千亿级赛道上的国产物联网操作系统们

作为未来商业的必争高地，物联网操作系统领域早已有了诸多玩家，Google、苹果、微软、亚马逊、arm、阿里、腾讯、华为等都做了重金布局。但是与PC、移动互联网时代不同，当前国内外并没有哪家公司能一家独大，这就意味着只要规划的好，找准切入点，国内外公司具有平等的机会在这千亿级别赛道上胜出。10月24日，第二届国产嵌入式操作系统技术与产业发展论坛暨嵌入式系统联谊会主题讨论会在杭州召开，主办方特别邀请了国内从事嵌入式操作系统研究、教学、产品开发的专家和学者参与论坛的主题演讲和技术报告，共话国产操作系统的机遇与挑战。

下午场主题为：AIoT时代的物联网操作系统，由嵌入式系统联谊会秘书长何小庆主持，阿里、腾讯、指令集、海尔、中移动等多名公司代表从产业、技术、应用、对比、趋势等角度，全面为我们解读了国产物联网操作系统。
 
电子标准院雷根：目前，国内外操作系统相关的标准还比较少
 

中国电子技术标准化研究院物联网研究中心网络技术研究室工程师雷根
 

“当前操作系统相关的国家标准还比较少，”中国电子技术标准化研究院物联网研究中心网络技术研究室工程师雷根介绍，其中安全类标准有5项，技术要求类标准有4项，分别占全部现行国内操作系统国家标准的28%和22%。对于操作系统核心功能（内核、框架）的标准，目前国内外是缺失状态。究其原因，雷根觉得有三点：首先，操作系统各家内核都有自己的特色，标准化技术点较少；第二，PC和移动系统架构有x86、arm、MIPS等，这些技术实现的差异较大，难于标准化；第三，事实标准居多，物联网操作系统标准正在发展初期，业界推动标准化的积极性还不够强。

因为硬件平台的碎片化、多样化，物联网操作系统需要具备占用资源少、运行功耗低、支持多种物联网互联协议、安全可靠并具备组网等能力。对此，业界玩家纷纷使出大招，满足物联网应用场景要求。归纳总结起来，主要有三条技术路线：

第一，减法路线。相关厂商基于PC和移动操作系统，对物联网终端设备进行裁剪，裁剪掉不必要的功能来适应物联网设备对功耗和资源的要求。这样的系统可以保持底层技术架构一致，利用原商业生态快速进入市场。但是因为这样的操作系统需要兼顾多种场景，难做到底层最优，也很难满足物联网新特征及需求。这个路线的主要代表是WindowsIoT Cores、Android Things。

第二，加法路线。基于原有轻量级的嵌入式操作系统添加相关通信协议等，达成物联网所需功能。这样厂商可以通过最小系统迭代适应多平台，低功耗控制和可靠性强。但对业务场景的支撑不足，重新构建新的生态体系困难。这个路线的主要代表是thingsqure、Contiki、Tiny OS。

第三，互联网路线。基于互联网厂家的云服务来对接自己的云平台，这样的操作系统可以与互联网紧密结合，有利于互联互通。但由于目前大多数厂商推出的物联网操作系统仅与自家服务相对应，很难做好生态共享。这个路线主要代表是AliOS Things、mbed OS、Azure RTOS。

雷根介绍，国内厂商目前主要采用加法路线推出自己的新型轻量级嵌入式操作系统，来满足物联网应用的特定需求。但他觉得互联网路线操作系统更有弯道超车的可能。

当前，我国物联网标准化成果颇丰，这为操作系统标准的推出奠定了基础。雷根介绍，我国共发布了物联网基础共性国标56项、行业标准2项，在研标准20项，覆盖了架构、传输、互操作、网关、接口、标识、测试与评价等相关基础性标准，开展了工业、农业、林业、智能家居、智慧城市、智慧医疗、金融质押等领域的应用标准。同时，国际上已发布物联网标准26项，其中我国主导的占8项，在研标准/技术报告18项，我国主导参与的有10项。电子标准院的下一步计划就是将面向多场景应用领域，依托标准化组织与产业联盟形成标准制定、测试认证全流程解决方案，吸引上下游厂商无缝连接，建设良好生态。

腾讯汪礼超：腾讯对物联网是全栈布局
 

腾讯高级工程师汪礼超

物联网行业已呈井喷状态，腾讯高级工程师汪礼超介绍，为此，腾讯在整个生态链中（端侧、边缘、管道、云端）都布局了完整的产品体系，其中物联网操作系统是整个技术栈中关键部分，腾讯目前支持三个产品系列：

