IOT OS比较，分析IOT OS的发展方向

摘要：根据IOT设备的需求，以及IOT OS需要满足的技术特征、现有IOT OS的来源，分别概述FreeRTOS、AliOS-Things、RT-Thread、Lite OS、Zephyr、Mbed OS、AWorksOS、HybridOS等8个IOT OS的特点。智能物联网（AIOT，AI+IOT）是人工智能与物联网的协同应用，据此分析IOT OS的发展方向。

关键字：物联网操作系统；IOT OS；智能物联网；AIOT

1   IOT 设备特点及IOT OS特征

2016年，WindRiver（风河系统公司）指出IOT设备的8大需求[1]：

不断调整和升级的架构（芯片？）；适应不同种类的设备软件；设备安全；虚拟化；性能和可靠性；联网；丰富的UI；工业认证。

何小庆得出IOT OS的5大技术特征[2]

1)   管理“物”——物联网边缘节点上的嵌入式实时低功耗设备。

2)   泛在通信，无线和有线，近场和远距离的通信方式和协议。

3)   可维护性，OTA和远程维护。

4)   安全，设备、通信、云等的安全。

5)   云平台，远程管理，这是物联网大数据和人工智能的基础。

2   现有IOT操作系统

现行的IOT操作系统来源[1][3]：

1)   基于移动端操操作系统如Linux、Android、IOS等进行裁剪和定制，来适应物联网接入设备的需求。这些OS体积庞大、功耗较高，而且无法满足安全认证和实时性等要求。

2)   传统的嵌入式操作系统，FreeRTOS（亚马逊）、RT-Thread、uCos（以前是商业收费，现在也开源了）、ThreadX（微软）、VxWorks的变种。

3)   专门为IOT设计，SyberV、华为LiteOS、阿里AliOS-Things、Android Things、ARM Mbed OS。

2.1 FreeRTOS

FreeRTOS起源于英国人Richard Barry于2003年发布的开源的实时内核，发展历程如下。

2003~2016，传统嵌入式OS。

2017成为AWS开源项目，亚马逊增加IOT应用组件，连接云，变为IOT OS。

2016年，Micrium公司的µC/OS被Silicon Labs收购，出于竞争的担心，ST和NXP等知名的嵌入式芯片公司转向支持FreeRTOS[4]。

OS主要特点如下。

历史悠久，开发者众多，支持的CPU硬件架构特别多，达35种。

FreeRTOS有一些列软件，版本众多，包括开源版本、授权版本、安全版本（SafeRTOS）、Amazon开源IOT OS版本。

支持AWS边缘计算的功能（Greengrass）。

除了AWS，官方没有支持第三方云平台。

2.2 AliOS-Things

AliOS Things发布于2017年杭州云栖大会， 是AliOS家族旗下的、面向IoT领域的、高可伸缩的物联网操作系统。OS主要特点如下。

支持微内核基础上的POSIX实现，方便程序框架/程序库移植。

支持云端一体在线开发（灵活架构，自组网），提供IOT全链路开发、模拟和部署支持。

支持APP独立升级；组件化思想的多BIN或差分升级。内核、框架层、应用层三个独立的BIN文件，芯片厂商可以出厂预置内核，应用层只关心应用层开发，不关心硬件，方便移植。

支持可信执行环境（csky）；支持ID2根身份证和秘钥；支持系统调用。

v1.1.1集成了自研的Bone Engine，它是一套为AliOS Things优化定制的JavaScript引擎，集成了JavaScript的编程及运行环境。

