國產嵌入式操作系統發展思考
偶然翻到了這篇老文章，出自何小慶（《嵌入式操作系統風雲錄：歷史演進與物聯網未來》作者），寫的很好，彙總了當下國產 OS 的狀態，遂分享出來。本文源自微博“麥克泰技術”，物聯網學前班公衆號經授權轉載分享。
嵌入式操作系統歷史悠久、門類繁多、用途廣泛，不僅包括嵌入式實時多任務操作者系統（RTOS）、開源的 Linux、機器人和路由器操作系統，還包括新型的物聯網操作系統，以及邊緣計算操作系統平臺。筆者認爲，只要是國人開發的，國人蔘與維護的開源項目，都是廣義上的“國產嵌入式操作系統”，隨着中國物聯網產業迅猛發展，國產裝備自主可控需求旺盛，國產嵌入式操作系統發展步入快車道。
國產物聯網操作系統頗具影響力
睿賽德電子科技公司這個名字大家不是很熟悉，但是他們的產品 RT-Thread 在物聯網和嵌入式開發者心目中是非常棒的開源軟件，RT-Thread 是國內目前合作和支持芯片和廠商衆多、社區開發者踊躍、組件豐富、應用領域廣泛的國產物聯網操作系統。2017 年以前，RT-Thread 還是一個傳統的嵌入式操作系統，經過過去兩年的發展，RT-Thread 在縮短產品開發週期、加快端雲互聯對接和提升設備端軟件質量等方面做了大量工作，取得顯著的成效。
華爲 LiteOS 是另外一個在物聯網領域頗具影響力的嵌入式操作系統。今天名氣已經很大的華爲可穿戴產品，比如 Huawei WatchGT，2015 年開始使用 LiteOS。超低功耗和超小的尺寸要求，給了 LiteOS 一個發展成熟的機會，到了 2017 年正式推出開源的物聯網操作系統，LiteOS 已經初具規模很快在 NB-IoT 領域站穩了市場，特別是 OPEN CPU 的 NB-IOT 芯片和模組方案裏面，都有 LiteOS 身影。在 HDC 2019 大會上，鴻蒙 OS 的當前的架構裏面，LiteOS 也是其內核之一（Linux、鴻蒙和 LiteOS）。隨着鴻蒙出現，未來 LiteOS 還是一個謎，但其針對 IoT 設備特有的素質，必將會融合進華爲操作系統的佈局裏面。
開源嵌入式操作系統助力創新發展
Zephyr 是 2016 年由 Intel、Synopsys、NXP 等公司發起的開源實時操作系統平臺項目，現在由 Linux 基金會管理。項目旨在聯合整個行業的領導者，構建針對資源小型受限設備，開發一個可擴展的嵌入式實時操作系統。Zephyr 雖然歷史比較短，但起點很高，是發起公司和組織多年的經驗教訓的總結，最初的代碼來自風河，風河的 vxwork RTOS 在工業和航空航天極有影響力。Zephyr 雖然只有 3 年的歷史，相對 FreeRTOS 和 Contiki 等開源 RTOS，Zephyr 比較完備，中間件豐富。在安全設計方面 Zephyr 有縝密的考量，在代碼規範中，Zephyr 用 MISRA C；在功能安全認證上，Zephyr 選擇 IEC61508，這些功能開源嵌入式操作系統裏面還沒有其他項目能做到。Zephyr 有一個充滿活力的國際開發社區，它和物聯網操作系統中的 ARM Mbed OS、nuttX 和 RIOT 比較，活躍度很高。雖然 Zephyr 目前在中國關注度目前比較低，但技術上產品發展思路很值得國內同行的借鑑。
自主可控、安全先行
國產嵌入式操作系統發展一個重要方向就是打造航空航天、工業裝備和軌道交通、通信設備和汽車電子的自主可控的操作系統。面向裝備與國防系統的嵌入式操作系統在可靠性、環境適應性、電磁兼容性、實時控制性方面都有自己的一套要求。華爲在嵌入式操作系統方面的起步比較早，目前已經有基於開源的 Linux 自研的高可靠、高安全與高實時性的操作系統，覆蓋了公司通信產品中的各個業務。華爲的 RTOS 面向 5G 萬物互聯的物聯網時代，對於操作系統安全方面的考慮尤其重視，可滿足安全、可靠、自主的嵌入式實時操作系統要求。
上海華元創信研發的銳華高安全嵌入式操作系統（ReWorks Cert），符合功能安全標準 IEC 61508 SIL/SC3（通用）和EN 50128 SW SIL4（軌道交通），是國內目前少數通過國際第三方認證公司認證的嵌入式實時操作系統。目前ReWorks Cert 已率先成功應用於軌道交通信號領域龍頭公司卡斯柯信號有限公司的安全計算機平臺中，該計算機平臺已成功通過 EN 50126 SIL4 等級認證。ReWorks Cert 有望在城市軌道交通領域獲得規模化應用。
技術發展、標準領航