TencentOS Tiny ：面向资源少、低功耗物联网终端设备，主要提供设备资源管理、连接管理、端云协同功能。
TencentOS Edge：为边缘侧提供云端计算能力边缘化、定位、图像、视频、AI等能力。
TencentOS Server：是在腾讯运行多年的服务器级操作系统，支持管道、云端的服务。

其中，TencentOS Tiny支持业界主流的MCU芯片和模组，具有极致精简内核、超低资源占用，高效管理框架、超低电量消耗，简洁IoT架构，能够帮助开发者超快速度入手。在内核方面，TencentOS Tiny 完全开源，HAL层过度封装会导致开发者学习成本提高，所以腾讯在做HAL封装时尽量做得非常精简。如果没有做硬件适配，可以使用原厂BSP包直接应用于TencentOS Tiny 中。在通信模组框架及联网SDK方面，腾讯既支持直接提供模组作为透传的通信通道，也支持直接把软件下载模组中。目前基于TencentOS Tiny AT框架完成驱动适配的通信模组已超20款，基本覆盖主流通信模组应用场景。厂家可以基于稳定的框架通信系统，快速进行原型开发。固件升级OTA是与腾讯云平台配合完成的。具有全镜像、差分可选，提供完整性安全校验，掉电保护，固件回滚，差分升级提供差分包制作工具、全部源码开源开放等特点，是业界首个全开源免费的嵌入式差分升级方案，能够有效减少升级带宽和OTA缓存区资源占用，提供差分还原算法源代码。Tickless低功耗，汪礼超介绍，普通功耗管理模式，当系统处于“空闲”状态时，系统自动进入低功耗模式。但是仍然有“时钟滴答”，因此能在低功耗模式下逗留的时间很短。针对这种情况，腾讯Tickless功耗管理模式提供非周期时钟，根据系统实时信息，直接停掉“时钟滴答”，从而节省整个系统级功耗。在安全组件方面，TencentOS Tiny做到了端云安全一体化，配合腾讯云物联网平台实现TID机制。在端侧操作层面，腾讯配合实现设备唯一性ID保障，设备证书、设备私钥、设备认证、根证书、以及密钥管理。在通信层面，腾讯则提供通信数据对称加密（TLS/DTLS），针对多种场景提供不同的安全等级。ELF Loader是TencentOS Tiny提供的对elf格式文件进行加载并执行的组件。目前支持动态加载的文件为目标文件（object）和共享目标文件（shared object）。通过这种方式，可以把内核应用分离，按需调用，可节省内存，多APP共用地址空间。除了上述核心技术开源外，腾讯还在github上和腾讯云大学上提供了完善的教程文档和视频资源。自2019年9月18日正式开源以来，目前TencentOS Tiny已有4700+star数量，1100+fork数量，已支持60+硬件平台，包括主流的STM32全系列、NXP Kinetis/LPC系列、华大半导体、Nordic蓝牙系列、兆易GD32/GD32V、国民技术N32系列、TI MSP系列等。

 
针对边缘侧，腾讯布局了TencentOS Edge操作系统，该系统基于Linux内核，提供边缘容器、AIoT、媒体引擎、网关协议互转组件、以及IoT业务相关的服务。主要特点是，其支持腾讯云原生公有云及微瓴私有云，集成腾讯内部 TencentOS Server 版同源内核安全加固，能够快速集成腾讯云运营系统，共享腾讯云运营服务，支持多平台，快速移植极小系统，支持定制化组件等。目前已支持的硬件平台是性能强劲的AI平台和通用性能的网关平台，AI方面如Intel、高通、树莓派等以及腾讯自研AI芯片，网关平台如STM32MP1系列和NXP imx6系列。

 
海尔尹德帅：AI在物联网操作系统大有可为

海尔集团优加研发负责人尹德帅
 

海尔集团优加研发负责人尹德帅表示，当前物联网操作系统架构主要关注内存管理、进程管理、进程间通信、文件系统管理、网络管理、中断处理等等，针对具体应用场景或者业务进行相关的研究。浏览当前物联网应用可以看到，如森林防火无人机巡逻应用，需要进行目标检测、区域识别、暗火辨识等功能；如高速除草机器人、自动驾驶需要高速、精准图像识别；异响检测需要高实时性，物联网应用实际上早已或多或少渗透了AI的图像识别、音视频分析等能力。

