomeKit、Siri語音控制等。MiCO包括了底層的芯片驅(qū)動、無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、射頻控制技術(shù)、安全、應(yīng)用框架等模塊。
MiCO內(nèi)含一個面向IoT設(shè)備的實時操作系統(tǒng)內(nèi)核，適合運行在資源受限的微控制設(shè)備上。此外，MiCO還包含了網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議棧、安全算法和協(xié)議、硬件抽象層、編程工具等開發(fā)IoT必不可少的軟件功能包。MiCO提供MCU平臺的抽象化，使得基于MiCO的應(yīng)用程序開發(fā)不需要關(guān)心MCU具體件功能的實現(xiàn)，通過MiCO中提供的各種編程組件快速構(gòu)建IoT設(shè)備中的軟件。
◆翼輝-SylixOS
SylixOS是翼輝信息自主設(shè)計研發(fā)的大型嵌入式硬實時操作系統(tǒng)，從2006年便開始開發(fā)工作，據(jù)工信部評估報告內(nèi)核自主化率100%。支持對稱多處理器(SMP)平臺，具有豐富的文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以及眾多設(shè)備驅(qū)動支持，并提供完善的集成開發(fā)環(huán)境。應(yīng)用領(lǐng)域主要有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、國防安全、工業(yè)自動化、軌道交通、電力、醫(yī)療、航空航天、汽車電子等。
從全球范圍上看，SylixOS作為實時操作系統(tǒng)的后來者，在設(shè)計思路上借鑒了眾多實時操作系統(tǒng)的設(shè)計思想，其中就包括RTEMS、VxWorks、ThreadX等。它的誕生可以擺脫國內(nèi)一些關(guān)鍵性設(shè)備對國外嵌入式操作系統(tǒng)的依賴，為國內(nèi)的嵌入式信息技術(shù)行業(yè)提供一個全新的選擇。
為了保證 SylixOS能夠持續(xù)開發(fā)，并且吸引大批開發(fā)人員參與測試，SylixOS目前是以公開源代碼項目的形式存在。據(jù)官網(wǎng)顯示，該操作系統(tǒng)源碼已經(jīng)授權(quán)給了多家國內(nèi)科研機構(gòu)，包括中國航天科工集團、中國航天科技集團、龍芯中科、國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)等，推出了SylixOS海鷹翼輝、風(fēng)云翼輝、龍芯翼輝、麒麟翼輝等發(fā)行版本。
目前國內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)可謂百花齊放，除上述這些，還有新華三的綠洲OS、海爾的UHomeOS、科銀京成的Deltaos(道系統(tǒng))、秦簡計算機的DJYOS、致遠電子的AworksOS、中航計算所的AcoreOS(天脈)、凱思昊鵬的HopenOS等等。但是總體而言，全球物聯(lián)網(wǎng)市場大部分還是國外操作系統(tǒng)的天下，特別是較早進入市場的美國公司，比如ThreadX、FreeRTOS、vxWorks等。
小結(jié)
目前物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)市場上，除了一些老牌國外廠商的產(chǎn)品，其余十幾種都處在發(fā)展初期，產(chǎn)業(yè)鏈中并未形成某一個或幾個OS壟斷的環(huán)境。對于互聯(lián)網(wǎng)大廠這種有生態(tài)又不缺錢的主來說，很多還是希望使用自家開發(fā)定制的OS，從一定程度上也造成了行業(yè)內(nèi)山頭林立，各自為政。
另一方面，開源Linux和RTOS還是物聯(lián)網(wǎng)市場主流，除具備自家OS外的企業(yè)，其余廠商大多采用具有生態(tài)優(yōu)勢，并且開源、中立的第三方操作系統(tǒng)，例如RT-Thread。
操作系統(tǒng)不能作為單一產(chǎn)品而存在，而應(yīng)該是一個生態(tài)系統(tǒng)，需要硬件和軟件開發(fā)者的支持。Windows和安卓系統(tǒng)們在PC時代和智能手機時代掌握了先機，形成壟斷，令后來者難以顛覆，智能期待下一波計算革命。
根據(jù)BCG波士頓咨詢的市場分析，大約80%的成功者在前5年就獲得了超過50%的市場份額，他們平均使用7年時間達到市場份額的峰值，市場占有率約為80%。反觀失敗者的數(shù)據(jù)，他們在前5年獲得的市場份額平均值為8%，峰值也僅為13%。比如微軟的Windows Phone和黑莓的操作系統(tǒng)，它們的峰值市場份額僅為15%。
如今，物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)市場更多全新的機會正在開啟，舊日霸主未必能在物聯(lián)網(wǎng)時代延續(xù)霸業(yè)，新興玩家們只有抓住時機迅速擴大規(guī)模，把握先發(fā)優(yōu)勢，才能占領(lǐng)物聯(lián)網(wǎng)時代的制高點。如果無法快速擴大市場占有率，可能連參賽的資格都沒有就已出局。
在各種新興市場上，海外企業(yè)并沒有絕對優(yōu)勢，這給國內(nèi)企業(yè)自研操作系統(tǒng)創(chuàng)造了機會。例如智能硬件和物聯(lián)網(wǎng)上布局廣泛的華為、小米、BAT等國內(nèi)企業(yè)們，也在一定程度上推動了國產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的崛起。
作者：劉于葦
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