嵌入式OS的未來(lái)

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嵌入式OS發(fā)展到今天已經(jīng)有30多年歷史了，未來(lái)的嵌入式OS 會(huì)是什么樣的？技術(shù)會(huì)有哪些變化？商業(yè)還會(huì)蓬勃發(fā)展，還是逐漸消亡呢？筆者在撰寫(xiě)《嵌入式操作系統(tǒng)史話(huà)》專(zhuān)欄期間，恰逢美國(guó)的CES2014，我參觀(guān)了LG，三星、SONY，奧迪等大企業(yè)的展位，也看到了Intel、恩智浦和TI等半導(dǎo)體公司最新的芯片解決方案。在美國(guó)期間我還去了加州硅谷和佛州韋斯頓，拜訪(fǎng)了從事嵌入式OS開(kāi)發(fā)的專(zhuān)家們，經(jīng)過(guò)交流我了解到國(guó)外嵌入式OS最新發(fā)展的一些情況。

嵌入式OS方興未艾
嵌入式OS是在70年代開(kāi)始發(fā)展到今天已經(jīng)40多年了，嵌入式OS依然是方興未艾。我在CES2014上看到了各種嵌入式OS在消費(fèi)電子、汽車(chē)和醫(yī)療電子等領(lǐng)域的最新應(yīng)用。比如高通最新智能手表--Toq，使用的是ThreadX嵌入式OS。 LG最新的基于WebOS 智能電視（圖1），QNX應(yīng)用在飛機(jī)的娛樂(lè)系統(tǒng)上（圖2）。這些嵌入式OS ，它們雖然不是Android 和Vxworks這樣有名氣和有廣泛的應(yīng)用的嵌入式OS，但是依然給這些消費(fèi)電子產(chǎn)品帶來(lái)了全新的體驗(yàn)。根據(jù)UBM 2013年Embdded Market Study 報(bào)告，占有市場(chǎng)份額超過(guò)10%的嵌入式OS只有Android（28%）、FreeRTOS（21%）、Ubuntu Linux（13%）、Micrium uCOS-II和III（10%），其他十余種嵌入式OS的市場(chǎng)份額都只有個(gè)位數(shù)字，值得注意的是用戶(hù)自己開(kāi)發(fā)的嵌入式OS比例依然很高（19%）[1]。

這個(gè)現(xiàn)象說(shuō)明了嵌入式系統(tǒng)還遠(yuǎn)沒(méi)有像PC和移動(dòng)終端市場(chǎng)那樣具備了標(biāo)準(zhǔn)化和壟斷性，嵌入式系統(tǒng)依然呈現(xiàn)的是百花齊放的態(tài)勢(shì)。正如嵌入式操作系統(tǒng)史話(huà)第11篇“嵌入式OS的紅花綠葉”所說(shuō)，嵌入式應(yīng)用千變?nèi)f化，構(gòu)建這些應(yīng)用的嵌入式平臺(tái)也是百花齊放，其中核心技術(shù)--嵌入式OS自然也不能一統(tǒng)天下了。

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圖1基于webOS的LG智能電視

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圖2基于QNX的機(jī)載娛樂(lè)系統(tǒng)

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嵌入式OS技術(shù)的發(fā)展--多核方向
嵌入式OS的發(fā)展與微電子和集成電路的發(fā)展息息相關(guān)，著名的摩爾定律揭示了芯片中的晶體管數(shù)量和性能每隔18個(gè)月翻倍，每一美元所能買(mǎi)到的電腦性能將每隔18個(gè)月翻兩倍這樣的規(guī)律。在集成電路發(fā)展上ARM專(zhuān)注設(shè)計(jì)CPU,出售CPU 相關(guān)的IP（知識(shí)產(chǎn)權(quán)）讓各半導(dǎo)體公司生產(chǎn)各自的MCU（微控制器）和MPU（微處理器），這樣的方式提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率降低了成本,統(tǒng)一了開(kāi)發(fā)平臺(tái)提高了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)效率。過(guò)去的10年期間，ARM Cortex 架構(gòu)的CPU核心幾乎主導(dǎo)著嵌入式系統(tǒng)從智能終端到物聯(lián)網(wǎng)傳感器的方方面面。在摩爾定律的驅(qū)動(dòng)下，在以ARM為代表IP公司引領(lǐng)下，MCU和MPU在向著高集成度、高性能和低功耗方向發(fā)展。