但是，AI与IoT的结合给物联网操作系统也带来了新的挑战，受限于物联网业务的浩如烟海，物联网操作系统的研究方向与内容呈现出新的挑战，这些挑战包括安全需求的多样化与动态化挑战、AI对于算力的要求与嵌入式系统算力资源受限的矛盾挑战，操作系统调度与任务管理、内存管理等如何利用AI技术的挑战等。对此，尹德帅从技术方案探索的角度试图去应对目前的挑战，并就不同的挑战给出了不同过的技术解决方案以及在实际产品中的一些探索应用：

在任务调度方面，操作系统运行在不同的应用场景对任务调度的需求不同，因而需要解决任务调度算法针对不同业务进行个性化适应问题。对此，海尔采用了K-means算法对任务进行聚类分析，把任务进行分类，根据不同分类采用不同的调度算法。在任务特征收集时，收集到调度频率、内存申请大小及频率、运行时长、中断处理频率、任务调度顺序等信息，后台根据收集到的数据，进行任务分类，并制定优化策略，并把优化策略下载到设备端。操作系统根据最新策略进行优化调度。

在任务调度优化方面，因为操作系统需要根据任务关联度进行优先调度，所以需要解决资源限制设备中任务调度需要用户长时间等待问题。海尔利用Apriori算法探索任务之间的关联关系，对于同时发生或者时间维度上接续发生的任务，调整任务调度顺序。通常调整TCB任务块来进行任务调度调整。

在异常任务检测方面，需要解决设备运行过程中异常任务检测方法比较单一、检测维度单一的问题，海尔利用多元离群点算法进行检测，设计异常检测特征，比如堆栈、内存使用、锁的使用数量等。同时设定异常任务处理规则，利用多元离群点检测算法从多个维度对操作系统任务进行检测，提前预知危险任务并根据预设规则进行处理。

综上所述，AI在操作系统的应用无论从业务角度还是传统研究角度都有很大的用武之地，Embedded AI会成为操作系统的标准配置项，如同网络协议、文件系统一样，操作系统的研究需要AI注入新活力。

 
中国移动张宏伟：5G+AICDE的大计划
 

中国移动物联网操作系统技术专家张宏伟

 
中国移动物联网操作系统技术专家张宏伟表示，尽管中国移动刚刚进入操作系统领域不久，但也做了比较全面的布局，主要体现在5G+AICDE(A：人工智能、I：物联网、C：云计算、D：大数据、E：边缘计算)策略中。

 
OneOS是中国移动应用于物联网终端的轻量级实时操作系统，总体架构设计采用分层结构，主体由“1个内核+1个安全框架+N个组件”组成，具有易裁剪的轻量级内核、屏蔽底层硬件、提升开发效率、安全可靠等特点，支持互联互通、端云融合、远程升级等丰富的组件能力，图形化集成开发环境。其中安全设计是这个系统的一大亮点，能够提供富载体支持国际/国内加密算法的设备认证、通信链路加密服务，轻量级CA认证服务，符合功能安全IEC61508标准，目前正在认证过程中。目前该操作系统主要特点如下：

模块丰富可裁剪：OneOS采用分层架构设计，通过代码模块化设计，系统具备极高的可伸缩性，可结合垂直行业应用灵活裁剪。

内核优化：主要从系统调用、内核性能、硬件适配三方面入手，根据应用场景对内核进行优化改进，提升内核使用的易用性、稳定性和伸缩性。

安全管理框架：采用自下而上构建整体安全框架，从硬件安全、系统安全、数据安全、传输安全、安全监控等各个维度为物联网设备提供全方位保护，提升物联网设备整体安全性。除信息安全外，OneOS也同样关注功能安全，在设计之初就重视Safety和Security双重安全设计，积极参考并遵循各种安全标准和机构认证内容。

组件能力：组件的多少直接决定了操作系统的易用性，因而OneOS 除了优先支撑自有产品需求和应用场景，也在逐步增强组件能力，比如在2019年实现了IoT联网、低功耗控制、OTA升级、设备管理等组件，2020年实现了定位、高级语言等组件，并计划在2021年实现AI智能引擎、语音能力、终端规则引擎等组件。
 
 
阿里崮德：让天下没有难做的万物互联智能硬件
 

阿里云智能资深技术专家崮德

 
当前嵌入式操作系统有四大痛点，碎片化、低安全、弱交互、门槛高，阿里云智能资深技术专家崮德总结到，伴随着这些特点，未来物联网操作系统的发展也将呈现三大趋势：即从宏内核到微内核的转变、从嵌入式应用过渡到小程序、从软硬分离到软硬一体。对此，阿里巴巴2020年9月推出的V4.0版本提供了微内核+小程序+HaaS（Hardware as a Service）功能，具有四大核心优势：

