物联网操作系统的研究与思考 -Research and Thinking on IoT OS 何小庆 嵌入式系统联谊会秘书长 2017 年 11 月 12 日北京 1
发言内容 为什么需要物联网 OS 物联网 OS 内涵和外延 物联网 OS 现状 实践与思考
背景 :RTOS 发展历史 RTOS 名称公司名称网站近况 VRTX Ready System/Microte 被 mentor 收购 psos ISI 被 Windriver 收购 OS-9 Microware 被 Metorwork 收购 SMX Mico Digital www.smxrtos.com vxwork Wind River www.wrs.com 被 intel 收购 LynxOS Lynuxwork www.lynx.com QNX QNX www.qnx.com 被黑莓公司收购 CMX CMX system www.cmx.com Nucleus ATI/Mentor www.mentor.com 被 Mentor 收购 ThreadX Expresslogic www.rtos.com uc/os Micrium www.micrium.com 被 Silicon Lab 收购 Integrity Gree Hill www.ghs.com OSE Enea www.enea.com Zephyr Linux Foundation www.zephyrproject.org/ 现在 Linaro 在主导维护 Nuttx Gregory Nutt 2007 BSD 授权 http://www.nuttx.org/ POSIX API 无人机应用 RTOS 始于 70 年代初有超过 30 年历史, 全球兴旺的时候有几百家, 中国也有几个 RTOS
趋势 : 嵌入式 ( 设备 ) 操作系统演进之路 Embedded Device Operating System 1980 年 1990 年 2000 年 2010 年 2020 年 RTOS kernel RTOS Linux Android IoT OS
为什么需要物联网 OS? - 传统的嵌入式和通用 OS 无法满足物联网需求
物联网设备的软件需要 2016 年风河公司在纽伦堡 Embedded World 上分析物联网设备有 8 大需求 模块可升级的架构 不同级别的设备软件可伸缩 物联网设备安全 虚拟化 性能和可靠性连接性丰富的 UI 认证
Gartner 预测 2017-2018 10 大 IoT 技术 IoT Security IoT Analytics IoT Device Management Low-Power, Short-Range Networks Low-Power, Wide-Area Networks IoT Processors IoT Operating Systems Event Stream Processing IoT Platform IoT Standards and Ecosystem 物联网操作系统 (IoT Operating system ) 呼之欲出 7
物联网 OS 的起源和发展过程 起源于传感网的两个开源 OS TinyOS- 加州大学伯克利分校开源项目 ( 项目基本停了 ) Contiki- 作者是 Adam Dunkels 博士, 原在瑞典工学院计算机研究所, 现是 Thingsqure 创始人,uIP/LWIP 作者, 项目很活跃 2010 年欧洲有了面向物联网 OS-RIOT 2014 年 1 月微软宣布物联网版本 Windows 10 IoT Core 2014 年 10 月 ARM 物联网平台 mbed OS 2014 年 10 月 Micrium 物联网方案 Spectrum(uc/OS) 2014 年庆科联合阿里发布 MiCO OS 2015 年华为发表了 Lite OS 2015 年谷歌在宣布物联网软件 Brilo OS ( 现更名为 Android Things) 2016 年 Linux 基金会推出 Zephry 2017 年 1 月美国 CES 海尔展出 Ulhome OS 2017 年 10 月阿里在云栖大会上宣布支持 IoT 的 AliOS 2014 年世界媒体对 IoT OS 报道
多种 OS 并存的物联网世界 嵌入式 OS 市场调查机构统计 Linux 和 Android 市场占有率很高 RTOS 的机会数量 ( 以单片为单位 ) 是通用 OS 的 3 倍 Linux 和 Android 只能运行在应用处理器上 MCU 专注的物联网应用, 物联网设计的硬件平台资源对于 Linux 或 Android 略显不足 IoT 设备的操作系统使用情况调查 ( 来自 : IoT Developer Survey 2016)