要保持MCU和MPU的高性能和低功耗的平衡，在CPU中采用多核設(shè)計(jì)是一種已經(jīng)證明行之有效的方法。各種嵌入式MPU（比如高通和飛思卡爾通信處理器）和某些MCU （比如恩智浦公司的MCU）都發(fā)表了多核芯片。多核有同構(gòu)和異構(gòu)2種架構(gòu)，也就是說(shuō)多核芯片系統(tǒng)中包含同樣內(nèi)核的CPU核，或者不同內(nèi)核的CPU核。嵌入式OS實(shí)現(xiàn)多核芯片支持有幾種方式，其中使用Hypervisor虛擬化技術(shù)是最常見(jiàn)的一種，下圖3是我在CES2014 TI的演示廳里面看到Red Bend公司為基于TI OMAP多核應(yīng)用處理器提供給汽車(chē)電子行業(yè)解決方案的演示，在汽車(chē)儀表盤(pán)上運(yùn)行是符合汽車(chē)電子標(biāo)準(zhǔn)的OSEK的RTOS，在車(chē)載信息系統(tǒng)（IVI）上運(yùn)行的是Android，這樣的好處是在保證了汽車(chē)電子核心系統(tǒng)安全性的基礎(chǔ)上，支持了信息導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用軟件兼容性和開(kāi)放性。通過(guò)虛擬化技術(shù)支持嵌入式多核處理器的公司還有鳳河和ENEA，前者支持其私有的Vxwork和開(kāi)源的Linux或者Android，后者重點(diǎn)則在支持自己的OSE RTOS和通用的Linux解決方案[2]。

圖3 Red Bend移動(dòng)虛擬化在汽車(chē)上應(yīng)用

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嵌入式OS技術(shù)的發(fā)展--物聯(lián)網(wǎng)方向
物聯(lián)網(wǎng)（稱(chēng)為IOT-Internet of Things）是近年來(lái)IT產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn)。物聯(lián)網(wǎng)借助智能計(jì)算（嵌入式）、傳感器和通訊技術(shù)將物體與物體，物體與計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)系起來(lái)，組成一個(gè)面向行業(yè)應(yīng)用的系統(tǒng)。思科預(yù)計(jì)，2020年的全球物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備將達(dá)到750億臺(tái)。在全世界80億人口中，每個(gè)人屆時(shí)將對(duì)應(yīng)9.4臺(tái)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。較傳統(tǒng)的嵌入式設(shè)備，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用要求設(shè)備尺寸更小、功耗更低、安全可靠和具備無(wú)線(xiàn)通訊和組網(wǎng)能力。面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的嵌入式OS 應(yīng)該是模塊化、可伸縮、方便裁剪和軟件升級(jí)維護(hù)；還必須具備無(wú)線(xiàn)互聯(lián)的功能和協(xié)議支持，比如支持WiFi、藍(lán)牙4.0、Zigbee和6LowPan等無(wú)線(xiàn)協(xié)議和支持IPv6協(xié)議棧。

最早具備物聯(lián)網(wǎng)OS概念的是嵌入式PS傳感網(wǎng)（WSN）的OS ，來(lái)自加州大學(xué)伯克利分校（UC Berkeley）的TinyOS和瑞士計(jì)算科學(xué)學(xué)院（Swedish Institute of Computer Science）網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)小組Adam Dunkels開(kāi)發(fā)的Contiki，它們是傳感網(wǎng)OS的典型代表。2010年之后歐洲有了面向物聯(lián)網(wǎng)的OS--RIOT，相對(duì)前面2個(gè)OS，RIOT 更加接近一個(gè)完整的RTOS，具備實(shí)時(shí)性和模塊化結(jié)構(gòu)，支持標(biāo)準(zhǔn)的C和C++編程接口，不僅可以運(yùn)行在小型的MCU上，也可以支持MPU。在資源允許的條件下，可以運(yùn)行最新的互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議棧并完成協(xié)議轉(zhuǎn)換工作。