微内核：系统可伸缩性强，解决碎片化；内核对象细粒度安全可控；
全面支持小程序：一次开发，多端投放；兼容支付宝小程序生态；
自主知识产权：Apache2.0；无License污染问题；
云端一体：统一友好的IDE开发环境，极简代码开发；丰富的调试诊断工具。

与大多数操作系统一样，AliOS Things系统架构分为硬件、内核、接口层、系统组件、系统服务、应用框架和应用共七层，崮德重点介绍了内核层和应用框架层的相关技术。

由于采用了微内核，AliOS Things内核层具有很强的可伸缩性，系统组件和服务高度模块化，功能可灵活配置。内核高度精简，footprint在100KB之内，可以支持从低端到高端的各种芯片。微内核同样带来了高安全特性，内核小，可靠性高，安全隐患少。内核对象设计对内核安全权限细粒度管控，应用、组件、驱动之间耦合度低，高容错，易于开发维护。热加载，节省资源开销。

AliOS Things小程序功能，使得小程序得以从手机向嵌入式设备的延伸。可以满足一次开发，多端投放，共享阿里巴巴经济体内的小程序应用生态，比如支付宝、钉钉、手淘等。同时能够满足云端一体，提供了丰富的云端服务，加速SaaS化，实现了小程序开发、发布、管理等一站式解决方案。

在2020年的云栖大会上，阿里正式发布了创新的积木式平台 HaaS (Hardware as a Service)，其目标就是让天下没有难做的万物互联智能硬件，帮助AIoT中小开发者聚焦业务，低门槛快速组装软硬件积木，实现设备安全上云，加速AIoT创新迭代。HaaS包含硬件积木和软件积木，开发者只需要使用阿里云提供的HaaS硬件积木，比如硬件公板，扩展板，感知板，即可排列组合出相应的功能，并且自动连接上云。HaaS软件积木方面，开发者通过拖拖拽拽的方式把诸如如网络模块、编解码模块、计时器、PWM等这些软件积木排列组合出完整的业务逻辑，通过一键热更新部署，即可快速完成驱动软件开发。首批提供三款控制板，更欢迎产业上下游合作伙伴加入到AliOS Things 生态中来，让IHV（独立硬件销售商）、ISV（立软件供应商）一起帮助客户，让天下没有难做的智能硬件平台。
 
 
指令集宋杨：为每一个物联场景增加一个大脑
 

杭州指令集智能科技有限公司首席技术官宋杨
 

在操作系统领域深耕十多年的杭州指令集智能科技有限公司首席技术官宋杨，更为详细地讲解了物联网的三大挑战：首先是设备的多样性和复杂性，因为物联网应用协议就有很多种，如ZigBee、LoRa、蓝牙、RS485总线等，设备种类又特别多，所以如何把各家协议、设备连接到同一个场景中，是当前面临的挑战之一。第二是海量杂乱的异构数据管理问题，因为物联网本质是对物理世界更加深入的数字化，比如当前手机已经产生了海量的数据，很多商业模式都是构建在移动互联网产生的海量数据上。在物联网时代，肯定不止有十亿台设备，可能有一百亿台，甚至一千亿台，这些设备一旦连接进来所产生的海量数据，如何有效地存储、分析、利用，将更强的大数据价值发挥出来，是物联网应用面临的第二个挑战。第三个挑战则是未来十年，随着智能设备越来越多，一定会更加深入地渗透到我们生活的方方面面，这就意味着它涉及的业务场景会非常多，且多变。那么如何让开发者、创业者、商业活动参与者更好、更高效、更低成本地去应对这样一个灵活多变的业务需求，是第三个挑战。

所以我们需要一个软件系统，在物联场景中管理和控制该场景中的各种硬件和软件资源，通过对各物联网场景进行抽象，解决联网之后做什么以及如何做的问题。可以按照两层架构来实现这样的软件系统：一层软件是通用的，适用于各种物联网场景，包括设备连接和管理、数据采集和处理等。另一层是应用软件，用于实现各个场景中需要的功能逻辑。前者就是物联网操作系统，后者是物联网的操作系统之上的应用软件。那么，如果实现这样一个物联网操作系统呢？