什么是物联网操作系统? 一个涵盖传感 连接 安全和管理的软件平台
ELSEVIER 下一代计算系统 IoT 专辑阐述 The key features of IoT Operating Systems (OSs) are modularity, energyefficient scheduler, hardware support, architecture, network stacks, reliability, interoperability, unified APIs, generic interfaces, and real-time capabilities. ELSEVIER 旗下的杂志 下一代计算系统 IoT 专辑 :OS, 应用, 协议设计和验证技术 https://www.journals.elsevier.com/future-generation-computer-systems/call-for-papers/special-issue-on-internet-of-things-iot-operating-system-app 11
物联网 OS 的定义 物联网 OS 英文称为 IoT Operating Systems (OS) 也有称为 Operating System for Internet of thing 无论是学术界还是产业届对于物联网 OS 还没有明确的定义 准确的内涵和外延的阐述 ELSEVIER 下一代计算系统 IoT OS 征文的内容要求 11/13/2017 12
物联网 OS 的五大特征 管理物的能力 - 物 是 嵌入 实时的低功耗系统, 需要远程维护和动态升级的管理机制 可裁剪和扩展的架构 - 支持 16-32-64bit MCU/MPU ( 微处理器 ) 单核和多核的设计方案 泛在的通信功能 - 支持各种无线和有线, 近场和远距离的通信方式和协议 物联网安全 - 物联网安全包含设备和通信安全性, 要具备防御外部安全入侵和篡改的能力 云平台接口 - 通过云物联网平台完成远程设备管理, 数据存储和分析, 安全控制和业务支撑, 这些是物联网大数据和人工智能的基础 具备低功耗 实时性和安全的传感 连接 云端管理服务软件平台 13
物联网 OS 现状 - 大企业在布局, 小企业在投石问路
物联网操作系统总览 市场上有两类物联网 OS ( 物联网软件解决方案 ) 专门为物联网应用开发的 OS 平台 ( 见右图 ) - mbedos MiCO OS,Android things - 分为支持 MCU 和 MPU( 处理器 ) 两类 以嵌入式 OS 为基础, 扩展支持物联网应用 - Linux 和 Android - FreeRTOS uc/os-iii ThreadX Vxwork 7 Nucleus 和 RT-Thread 物联网 OS MCU MPU mbed OS Lite OS MICO OS Zephry Hello X Android Things Windows 10 IoT Lite OS Hello X 15
物联网 OS 的市场情况 目前市场十余种物联网 OS 都处在发展初期 - 其中 ARM mbed OS 已经有几个版本发布,1.0/2.0-3.0-5.0 (5.6.3) - ARM 官方的说法 :mbed 操作系统仍处于开发阶段 - 庆科 MiCO OS 处在市场定位的调整时期 - Window 10 IoT core 明显有在向上发展 - Ali OS 正在进入 IoT 市场 没有看到产业链生态环境对此做出积极反映 - Ali OS 和 NXP,ST 有市场互动, 华为有 Lite OS 黑客松大赛 很少看到和听到国内和国外企业宣称在使用某种物联网 OS - 传统的 RTOS 和 Linux 还是主流 11/13/2017 -. - 16
开源操作系统活跃在 IoT 市场 开源软件优势 : 应用在数据中心 嵌入式 网络 移动和云计算中 各种版本的开源软件可以适合各种应用 Android 移动手机和平板 Linux- 服务器和嵌入式 FreeRTOS- 嵌入式和传感器 Linux 等开源软件已经成为事实的工业标准, 各种互联标准 (HTTP HTML SSH/SSL OSGI MQTT) 在其上实施成为事实标准平台 还有更多的开源 OS 活跃在 IoT 市场 :OpenWRT Tizen Yocto Project Ubunto core Rththread..