2014年1月微軟嵌入式事業(yè)部總監(jiān)Bob Breynaert 透露微軟有計(jì)劃推出物聯(lián)網(wǎng)版本的Windows Embedded [3]。2014年2月在德國(guó)紐倫堡的嵌入式世界大會(huì)上，鳳河宣布其基于Vxwork 的物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)，最近我看到風(fēng)河在其官方網(wǎng)站上給出這個(gè)版本的產(chǎn)品介紹和白皮書(shū)[4]。微軟和風(fēng)河這2家操作系統(tǒng)大公司的加入，尤其是風(fēng)河已經(jīng)有正式的產(chǎn)品的介紹和計(jì)劃，使得物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)已經(jīng)呼之欲出。傳統(tǒng)的RTOS的公司也紛紛有所動(dòng)作，比如Micrium 公司3月宣布在資源有限制的目標(biāo)系統(tǒng)中支持IPv6協(xié)議棧[5]，據(jù)我在之前與Micrium 創(chuàng)始人Jean Labross 交流，他們也正在關(guān)注物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的解決方案。

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嵌入式OS的商業(yè)模式
近年對(duì)嵌入式OS影響最大的是Google 的Android。Android 本質(zhì)并不是操作系統(tǒng)，而是一個(gè)由系統(tǒng)庫(kù)、運(yùn)行庫(kù)、應(yīng)用架構(gòu)和應(yīng)用軟件組成的系統(tǒng)，Android的底層是開(kāi)源的Linux OS。Google收購(gòu)了Android 到今天短短的5年時(shí)間，Android 已經(jīng)占據(jù)了80%移動(dòng)終端的市場(chǎng)和28%的嵌入式市場(chǎng)，Android 的成功讓傳統(tǒng)的嵌入式OS企業(yè)感到危機(jī)，也看到了努力的方向。

隨著越來(lái)越多的開(kāi)源的OS在嵌入式系統(tǒng)中使用，更多嵌入式OS已經(jīng)和準(zhǔn)備選擇開(kāi)源的商業(yè)模式，嵌入式OS的商業(yè)模式也正在發(fā)生著變化。傳統(tǒng)的商業(yè)模式是按照開(kāi)發(fā)者數(shù)量+最終產(chǎn)品銷(xiāo)售使用授權(quán)+技術(shù)服務(wù)收取費(fèi)用，如今部分嵌入式OS大企業(yè)已經(jīng)轉(zhuǎn)向面向某個(gè)企業(yè)（或者項(xiàng)目）收取產(chǎn)品年使用非、產(chǎn)品維護(hù)和技術(shù)服務(wù)費(fèi)用的方式，而放棄最終產(chǎn)品銷(xiāo)售使用收費(fèi)，今后嵌入式OS 公司更多地收入來(lái)自基于其平臺(tái)和核心技術(shù)的服務(wù)性收費(fèi)[6]。規(guī)模小一點(diǎn)的嵌入式OS公司依然還是采用傳統(tǒng)的商業(yè)模式，但是他們?cè)敢飧嗟亻_(kāi)放自己的技術(shù)和代碼，比如部分開(kāi)源、出版書(shū)籍和免費(fèi)源代碼評(píng)估。初創(chuàng)的嵌入式OS公司則直接采用開(kāi)源軟件的模式--軟件免費(fèi)服務(wù)收費(fèi)，它們的發(fā)展也很迅速。

Android的成功還讓嵌入式OS企業(yè)看到這樣的一個(gè)事實(shí)—掌握云計(jì)算平臺(tái)將可以牢牢掌控嵌入式OS。我在CES2014的Zigbee聯(lián)盟展位看到一家叫DSR的公司，他們開(kāi)發(fā)了開(kāi)源的Zigbee協(xié)議棧—ZBOSS，同時(shí)還開(kāi)發(fā)了IOE（Internet of everything，
思科公司關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)術(shù)語(yǔ)）的云計(jì)算平臺(tái)和移動(dòng)App，雖然還不是很成熟的產(chǎn)品，但已經(jīng)可以看到未來(lái)發(fā)展的雛形。我預(yù)計(jì)微軟計(jì)劃中的Windows Embedded物聯(lián)網(wǎng)版本，一定會(huì)融入微軟云計(jì)算平臺(tái)-Windows Azure，基于平臺(tái)即服務(wù)（PaSS）的Windwos Azure 是非常適合嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景。2012年底Windows Azure 云服務(wù)也已經(jīng)落地上海，這將幫助解決基于云計(jì)算的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的安全和可信問(wèn)題[7] ，我相信與云計(jì)算融合是嵌入式OS發(fā)展的商業(yè)模式需要，也是技術(shù)發(fā)展的需要。