针对设备连接&管理的挑战，一个适合物联网场景的系统机制，应该能够管理和连接新的设备，配置设备之间的联动规则，并且描述清楚设备间的数字化关系。宋杨将这个实现分为4层架构，分别是设备连接、设备对象、设备类以及孪生模型。设备连接是实现系统和设备之间的连接和协议解析，这一层设计要求能够动态加载连接模块，一个新设备加入到物联网场景后，可以简单地进行连接。设备对象层是具象化、数字化设备。设备类是对同一类型的设备进行归类，比如空调、照明、电梯、数控机床、机器人等。在此之后，我们还需要将这些数字化之后的设备，通过数字孪生模型把设备与设备间空间位置关系、业务关系描述出来，这样才能让上层应用开发者基于空间的建模更好地完成业务诉求。通过这样四层的方式管理、连接不同的物联网设备。

在数据存储&分析方面，需要基于现有的技术，构建一个轻量级的数据平台，基于常规的数据库、数据仓库和文件系统等技术，将物联设备和传统信息系统的数据管理起来，并提供基础的数据分析展示能力。宋杨指出，其中有两个关键点，由于物联网场景中数据量巨大，不仅需要时序数据库对海量的数据进行管理，还需要分布式架构来保证数据的安全性和性能。

指令集^TM物联网操作系统是能够针对各种物联场景的通用物联网操作系统，兼容云原生架构，支持本地部署和云部署，除了设备连接、数据管理之外，物联网操作系统也要赋能业务，对此，指令集提供了以OpenAPI或集成SDK的方式进行开发的功能，提供了数据建模及可视化的开发能力，并可以以API的方式提供数据服务，同时可以快速完成后台管理平台类的业务应用，对基于微服务开发的应用提供运维、监控、限流和扩容的能力。安全方面，宋杨说，我们在思考物联网场景安全问题时，提出了一个假设：设备本身的安全是不可控。但更要命的是安全是木桶原理，一个互联网场景的安全，不取决于其中哪一块做的最好，而是取决于哪块做的最差，即有十家设备，有一家设备安全性做的不好，其他九家在安全方面投入再多的资源，还是容易被攻破。那么，我们就需要操作系统作为安全中枢综合性地看整个安全问题。所以指令集会在物联网网关上做安全防护，作为设备连接的第一跳防护，去提高一些薄弱设备的安全水平线。同时操作系统上会和网关、传统的安全设备的联动，从而实现设备认证、行为分析、漏洞检测、IDS和防火墙功能。

宋杨表示，指令集^TM物联网操作系统有个愿景，希望为每一个物联场景增加一个大脑，为物联网设备提供快速连接设备、全局数据分析、敏捷业务迭代和灵活部署运维。
 
产业界大咖共话国内嵌入式操作系统

从左到右分别为：《单片机与嵌入式系统应用》执行主编 芦潇静、杭州睿珀智能科技有限公司创始人 傅临黎、浙江大学 陈文智教授、中国嵌入式操作系统早期的践行者 何小庆老师、东土科技操作系统事业部CTO郭建川

 
在最后的讨论环节，组委会特别邀请了中国嵌入式操作系统早期的践行者何小庆老师、浙江大学陈文智教授、杭州睿珀智能科技有限公司创始人傅临黎、东土科技操作系统事业部CTO郭建川进行了热烈的讨论。针对国内操作系统未来的发展趋势与路径，各位专家发表了自己的看法。
 
何小庆老师表示，当前国内端侧物联网操作系统有非常明晰的发展趋势，主要聚焦在几大核心功能：安全、云端一体、泛载通信等。AIoT是未来嵌入式操作系统的趋势，趋势之下的发展路径，目前大家还在探讨和演进：有人认为是微内核+小程序，有人认为是Linux，有人认为需要在传统操作系统上加容器等等。参考欧美的嵌入式操作系统发展路径，他觉得目前国内操作系统正处于初、中级发展阶段，各家做好自己专注的事情，才能在未来激烈竞争中脱颖而出。陈文智教授也表示，物联网操作系统会有几个重要趋势：云端一体、软硬协同、安全和标准，最后的操作系统形态可能不是宏内核和微内核之争，而是无核操作系统。郭建川则表示希望通过微内核和虚拟化的统一化的操作系统架构，帮助用户在面向不同的业务场景时做到融合，傅临黎表示，现在做操作系统应着眼于未来的发展，做一些前瞻性的方案，这样在未来新的需求来临时，才能刚好用得上。

>>上午场：第二届国产嵌入式操作系统技术与产业发展论坛暨嵌入式系统联谊会主题讨论会