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(jiàn)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序等）、集成開(kāi)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(yīng)用，下圖展示了這個(gè)概念：

　　物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)與傳統(tǒng)的個(gè)人計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)和智能手機(jī)類操作系統(tǒng)不同，它具備物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)的一些獨(dú)特特點(diǎn)，現(xiàn)說(shuō)明如下。

　　物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)內(nèi)核的特點(diǎn)

　　1、內(nèi)核尺寸伸縮性強(qiáng)，能夠適應(yīng)不同配置的硬件平臺(tái)。比如，一個(gè)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(shí)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(gè)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(chǔ)、復(fù)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(shí)候的內(nèi)核尺寸，不可避免的會(huì)大大增加，可以達(dá)到幾百K，甚至M級(jí)。這種內(nèi)核尺寸的伸縮性，可以通過(guò)兩個(gè)層面的措施來(lái)實(shí)現(xiàn)：重新編譯和二進(jìn)制模塊選擇加載。重新編譯措施很簡(jiǎn)單，只需要根據(jù)不同的應(yīng)用目標(biāo)，選擇所需的功能模塊，然后對(duì)內(nèi)核進(jìn)行重新編譯即可。這個(gè)措施應(yīng)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(dá)到10K以下的場(chǎng)合。而二進(jìn)制模塊選擇加載，則用在對(duì)內(nèi)核定制不是很深入的情況。這時(shí)候維持一個(gè)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(jìn)制模塊。在內(nèi)核初始化完成后，會(huì)根據(jù)配置文件，加載所需的二進(jìn)制模塊。這需要終端設(shè)備要有外部存儲(chǔ)器（比如硬盤(pán)、Flash等），以存儲(chǔ)要加載的二進(jìn)制模塊；

　　2、內(nèi)核的實(shí)時(shí)性必須足夠強(qiáng)，以滿足關(guān)鍵應(yīng)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(shí)時(shí)性，因?yàn)楹芏嗟年P(guān)鍵性動(dòng)作，必須在有限的時(shí)間內(nèi)完成，否則將失去意義。內(nèi)核的實(shí)時(shí)性包涵很多層面的意思，首先是中斷響應(yīng)的實(shí)時(shí)性，一旦外部中斷發(fā)生，操作系統(tǒng)必須在足夠短的時(shí)間內(nèi)響應(yīng)中斷并做出處理。其次是線程或任務(wù)調(diào)度的實(shí)時(shí)性，一旦任務(wù)或線程所需的資源或進(jìn)一步運(yùn)行的條件準(zhǔn)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(shí)時(shí)性要求；

　　3、內(nèi)核架構(gòu)可擴(kuò)展性強(qiáng)。物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的內(nèi)核，應(yīng)該設(shè)計(jì)成一個(gè)框架，這個(gè)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?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)的應(yīng)用環(huán)境具備廣譜特性，要求操作系統(tǒng)必須能夠擴(kuò)展以適應(yīng)新的應(yīng)用環(huán)境。內(nèi)核應(yīng)該有一個(gè)基于總線或樹(shù)結(jié)構(gòu)的設(shè)備管理機(jī)制，可以動(dòng)態(tài)加載設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序或其它核心模塊。同時(shí)內(nèi)核應(yīng)該具備外部二進(jìn)制模塊或應(yīng)用程序的動(dòng)態(tài)加載功能，這些應(yīng)用程序存儲(chǔ)在外部介質(zhì)上，這樣就無(wú)需修改內(nèi)核，只需要開(kāi)發(fā)新的應(yīng)用程序，就可滿足特定的行業(yè)需求；

