物联网操作系统

物联网

1.操作系统的出现和迭代是时代需求和技术制约下的平衡上承落地应用,下接海量终端
     前端数据的收集
	    高速传递数据和信息
		OTA升级
	 端云互联一体(连接管理平台确保物联网系统自主运行)
	 在云侧,以云平台为支撑的中间件服务、数据服务和信息服务
目前现状: 
    终端应用碎片化-- 硬件设备向更复杂阶段发展-市场和需求的碎片化所带来的技术组件碎片化
	      X86、ARM、MIPS、C-SKY、PPC、RISC-V架构的不同硬件平台以及龙芯处理器、飞腾处理器等国产硬件
	生态网络: 硬件、协议、应用软件等广泛连接和协同,形成纵横连通的生态网络
应用场景
   各类工业场景

硬件

  1.微控制器(MCU)、MEMS传感器和无线通讯模组成本的逐年下降从成本端推动行业发展	
  2.芯片制程进入3nm时代--多核设备等普及
  3.新能源的发展-电池 
  4.时钟管理主要功能包括时间管理、定时管理、进程账务管理、负载管理等	  

来源

1.从 通用系统裁剪而来的
2.从 原有嵌入式操作系统改进而来的 实时操作系统RTOS--嵌入式实时系统及升级版
3.从 面向物联网需要行业开发而来	--专门为物联网设计的轻量级IoTOS  
4.从 完全从新开发的新型操作系统

1.通用系统裁剪 
    代表系统:uclinux、win10IOT、WatchOS、AndroidThings等;
2.传统嵌入式系统+通信协议+其他物联网功能模块 
    代表系统:SylixOS、μC/OS-Ⅱ、Vxworks等; FreeRTOS、uC/OS 
	    嵌入式软件的开发需由交叉编译的方式完成
3.面向物联网的轻量级IoTOS
    代表系统:RT-Thread、华为LiteOS、ARMmbedOS、AliOSThings、AzureRTOS、AmazonFreeRTOS  Vela等;RT-Thread 主要采用 C 语言编写	
4.下一代操作系统;跨设备分布式操作系统
    代表系统:谷歌Fuchsia、华为鸿蒙OS
	   欧洲Oniro手机基于开源鸿蒙OpenHarmony,但预装系统为VollaOS

底层内核

TCP/IP协议 
   工业标准TCP/IP的实时操作系统
   BSD TCP/IP协议栈历史上是其他商业栈的起点,大多数专业TCP/IP栈(VxWorks内嵌的TCP/IP 栈)是BSD栈派生的
   uC/IP是由Guy Lancaster编写的一套基于uC/OS且开放源码的TCP/IP协议栈
   uIP是专门为8位和16位控制器设计的一个非常小的TCP/IP栈。完全用C编
   lwip 是瑞典计算机科学院(SICS)的Adam Dunkels 开发的一个小型开源的TCP/IP协议栈 LwIP的含义是Light Weight(轻型)IPNuttX 操作系统 由调度子系统、文件子系统、网络子系统、图形子系统和驱动子系统组成

Android由开源项目
   AOSP(AndroidOpen-SourceProject)和谷歌提供的GMS(GoogleMobileService)服务组成
   GMS部分使得谷歌对开源部分具有控制权,强化其对软件的监管。AOSP+GMS的开放与控制互补
VxWorks 操作系统产品沿用了 宏内核设计   

