IOT操作系統分析與比較
摘要：根據IOT設備的需求，以及IOT OS需要滿足的技術特征、現有IOT OS的來源，分別概述FreeRTOS、AliOS-Things、RT-Thread、Lite OS、Zephyr、Mbed OS、AWorksOS、HybridOS等8個IOT OS的特點。智能物聯網（AIOT，AI+IOT）是人工智能與物聯網的協同應用，據此分析IOT OS的發展方向。
關鍵字：物聯網操作系統；IOT OS；智能物聯網；AIOT
1 IOT 設備特點及IOT OS特征
2016年，WindRiver（風河系統公司）指出IOT設備的8大需求[1]：
不斷調整和升級的架構（芯片？）；適應不同種類的設備軟件；設備安全；虛擬化；性能和可靠性；聯網；豐富的UI；工業認證。
何小慶得出IOT OS的5大技術特征[2]
1) 管理“物”——物聯網邊緣節點上的嵌入式實時低功耗設備。
2) 泛在通信，無線和有線，近場和遠距離的通信方式和協議。
3) 可維護性，OTA和遠程維護。
4) 安全，設備、通信、雲等的安全。
5) 雲平台，遠程管理，這是物聯網大數據和人工智能的基礎。
2 現有IOT操作系統
現行的IOT操作系統來源[1][3]：
1) 基於移動端操操作系統如Linux、Android、IOS等進行裁剪和定制，來適應物聯網接入設備的需求。這些OS體積龐大、功耗較高，而且無法滿足安全認證和實時性等要求。
2) 傳統的嵌入式操作系統，FreeRTOS（亞馬遜）、RT-Thread、uCos（以前是商業收費，現在也開源了）、ThreadX（微軟）、VxWorks的變種。
3) 專門為IOT設計，SyberV、華為LiteOS、阿里AliOS-Things、Android Things、ARM Mbed OS。
2.1 FreeRTOS
FreeRTOS起源於英國人Richard Barry於2003年發布的開源的實時內核，發展歷程如下。
- 2003~2016，傳統嵌入式OS。
- 2017成為AWS開源項目，亞馬遜增加IOT應用組件，連接雲，變為IOT OS。
- 2016年，Micrium公司的µC/OS被Silicon Labs收購，出於競爭的擔心，ST和NXP等知名的嵌入式芯片公司轉向支持FreeRTOS[4]。
OS主要特點如下。
- 歷史悠久，開發者眾多，支持的CPU硬件架構特別多，達35種。
- FreeRTOS有一些列軟件，版本眾多，包括開源版本、授權版本、安全版本（SafeRTOS）、Amazon開源IOT OS版本。
- 支持AWS邊緣計算的功能（Greengrass）。
- 除了AWS，官方沒有支持第三方雲平台。
2.2 AliOS-Things
AliOS Things發布於2017年杭州雲棲大會， 是AliOS家族旗下的、面向IoT領域的、高可伸縮的物聯網操作系統。OS主要特點如下。
- 支持微內核基礎上的POSIX實現，方便程序框架/程序庫移植。
- 支持雲端一體在線開發（靈活架構，自組網），提供IOT全鏈路開發、模擬和部署支持。
- 支持APP獨立升級；組件化思想的多BIN或差分升級。內核、框架層、應用層三個獨立的BIN文件，芯片廠商可以出廠預置內核，應用層只關心應用層開發，不關心硬件，方便移植。
- 支持可信執行環境（csky）；支持ID2根身份證和秘鑰；支持系統調用。
- v1.1.1集成了自研的Bone Engine，它是一套為AliOS Things優化定制的JavaScript引擎，集成了JavaScript的編程及運行環境。
- 集成了IOT套件，Link Kit，Link Voice等阿里雲IoT核心組件，產品可以訪問阿里雲服務。
- 支持的CPU架構一般。
2.3 RT-Thread
起源於上海睿賽德電子科技公司創始人和總經理熊譜翔於2006年創建的RT-Thread 開源實時操作系統項目，發展歷程如下。
- 2011 年 RT-Thread 1.0 版本正式發布。
- 2015 年 2.0版本和現在名氣很大的柿餅 GUI 捆綁發布。
- 2017 年發布 3.0，RT-Thread 全面啟動 IoT 戰略 。
OS特點如下。
- 集成音頻，圖像相關的各類算法和智能引擎。
- 柿餅UI，小型、現代化的圖像庫。
- 開源、社區化、中立，開放支持第三方雲。
- Nano版本和IOT版本。
- 集成開源JerryScript引擎，支持JavaScript開發。
- 組件比較豐富。
- 混合微內核架構正在內測[5]，平台是柿餅M7的開發板，全志R11處理器，ARM Cortex-A7。
2.4 Lite OS