　　4、內(nèi)核應(yīng)足夠安全和可靠。可靠性就不用說(shuō)了，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用環(huán)境具備自動(dòng)化程度高、人為干預(yù)少的特點(diǎn)，這要求內(nèi)核必須足夠可靠，以支撐長(zhǎng)時(shí)間的獨(dú)立運(yùn)行。安全對(duì)物聯(lián)網(wǎng)來(lái)說(shuō)更加關(guān)鍵，甚至關(guān)系到國(guó)家命脈。比如一個(gè)不安全的內(nèi)核被應(yīng)用到國(guó)家電網(wǎng)控制當(dāng)中，一旦被外部侵入，造成的影響將無(wú)法估量。為了加強(qiáng)安全性，內(nèi)核應(yīng)支持內(nèi)存保護(hù)（VMM等機(jī)制）、異常管理等機(jī)制，以在必要時(shí)隔離錯(cuò)誤的代碼。另外一個(gè)安全策略，就是不開(kāi)放源代碼，或者不開(kāi)放關(guān)鍵部分的內(nèi)核源代碼。不公開(kāi)源代碼只是一種安全策略，并不代表不能免費(fèi)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(yīng)該在CPU空閑的時(shí)候，降低CPU運(yùn)行頻率，或干脆關(guān)閉 CPU。對(duì)于周邊設(shè)備，也應(yīng)該實(shí)時(shí)判斷其運(yùn)行狀態(tài)，一旦進(jìn)入空閑狀態(tài)，則切換到省電模式。同時(shí)，操作系統(tǒng)內(nèi)核應(yīng)最大程度的降低中斷發(fā)生頻率，比如在不影響實(shí)時(shí)性的情況下，把系統(tǒng)的時(shí)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(diǎn)

　　外圍模塊指為了適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用特點(diǎn)，操作系統(tǒng)應(yīng)該具備的一些功能特征，比如遠(yuǎn)程維護(hù)和升級(jí)等。同時(shí)也指為了擴(kuò)展物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)內(nèi)核的功能范圍，而開(kāi)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(yīng)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(dòng)程序或應(yīng)用程序等的遠(yuǎn)程升級(jí)。遠(yuǎn)程升級(jí)是物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的最基本特征，這個(gè)特性可大大降低維護(hù)成本。遠(yuǎn)程升級(jí)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(jí)失敗的情況下，操作系統(tǒng)也應(yīng)該能夠恢復(fù)原有的運(yùn)行狀態(tài)。遠(yuǎn)程升級(jí)和維護(hù)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(chǔ)。比如支持FAT32/NTFS/DCFS等文件系統(tǒng)，支持硬盤(pán)、USB stick、Flash、ROM等常用存儲(chǔ)設(shè)備。在網(wǎng)絡(luò)連接中斷的情況下，外部存儲(chǔ)功能會(huì)發(fā)揮重要作用。比如可以臨時(shí)存儲(chǔ)采集到的數(shù)據(jù)，再網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后再上傳到數(shù)據(jù)中心。但文件系統(tǒng)和存儲(chǔ)驅(qū)動(dòng)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(yuǎn)程配置、遠(yuǎn)程診斷、遠(yuǎn)程管理等維護(hù)功能。這里不僅僅包涵常見(jiàn)的遠(yuǎn)程操作特性，比如遠(yuǎn)程修改設(shè)備參數(shù)、遠(yuǎn)程查看運(yùn)行信息等。還應(yīng)該包涵更深層面的遠(yuǎn)程操作，比如可以遠(yuǎn)程查看操作系統(tǒng)內(nèi)核的狀態(tài)，遠(yuǎn)程調(diào)試線程或任務(wù)，異常時(shí)的遠(yuǎn)程dump內(nèi)核狀態(tài)等功能。這些功能不僅僅需要外圍應(yīng)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(duì)IPv4和IPv6的同時(shí)支持。這個(gè)協(xié)議棧要具備靈活的伸縮性，以適應(yīng)裁剪需要。比如可以通過(guò)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(shí)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(yīng)用場(chǎng)合；