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結(jié)束語(yǔ)
本文是《嵌入式操作系統(tǒng)史話(huà)》的最后一篇，其實(shí)要寫(xiě)的內(nèi)容還很多，歐洲、日本和中國(guó)的嵌入式OS 產(chǎn)品都值得仔細(xì)談?wù)?，比如法?guó)的Chrous、瑞典的OSE、日本的T-kernel（早期叫ITRON），中國(guó)凱思昊鵬的HOPEN、開(kāi)源的RT-thread和μTenux，限于篇幅只能說(shuō)這是一件很遺憾的事情。在撰寫(xiě)這個(gè)專(zhuān)題的后期，正值幾件與操作系統(tǒng)相關(guān)的大事情的發(fā)生：Windows XP 4月將停止服務(wù)可能給中國(guó)正在運(yùn)行的2億臺(tái)電腦帶來(lái)安全隱患，中科紅旗最近破產(chǎn)和國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)COS引起的爭(zhēng)議等，這些事情引發(fā)了一定要有國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)的呼聲再次響起，這種呼聲已經(jīng)引起了中央高層的關(guān)注，構(gòu)建國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)中的智能終端操作系統(tǒng)的計(jì)劃或?qū)⒑芸旄〕鏊?，包括物?lián)網(wǎng)在內(nèi)的其他嵌入式OS也在考慮之中。開(kāi)發(fā)、應(yīng)用和學(xué)習(xí)嵌入式OS在中國(guó)將大有可為。

在撰寫(xiě)《嵌入式操作系統(tǒng)史話(huà)》過(guò)程中，在選題和文獻(xiàn)資料翻譯方面我得到了與非網(wǎng)的幫助。為了保證技術(shù)文章文字的流暢和通俗易懂，我的家人幫助了我，感謝你們。

參考資料：
[1]2013 EMBEDDED MARKET STUDY UBM TECH
[2] https://www.enea.com/solutions/hypervisor/
[3] Microsoft pushes Windows Embedded for the Internet of thingshttps://www.infoworld.com/t/microsoft-windows/microsoft-pushes-windows-embedded-the-internet-of-things-235007
[4] https://www.windriver.com/vxworks/reinvented/
[5] https://micrium.com/ipv6/
[6]何小慶，談嵌入式軟件知識(shí)產(chǎn)權(quán)，電子產(chǎn)品世界雜志 2007年

[7]Christopher Barnatt 著 何小慶等譯，解讀云計(jì)算 ，北京航空航天大學(xué)出版社 2013年

與非網(wǎng)原創(chuàng)內(nèi)容，未經(jīng)許可，不得轉(zhuǎn)載

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系列之一：何為嵌入式操作系統(tǒng)？

摘要：對(duì)嵌入式操作系統(tǒng)的定義，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者和企業(yè)界人士的理解都不盡相同，具有代表性的意見(jiàn)有兩種；一種是說(shuō)嵌入式系統(tǒng)就是嵌入式的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，另外一種認(rèn)為嵌入式系統(tǒng)是一種機(jī)電結(jié)合、軟硬結(jié)合執(zhí)行某種特殊功能的系統(tǒng)……

系列之二：嵌入式OS的“摩托”系

摘要：摩托羅拉自1974年發(fā)布第一款MC6800 --8位微處理器到1979發(fā)布的MC68000（簡(jiǎn)稱(chēng)68K）-16/32位CPU之后，其芯片因?yàn)榧纯梢允褂迷谟?jì)算機(jī)系統(tǒng)中，也可以使用在嵌入式系統(tǒng)，很快成為當(dāng)時(shí)行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)。最早開(kāi)發(fā)嵌入式OS的公司，許多都是借助摩托羅拉的市場(chǎng)起家的……

系列之三：VRTX--商業(yè)嵌入式OS的開(kāi)拓者

摘要：除了上一篇提到的OS-9以外，最早出現(xiàn)的嵌入式操作系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)為嵌入式OS）當(dāng)屬VRTX，因其在技術(shù)上創(chuàng)新性，得到用戶(hù)和嵌入式系統(tǒng)公司的廣泛支持，VRTX可稱(chēng)為商業(yè)嵌入式OS的開(kāi)拓和領(lǐng)導(dǎo)者……

系列之四：μC/OS的故事（一）

系列之七：風(fēng)河-嵌入式OS的常青樹(shù)

摘要：風(fēng)河公司(Wind River System)是一家專(zhuān)業(yè)從事嵌入式OS、軟件開(kāi)發(fā)工具、解決方案平臺(tái)和服務(wù)的軟件公司，由Jerry Fiddle和David Wilner在1981年美國(guó)加州創(chuàng)立。VxWorks是風(fēng)河公司推出的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)（RTOS）……