Huawei LiteOS是華為針對物聯網領域推出的輕量級物聯網操作系統，是華為物聯網戰略的重要組成部分，具備輕量級、低功耗、互聯互通、組件豐富、快速開發等關鍵能力，為開發者提供 “一站式” 完整軟件平台，有效降低開發門檻、縮短開發周期。發展歷程如下，走過了內部產品-開源軟件-IoT 解決方案發展之路。
- 2012 年華為開發支持公司內部消費產品的小型嵌入式操作系統 LiteOS。
- 2014 和 2015 年 LiteOS 與Huawei 手機和智能手表一同出貨。
- 2016 年 Lite OS內核正式開源。
- 2017 年發布 LiteOS IoT 解決方案（即端雲解決方案）
- 2018 年華為加速開發步伐，發布LiteOS SDK 2.1 和 Lite OS Studio 1.0（開發環境）。
- 2019以后，鴻蒙OS的架構中，LiteOS也是其內核之一（Linux、鴻蒙、LiteOS）。
OS主要特點：
- OpenCPU架構，MCU和通信模組二合一，顯著降低終端體積和終端成本，特別適用於NB-IOT應用場景和海思芯片，這是它的主要優勢。
- 智能邊緣項目KubeEdge，名字來源於Kube + Edge，顧名思義就是依托Kubernetes的容器編排和調度能力，實現雲邊協同、計算下沉、海量設備接入等。
- AI引擎、JS引擎。
- 支持的CPU架構單一。
2.5 Zephyr
Zephy是2016年由Intel、Synopsys、NXP等公司發起的開源實時操作系統平台項目，現在由Linux基金會管理。Zephyr是一款小型且可擴展的操作系統，尤其適用於資源受限的硬件系統，可支持多種架構。
OS特點如下：
- 起點很高，來自風河的成熟代碼。
- 代碼結構和Linux內核很相似。
- 支持的CPU架構豐富。
- 安全設計方面，支持用戶態/內核態；支持MPU；內核對象權限模型。
- 支持TEE，Armv8-M trustzone。
- 功能安全，打算通過IEC 61508和ISO 26262認證。
- 中間件豐富，支持很多協議。
2.6 Mbed OS
2014年，ARM發布了Mbed OS，試圖基於Mbed OS建立一個龐大的物聯網生態，以此來連接硬件廠商、軟件服務商、雲服務商以及開發者社區。OS特點如下。
- 面向ARM Cortex-M系列處理器。
- 版本從1.0、2.0、3.0，然后直接到5.0，6.0在計划中。
- 模塊化的可配置軟件棧，不配置則排除不必要的軟件組件，進而降低內存要求。
- 使用C++作為程序設計語言。
- 在線編譯，或者導出工程，用其他IDE編譯，部分源碼不開放。
- 內核uVisor運行在特權模式，內核創建隔離的安全域，安全域對內存和外設的訪問權限有限制。
- 支持ARM PSA架構。
- 2017年ARM推出了mbed Edge，與mbed Cloud和mbed OS組成邊緣計算的 IoT 方案 。
- 雲服務pelion 也是在國外，影響了國人的使用。
2.7 AWorksOS
AWorksOS是ZLG（周立功，廣州致遠電子）歷時12年開發的工業智能物聯開發平台，特點如下。
- AWorksOS是不開源的，內部核心功能組件都是以庫的形式提供，相關接口通過頭文件引出。
- AWorksOS以SDK方式發布，伴隨着特定開發板，SDK中包含了文檔、工具、示例代碼、模版工程等。
- OS的發展，依托ZLG的AWTK開源GUI引擎。
- 分為“核心域”和“非核心域”，即“業務”和“技術”， 非核心域包括底層驅動、操作系統和組件；開發者忽略產品底層技術細節，專注“核心域”。
- 將MCU和OS的共性抽象為統一接口，應用實現“一次編程，終生使用，跨平台”。
- 支持的CPU很少，目前有ARM Cortex-M4/M7/A7，ARM9。
2.8 HybridOS
合璧操作系統(HybridOS)是北京飛漫軟件於 2018 年 11 月發起的一個全新的開源項目。HybridOS 的目標是為物聯網設備和雲計算環境打造一個全新的操作系統，特點如下。
- 2019.11.18發布了第一個組件hiCairo；2019.12.10發布了了2D/3D的圖形組件，包括hiMesa、hiDRM、hiDRMDrivers、以及hiCairo，這些和MiniGUI（最初由飛漫軟件創始人魏永明開發，20年的發展歷程，為 IoT 智能設備和嵌入式系統提供圖形界面及交互實現）一起組成了HybridOS的圖形棧；2020.3.29，隨着MiniGUI 5.0的發布，HybridOS也升級了圖形棧。
- 為IOT網絡中的虛擬計算節點設計，故可運行在設備端、雲端、客戶端。
- 提供雲端和客戶端的接口，以及設備端與這兩者通訊的協議棧。