集成了IOT套件，Link Kit，Link Voice等阿里云IoT核心组件，产品可以访问阿里云服务。

支持的CPU架构一般。

2.3 RT-Thread

起源于上海睿赛德电子科技公司创始人和总经理熊谱翔于2006年创建的RT-Thread 开源实时操作系统项目，发展历程如下。

2011 年 RT-Thread 1.0 版本正式发布。

2015 年 2.0版本和现在名气很大的柿饼 GUI 捆绑发布。

2017 年发布 3.0，RT-Thread 全面启动 IoT 战略 。

OS特点如下。

集成音频，图像相关的各类算法和智能引擎。

柿饼UI，小型、现代化的图像库。

开源、社区化、中立，开放支持第三方云。

Nano版本和IOT版本。

集成开源JerryScript引擎，支持JavaScript开发。

组件比较丰富。

混合微内核架构正在内测[5]，平台是柿饼M7的开发板，全志R11处理器，ARM Cortex-A7。

2.4 Lite OS

Huawei LiteOS是华为针对物联网领域推出的轻量级物联网操作系统，是华为物联网战略的重要组成部分，具备轻量级、低功耗、互联互通、组件丰富、快速开发等关键能力，为开发者提供 “一站式” 完整软件平台，有效降低开发门槛、缩短开发周期。发展历程如下，走过了内部产品-开源软件-IoT 解决方案发展之路。

2012 年华为开发支持公司内部消费产品的小型嵌入式操作系统 LiteOS。

2014 和 2015 年 LiteOS 与Huawei 手机和智能手表一同出货。

2016 年 Lite OS内核正式开源。

2017 年发布 LiteOS IoT 解决方案（即端云解决方案）

2018 年华为加速开发步伐，发布LiteOS SDK 2.1 和 Lite OS Studio 1.0（开发环境）。

2019以后，鸿蒙OS的架构中，LiteOS也是其内核之一（Linux、鸿蒙、LiteOS）。

OS主要特点：

OpenCPU架构，MCU和通信模组二合一，显著降低终端体积和终端成本，特别适用于NB-IOT应用场景和海思芯片，这是它的主要优势。

智能边缘项目KubeEdge，名字来源于Kube + Edge，顾名思义就是依托Kubernetes的容器编排和调度能力，实现云边协同、计算下沉、海量设备接入等。

AI引擎、JS引擎。

支持的CPU架构单一。

2.5 Zephyr

Zephy是2016年由Intel、Synopsys、NXP等公司发起的开源实时操作系统平台项目，现在由Linux基金会管理。Zephyr是一款小型且可扩展的操作系统，尤其适用于资源受限的硬件系统，可支持多种架构。

OS特点如下：

起点很高，来自风河的成熟代码。

代码结构和Linux内核很相似。

支持的CPU架构丰富。

安全设计方面，支持用户态/内核态；支持MPU；内核对象权限模型。

支持TEE，Armv8-M trustzone。

功能安全，打算通过IEC 61508和ISO 26262认证。

中间件丰富，支持很多协议。

2.6 Mbed OS

2014年，ARM发布了Mbed OS，试图基于Mbed OS建立一个庞大的物联网生态，以此来连接硬件厂商、软件服务商、云服务商以及开发者社区。OS特点如下。

面向ARM Cortex-M系列处理器。

版本从1.0、2.0、3.0，然后直接到5.0，6.0在计划中。

模块化的可配置软件栈，不配置则排除不必要的软件组件，进而降低内存要求。

使用C++作为程序设计语言。

在线编译，或者导出工程，用其他IDE编译，部分源码不开放。

内核uVisor运行在特权模式，内核创建隔离的安全域，安全域对内存和外设的访问权限有限制。

支持ARM PSA架构。

2017年ARM推出了mbed Edge，与mbed Cloud和mbed OS组成边缘计算的 IoT 方案 。

云服务pelion 也是在国外，影响了国人的使用。

2.7 AWorksOS

AWorksOS是ZLG（周立功，广州致远电子）历时12年开发的工业智能物联开发平台，特点如下。

AWorksOS是不开源的，内部核心功能组件都是以库的形式提供，相关接口通过头文件引出。

AWorksOS以SDK方式发布，伴随着特定开发板，SDK中包含了文档、工具、示例代码、模版工程等。

OS的发展，依托ZLG的AWTK开源GUI引擎。

分为“核心域”和“非核心域”，即“业务”和“技术”， 非核心域包括底层驱动、操作系统和组件；开发者忽略产品底层技术细节，专注“核心域”。

将MCU和OS的共性抽象为统一接口，应用实现“一次编程，终生使用，跨平台”。

支持的CPU很少，目前有ARM Cortex-M4/M7/A7，ARM9。

2.8 HybridOS

合璧操作系统(HybridOS)是北京飞漫软件于 2018 年 11 月发起的一个全新的开源项目。HybridOS 的目标是为物联网设备和云计算环境打造一个全新的操作系统，特点如下。