嵌入式操作系統的發展離不開相關國家標準的制定，中國電子技術標準化研究院物聯網中心正在着手物聯網操作系統國家標準體系制訂的前期研究工作。物聯網操作系統的應用領域比較廣泛，包括智慧城市、智能家居、交通運輸、智能電網等場景，物聯網操作系統標準的制定，工作需要產業和學術屆的支持和幫助，爲物聯網的標準化建設貢獻力量。物聯網操作系統標準制定，對於物聯網產業生態建設將更爲重要，期待政府出臺一些政策來促進物聯網操作系統的健康良性發展等。
嵌入式操作系統發展新趨勢
物聯網安全需要嵌入式操作系統通過安全認證，比如醫療電子 IEC 60601/62304、汽車電子 ISO 26262、航空電子 DO-178B/C 和核電 IEC 61513。老牌的嵌入式操作系統 QNX、Vxwork、Integrity 和 SafeRTOS 在安全認證起步比較早，Thread-X、uC/OS 和 embOS 這兩年也迎頭趕上，開源的 Zephery 正在做認證的工作，將要成爲首家通過安全認證的開源嵌入式操作系統。上面講到上海銳華的 RTOS 成功應用於軌道交通信號領域龍頭公司卡斯柯信號有限公司的安全認證計算機平臺中， 這說明國產嵌入式操作系統已經具備安全的能力並具備相應的技術能力。
嵌入式操作系統的虛擬化已經由來已久，幾乎所有大的 RTOS 公司都有自己 Hypervisor 比如 ENEA 和風河，但是 Hypervisor 存在性能不高和缺少統一設備驅動的問題。隨着容器技術在服務器和雲計算成功採用，容器技術被證明具備應用級安全，這樣輕量型容器技術受到物聯網和嵌入式系統的關注。目前基於 Linux 輕量級容器技術研究進展比較大，比如 Canonical 推出的針對物聯網以及邊緣計算平臺 Ubuntu Core 和它類似 Docker 的 Snap package 包管理軟件，以及針對 IoT 的支持容器技術 ResinOS（現更名爲 BalenaOS）。IoT 設備大量使用 MCU，無法運行 Linux，包括翼輝信息和華爲等企業推出輕量級安全容器技術，即在它們 RTOS 基礎上實現容器技術，已滿足物聯網時代安全、實時和快速佈置和管理的新的需求。
嵌入式操作系統的內核繼續呈現百花齊放局面，基於宏內核的 RTOS 仍佔多數。微內核技術應用在商業 RTOS 的歷史可以追溯到 90 年初，比如 VRTXsa，目前依然活躍在市場上代表性產品是 QNX，因爲實時性等因素，微內核技術在代碼受限的 MCU 上應用很少，比如 uc/OS、FreeRTOS 和 RT-Thread 都是宏內核技術。在 MCU 中如何能享受到大型 OS 的一些特性，同時保留 RTOS 在尺寸、實時性等方面的優勢呢？AliOS Things 在 ARM 架構Cortex M 和 A 處理器上做了有益嘗試，他們實現安全、多應用、內核可靠和動態低流量升級等技術特徵。
AIOT 應用的對傳統的操作系統提出新的課題，比如可擴展的內核技術、功能安全和信息安全、邊緣計算架構的支持和應用 App 的便捷佈置和管理。傳統的移動操作系統比如 Android 和開源的 Linux 無法滿足功能安全認證和強實時性的需要，傳統的基於宏內核的 RTOS 無法滿足系統擴展、維護和應用便捷的需要，針對 AIOT 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，比如無人駕駛汽車上的操作系統技術正在吸引產業和學術界關注。
結束語
可以預見，嵌入式操作系統和 IoT OS 將向大型複雜和可配置、更小更安全和硬化兩個方向發展，以適應物聯網和人工智能時代，計算架構和應用軟件平臺發展的新需求。嵌入式軟件經歷了 80 年代微處理器和硬件設計占主導地位，軟件在系統中比例很低；90 年代商業 RTOS 出現，解決了一部分軟件複雜性問題；2000 年之後開源軟件大規模採用，開發方法發生巨大的變革；2010 年之後 IoT 架構和應用驅動分佈式實時軟件迴歸；預計到了 2020 年“軟件定義硬件”將驅動嵌入式軟件開發方法變革，包括嵌入式和 IoT OS 的操作系統技術將迎來新的發展機遇。
作者：何小慶，嵌入式系統知名專家、長期從事嵌入式與物聯網技術、產業和教育方面工作，著有《嵌入式操作系統風雲錄：歷史演進與物聯網未來》等五本書籍和數十篇論文。
總的來說，各個國產 RTOS 都已經在各自的領域內沉澱了多年，各有各的應用領域和生態，希望在物聯網和人工智能時代能夠看到他們的進一步的成長，不僅僅是在 MCU 領域，更是在高端 MPU 領域，不僅有國外芯片的支持，也有國內芯片平臺的良好支持。
本文首發於微信公衆號 “物聯網學前班”，歡迎關注。