　　5、對(duì)物聯(lián)網(wǎng)常用的無(wú)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(wú)線通信功能，同時(shí)要支持Zigbee/NFC/RFID等近場(chǎng)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(bào)文，轉(zhuǎn)換成為另外一種協(xié)議的報(bào)文發(fā)送出去。除此之外，還應(yīng)支持短信息的接收和發(fā)送、語(yǔ)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(shí)代，不同行業(yè)之間，甚至相同行業(yè)的不同領(lǐng)域之間，會(huì)存在嚴(yán)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(gè)壁壘，因此XML標(biāo)準(zhǔn)在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)要內(nèi)置對(duì)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(jìn)行存儲(chǔ)。同時(shí)也可對(duì)行業(yè)自行定義的XML格式進(jìn)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(yīng)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(yīng)該定義一個(gè)完整的框架，以方便圖形功能的擴(kuò)展。同時(shí)應(yīng)該實(shí)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(yīng)該與操作系統(tǒng)核心分離，最好支持二進(jìn)制的動(dòng)態(tài)加載功能，即操作系統(tǒng)核心根據(jù)應(yīng)用程序需要，動(dòng)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(rèn)，到具體的動(dòng)作開(kāi)始執(zhí)行之間的時(shí)間（可以叫做click-launch時(shí)間）要足夠短，不能出現(xiàn)用戶點(diǎn)擊了確定、但任務(wù)的執(zhí)行卻等待很長(zhǎng)時(shí)間的情況；

　　8、支持從外部存儲(chǔ)介質(zhì)中動(dòng)態(tài)加載應(yīng)用程序。物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)應(yīng)提供一組API，供不同應(yīng)用程序調(diào)用，而且這一組 API應(yīng)該根據(jù)操作系統(tǒng)所加載的外圍模塊實(shí)時(shí)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(méi)有GUI模塊的情況下，就不應(yīng)該提供GUI功能調(diào)用。同時(shí)操作系統(tǒng)、GUI等外圍模塊、應(yīng)用程序模塊應(yīng)該二進(jìn)制分離，操作系統(tǒng)能夠動(dòng)態(tài)的從外部存儲(chǔ)介質(zhì)上按需加載應(yīng)用程序。這樣的一種結(jié)構(gòu)，就使得整個(gè)操作系統(tǒng)具備強(qiáng)大的擴(kuò)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(yīng)用，通過(guò)應(yīng)用程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。最后在軟件發(fā)布的時(shí)候，只發(fā)布操作系統(tǒng)內(nèi)核、所需的外圍模塊、應(yīng)用程序模塊即可。

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

　　集成開(kāi)發(fā)環(huán)境是構(gòu)筑行業(yè)應(yīng)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(kāi)發(fā)工具，以開(kāi)發(fā)出適合行業(yè)應(yīng)用的應(yīng)用程序。開(kāi)發(fā)環(huán)境必須足夠成熟并得到廣泛適用，以降低應(yīng)用程序的上市時(shí)間（GTMT）。集成開(kāi)發(fā)環(huán)境必須具備如下特點(diǎn)：

　　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(yīng)該能夠支持多種語(yǔ)言，比如既支持C/C++，也支持Java、Basic等程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言；

　　2、 最好充分利用已有的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。比如可以利用Eclipse、Visual Studio等集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，這些集成開(kāi)發(fā)工具具備廣泛的應(yīng)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(kāi)發(fā)環(huán)境外，還應(yīng)定義和實(shí)現(xiàn)一種緊湊的應(yīng)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(guò)對(duì)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行定制，使得集成開(kāi)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(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)和調(diào)試。比如提供應(yīng)用程序下載工具、遠(yuǎn)程調(diào)試工具等，支撐整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)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(yīng)用開(kāi)發(fā)環(huán)境等，都是支撐平臺(tái)，支撐更上一層的行業(yè)應(yīng)用。行業(yè)應(yīng)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(yīng)用得以茁壯生長(zhǎng)和長(zhǎng)期有效生存的基礎(chǔ)，只有具備了強(qiáng)大靈活的物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)，物聯(lián)網(wǎng)這棵大樹(shù)才能結(jié)出豐碩的果實(shí)。