2019.11.18发布了第一个组件hiCairo；2019.12.10发布了了2D/3D的图形组件，包括hiMesa、hiDRM、hiDRMDrivers、以及hiCairo，这些和MiniGUI（最初由飞漫软件创始人魏永明开发，20年的发展历程，为 IoT 智能设备和嵌入式系统提供图形界面及交互实现）一起组成了HybridOS的图形栈；2020.3.29，随着MiniGUI 5.0的发布，HybridOS也升级了图形栈。

为IOT网络中的虚拟计算节点设计，故可运行在设备端、云端、客户端。

提供云端和客户端的接口，以及设备端与这两者通讯的协议栈。

支持python、JavaScipt、C/C++。

依托MiniGUI，增加数据库，以及其它复杂的图形处理。

2019.9.19宣布MiniGUI4.0.2支持RT-Thread，但是没找到相关验证的源码。

系统组件是damon进程；网络通信等协议栈作为系统的服务。

3   AI+IOT对操作系统提出的新课题

移动操作系统Android和Linux，无法满足工业安全认证和实时性要求；传统的嵌入式操作系统无法满足系统扩展、维护和应用的便捷需求；针对智能物联网（AIOT，AI+IOT）场景的广义的嵌入式操作系统和泛IOT OS技术正在探索和研究中[6]。

智能物联网是2018年兴起的概念[7]，是人工智能与物联网的协同应用，人工智能使物联网获取感知与识别能力，物联网为人工智能提供训练算法的数据。AIOT中系统通过各种信息传感器实时采集各类信息（一般是在监控、互动、连接情景下的），在终端设备、边缘域或云中心通过机器学习对数据进行智能分析，包括定位、对比、预测、调度等。

AIOT中终端设备还需要具备智能特性，预计未来IOT OS会向着两个方向发展，一是大型、复杂、可配置，二是更小、更安全、硬化，则IOT OS需要满足如下要求。

1) 云端协同/边缘计算架构

云端人工智能技术如何透过边缘计算与设备节点的 IOT OS结合起来[2]；边缘节点管理和控制该场景中各种物联网设备和计算硬件[8]，同时也支撑该场景中的应用层业务需求，提供基本的安全性。

2) 人工智能，终端智能化，具备感知和交互能力

AI引擎，JS引擎，音频、图像算法。

3) 终端虚拟化

轻量级容器。

4) 功能安全

通过工业级认证，IEC 61508和ISO 26262。

5) 信息安全

内核高度安全，通过形式化认证和安全认证[9]，ARM Cortex-M33/M35P软核通过了EAL6+

认证[10]。内核支持用户态/特权态；进程MPU隔离；内核对象权限。

6) 可信物联网，数据可信

结合区块链技术[11]，确保端到端数据可信。终端、边缘、后端基础设施（云端）、后端应用程序的数据传递，确保可信。

7) 可扩展的内核

大型、复杂、可配置：支持X86、ARM Cortex-A系列；

更小、更安全、硬化：支持极简的MCU等资源受限的设备。

8) APP单独管理

多BIN特征，内核、框架层、应用三个BIN文件，应用层不关心硬件。

9) 高级语言支持

Micropython，JavaScript。

10) 丰富的UI

占用资料少、界面流畅度高。

11) OS抽象层

支持POSIX、CMSIS RTOS

作者：wangyw
文章来源：博客园

审核编辑 黄昊宇