IoTOS的功能

   功能:1.端云一体 2.跨端互调 3.统一多内核OS 4.统一安全框架  5.AI 智能化能力
  文件和目录管理设备管理多任务网络图形用户界面(GUI)等功能,并提供了大量的应用程序接口(API)
   具备传统的核心实时确定性性能和可靠性,还必须提供高度互联全面安全远程管理等新能力
  连接性:支持各种业界领先的标准和协议,如USBCANBluetoothFireWire和Continua以及开箱即用的高性能组网功能
  跨终端性:生态战略就是多屏互联,基于分布式软总线等技术  手表眼镜,很便宜的单片机系统包括摄像头车机
  交互:交互的极简变革-跨越应用壁垒的极简交互革命 
  智能:面向具身智能面向智慧的终端 从以设备为中心进化到以人为中心 -IoT 的智能化能力
  开发:提供UI框架-基于自适应UI布局 轻量级图形渲染框架
  安全: 安全启动 安全升级  密钥库系统 加解密引擎 权限控制 应用沙箱安全隔
分层
  内核层中间件层辅助设计工具

微内核-->混合内核

1.微内核 历史
    第一代微内核的主要代表是Mach,该系统由卡内基-梅隆大学的
    第二代微内核的主要代表是L3和L4,以及QNX系统使用的Neutrino内核
	第三代微内核主要代表有:seL4、Fiasco.OC、NOVA等

     1. Mach  微内核,由卡内基梅隆大学于 1984 年发布
     2. L4微内核系列
     3. Minix  微内核,由阿姆斯特丹自由大学的教授于 1987 年发布
       AliOS Things	 
       QNX
       RT-Thread
2.层级
    1.硬件层	
    2.HAL是硬件抽象层 ,驱动子系统:驱动框架(HDF)是系统硬件生态开放的基础  
    3.内核子系统:采用多内核(Linux内核或者LiteOS)设计, 支持针对不同资源受限设备选用适合的OS内核。混合内核
        内核抽象层(KAL,Kernel Abstract Layer)通过屏蔽多内核差异,
    	  对上层提供基础的内核能力,包括进程/线程管理、内存管理、文件系统、网络管理和外设管理等 
    4.内核层
       NuttX NuttX打造的物联网嵌入式软件平台 对POSIX API有原生支持的实时操作系统
	         Vela是小米基于开源实时操作系统 
             NuttX 2016年被三星选为 TizenRT操作系统的内核
	    
       LiteOS 
       Zephyr  Zephyr提供了两种内核:微内核(microkernel)和超微内核(nanokernel), Zephyr内置高效的TCP/IP网络栈
       zircon 的微内核。zircon内核是从高通的Little Kernel发展而来
       HomeOS  	   

手机厂商和车机系统

华为   华为鸿蒙系统(HUAWEI HarmonyOS)	 增加了 HMS  
小米   小米澎湃OS(Xiaomi HyperOS)小米澎湃OS底层使用的有AOSP(安卓开源项目)  Vela
荣耀   荣耀 Honor MagicOS 9.0所采用的双内核架构,分别由传统内核与AI内核组成
vivo   vivo蓝河操作系统2(BlueOS 2)  Rust语言    蓝心智能 Origin OS系统    蓝河UI框架。     
OPPO   OPPO   ColorOS 5.1。  ColorOS 超算平台 一加(Oneplus)
魅族   魅族无界(meizu Flyme)操作系统  
苹果   Apple  -- HomeOS
三星   samsong --Tizen(泰泽)
谷歌   Fuchsia OS -- 基于谷歌的全新微内核“Zircon”  ,Zircon 基于 C++ 开发,微内核架构
       AOSP,全称"Android Open Source Project",中文意为"Android 开放源代码项目"

华为和塞力斯
小米和小米su7
长安与荣耀合作手车互联
OPPO与比亚迪
吉利收购魅族 
微内核RTOS主要有黑莓QNX、风河VxWorks、中兴GoldenOS、华为鸿蒙OS、阿里AliOS
  AUTOSAR 组织相继发布 Classic 和 Adaptive 两个平台规范 ,分别对应安全控制类和自动驾驶的高性能类
   高通8155与长城高端车、
   英伟达Xavier与小鹏P7量产、
   地平线征程3与理想One
QNX: 认证范围包括工具链TCL3认证、Neutrino微内核、APS自适应分区调度、libc、libm和libsupc++库等
Vela 内核子系统