- 支持python、JavaScipt、C/C++。
- 依托MiniGUI，增加數據庫，以及其它復雜的圖形處理。
- 2019.9.19宣布MiniGUI4.0.2支持RT-Thread，但是沒找到相關驗證的源碼。
- 系統組件是damon進程；網絡通信等協議棧作為系統的服務。
3 AI+IOT對操作系統提出的新課題
移動操作系統Android和Linux，無法滿足工業安全認證和實時性要求；傳統的嵌入式操作系統無法滿足系統擴展、維護和應用的便捷需求；針對智能物聯網（AIOT，AI+IOT）場景的廣義的嵌入式操作系統和泛IOT OS技術正在探索和研究中[6]。
智能物聯網是2018年興起的概念[7]，是人工智能與物聯網的協同應用，人工智能使物聯網獲取感知與識別能力，物聯網為人工智能提供訓練算法的數據。AIOT中系統通過各種信息傳感器實時采集各類信息（一般是在監控、互動、連接情景下的），在終端設備、邊緣域或雲中心通過機器學習對數據進行智能分析，包括定位、對比、預測、調度等。
AIOT中終端設備還需要具備智能特性，預計未來IOT OS會向着兩個方向發展，一是大型、復雜、可配置，二是更小、更安全、硬化，則IOT OS需要滿足如下要求。
1) 雲端協同/邊緣計算架構
雲端人工智能技術如何透過邊緣計算與設備節點的 IOT OS結合起來[2]；邊緣節點管理和控制該場景中各種物聯網設備和計算硬件[8]，同時也支撐該場景中的應用層業務需求，提供基本的安全性。
2) 人工智能，終端智能化，具備感知和交互能力
AI引擎，JS引擎，音頻、圖像算法。
3) 終端虛擬化
輕量級容器。
4) 功能安全
通過工業級認證，IEC 61508和ISO 26262。
5) 信息安全
內核高度安全，通過形式化認證和安全認證[9]，ARM Cortex-M33/M35P軟核通過了EAL6+
認證[10]。內核支持用戶態/特權態；進程MPU隔離；內核對象權限。
6) 可信物聯網，數據可信
結合區塊鏈技術[11]，確保端到端數據可信。終端、邊緣、后端基礎設施（雲端）、后端應用程序的數據傳遞，確保可信。
7) 可擴展的內核
大型、復雜、可配置：支持X86、ARM Cortex-A系列；
更小、更安全、硬化：支持極簡的MCU等資源受限的設備。
8) APP單獨管理
多BIN特征，內核、框架層、應用三個BIN文件，應用層不關心硬件。
9) 高級語言支持
Micropython，JavaScript。
10) 豐富的UI
占用資料少、界面流暢度高。
11) OS抽象層
支持POSIX、CMSIS RTOS
參考文獻
[1] Allan He. The Origin of IoT OSes, Research and thoughts on the Internet of Things Operating Systems[J]. Elektor
Industry,2019(3):56.
[2] 何小慶.3種物聯網操作系統分析與比較[J].微納電子與智能制造,2020,2(1):66-71.
[3] 物聯網智庫.2019中國物聯網產業全景圖譜[J].2019:59.
[4] 何小慶.談談開源之后的µC/OS~[J].2020.03.24. http://www.bmrtech.com/News/news_show/49.html.
[5] 面包板.【內測邀請】RT-Thread Smart 混合微內核系統開始內測了！[J].2020.05.21.
https://www.eet-china.com/mp/a17443.html.
[6] 何小慶.國產嵌入式操作系統發展思考[J].2019.10.17.
https://weibo.com/ttarticle/p/show?id=2309404428436692140206.
[7] 金山雲，艾瑞咨詢.中國智能物聯網（AIOT）白皮書[J].2020:5.
[8] 潘愛明. 創新物聯網OS安全應對IOT風險[J].中國信息安全,2020(2):50-51.
[9] 趙永旺. 物聯網操作系統: 形式驗證與安全認證[J].中國網絡安全年會(CNCERT 2018).2018.8.16.
https://mp.weixin.qq.com/s/1sf3JY4gOZl89Lo_yj2NxQ.
[10] Asaf Shen. Arm receives first high assurance Common Criteria security certification for soft processor IP[J].
[11] 簡書.IoTeX的可信物聯網：端到端信任，萬物可信互聯[J].2019.10.05.