实践与思考
长期关注嵌入式 OS 物联网和物联网 OS 江文瑞何小庆 嵌入式计算设备 单片机与嵌入式系统应用杂志 2014 年 9 月 何小庆 云计算在物联网中的应用 单片机与嵌入式系统应用杂志 2014 年 11 月 江文瑞何小庆 物联网与实时操作系统 单片机与嵌入式系统应用杂志 2014 年 12 月 何小庆 物联网操作系统浅析 单片机与嵌入式系统应用杂志 2015 年 1 月 张爱华何小庆 基于嵌入式操作系统的物联网安全 单片机与嵌入式系统应用杂志 2015 年 1 月 何小庆 2014 年可穿戴设备市场回顾 电子产品世界 2015 年 2 月 何小庆 物联网操作系统的最新发展 电子产品世界杂志 2015 年 10 月 何小庆 谈谈 FreeRTOS 及其授权方式 单片机与嵌入式系统应用杂志 2015 年 10 月 何小庆著嵌入式操作系统风云录 : 历史演进和物联网未来机械工业出版社 2016 年 11 月出版 Allan he Global Development Trends of Embedded and Internet of Things Technology( 全球嵌入式技术和物联网发展趋势 ) 德国 Elektor business 杂志 2017.5 11/13/2017 19
嵌入式操作系统风云录 : 历史的演进与物联网未来 全面回顾了嵌入式操作系统演进历史, 主流的嵌入式操作系统技术特点 成长历程以及背后的商业故事, 展望了嵌入式操作系统未来的技术路径 市场发展趋势和物联网时代的新机遇 本书以时间轴讲述了从 RTOS 开源嵌入式操作系统到物联网操作系统发展历程, 以技术为视角剖析了嵌入式操作系统的实时性 安全性和云计算等重要技术, 从手机 通信 汽车和可穿戴几个市场讨论了嵌入式操作系统的应用, 从嵌入式操作系统知识产权讨论了商业模式的问题 共计 15 章 20 万字, 历史 3 年 2016 年 11 月出版
RTOS 和 IoT 视频讲座课程 21
可穿戴系统设计与实现课程 北航软件学院物联网专业必修课 ( 一级工程实践 ) 30 授课学时,2 个学分 授课老师 : 何小庆 主要内容 可穿戴系统简介 可穿戴系统支撑技术 可穿戴系统结构和平台 蓝牙通信和可穿戴传感器技术 MCU 接口 RTOS 和 GUI 低功耗设计和创业 实验环境 硬件 STM32F401 Nucleo Sensor 和蓝牙 扩展板和 Arduino LCD 扩展板 软件 STM32 Cube OSXMotionFX 传感器库和 BlueNRG 低功耗蓝牙库 工程实践大作业 分组 2 个月完成一个项目, 最后是答辩
RTOS 和 IoT 培训课程 参与麦克泰提供的 RTOS 培训课程 - 基于 uc/os 和 FreeRTOS 入门课程 - 基于 FreeRTOS 高阶课程 (2 天 ) - 我讲授 基于 RTOS 实时软件设计方法 - IoT 课程 (18 年暑期培训 - 计划 ) 11 月 16-17 上海,11 月 24-25 深圳 12 月 1-2 日北京
思考和建议 物联网 OS 的普及需要长时间的市场培养 - 用户不会短时期决定使用哪种 OS, 也不会短时间换一种 OS 物联网 OS 的技术需要长期的探索和发展 - 目前的 IoT OS 内涵和外延不清晰 - 建议采取由小到大 走由简到繁的路径 重视物联网系统安全的研究 - 缺少规范和成熟的开发方法 希望物联网 OS 有一套方案或案例 高校对物联网 OS 研究和关注不够 - 传统嵌入式 OS 课程有待升级, 物联网 OS 有机遇 24
嵌入式与物联网在发展 变革已在路上 IoT 催生投资者推动芯片公司改革, 并购不断发生, 芯片公司内部调整已在进行中, 需要 2 年时间, 预计 2018 年开始会有创新技术和产品出现 物联网云平台随着应用落地逐渐成熟, 企业物联网 (Enterprise IoT) 将主导未来物联网平台 物联网安全是产业和学术届面临技术难点, 目前还没有成熟方案 物联网 OS 正在兴起, 芯片 设备 软件和互联网企业多方较力, 成败取决与行业的通力合作, 一家无法独大 25 请参考 全球嵌入式技术和物联网发展趋势 (Global Development Trends of Embedded and Internet of Things Technology)
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