智能驾驶

 车载操作系统一般分为车控操作系统和智能座舱操作系统两类	
     硬件平台、
	系统软件(硬件抽象层+OS内核+中间件)、
	功能软件(库组件+中间件)
	应用算法软件等四个部分。
德国的Autosar就是一个比较成熟的无人驾驶软件规范,基于Autosar研发的OS专为驾驶辅助以及无人驾驶打
 一种是基于纯Linux原生代码嫁接开发的操作系统
 QNX是商业实时操作系统,主要针对嵌入式系统市场-该操作系统中使用的内核是微内核
 自研类-如华为的AOS
  ECU上的OS和车载娱乐系统是彼此独立的OS

国外

美国方面
    WindRiver 公司的 VxWorks、
    Micrium   公司的 μC/OS-II、
    TexasInstruments  公司的 TI-RTOS、
    GreenHillssoftware公司的 INTEGRITYRTOS与μ-velOSityRTOS、
    Microsoft    公司的AzureRTOS、
    LynxSoftware 公司的 LynxOS、
    DDC-I        公司的  DEOS、
    Amazon       公司的  AmazonFreeRTOS、
    MIPS         公司的 MIPSEmbeddedOS、
    FSMLabs      公司的 RTLinux等;
英国方面的主要产品包括RTOS公司的
     FreeRTOS、
	 ARM        公司的 MbedOS与RTX、
	 WITTENSTEIN公司的 SAFERTOS等;
德国方面的主要产品包括
      Segger  公司的 embOS、
	  SYSGO   公司的 PikeOS、
	  Siemens 公司的 NucleusRTOS等。
瑞典 EneaDataAB     公司的 ENEAOSE
瑞士 SCIOPTASystems 公司的 SCIOPTA、
加拿大  BlackBerry  公司的 QNX NeutrinoRTOS、
荷兰     NXP         公司的 MQXRTOS、
Linux基金会的Zephyr、
GPL组织的μClinux,以及TizenRT、OpenWrt、DuinOS、ApacheNuttX等

国内

上海睿赛德RT-thread、
 科东软件Intewell OS、
 翼辉信息Sylix OS、
 科银京成Delta OS、
 中航计算所Acore OS天脉、
 凯思昊鹏Hopen OS、
 中船716所JARI-Works、
 中电科32所ReWorks、
 致远电子AworksS等代表性产品

芯片-SOC虚拟化

服务器和桌面系统上的虚拟化技术被引入了嵌入式操作系统领域
  最初, 嵌入式系统主要是单一应用程序和单片机处理器系统, 实现了简单而专用的功能
  现代嵌入式系统:多核处理器的问世-处理能力的迅速增长
单核到多核、异构多核乃至众核
    单核
    同构多核  Homogeneous Multicore --架构和指令集相同     对称多处理(SMP)
    异构多核  Heterogeneous Multicore--架构和指令集不同  非对称多处理(AMP)
	
	同构多核: 共享内存模型进行通信  SMP
	异构多核: AMP
	
	部署 + 隔离 + 调度
        混合部署
        多OS之间的隔离与保护
        混合关键性调度提升资源利用率
    混合部署框架 和 嵌入式虚拟化
	  混合部署框架解决 高效地混合部署问题 和 高效地通信与协作问题, 
	  嵌入式虚拟化解决 高效地隔离与保护问题 和 高效地资源共享与调度问题
    
    多核框架:
	  openamp标准OpenAMP是一个标准化的嵌入式多核框架,
	    旨在通过非对称式多处理(AMP)的开源解决方案来标准化异构嵌入式系统中操作环境之间的交互	
 
    嵌入式实时虚拟机ZVM(Zephyr-based Virtual Machine)
	   ZVM (Zephyr-based Virtual Machine)是基于Zephyr实时操作系统实现虚拟化功能的开源项目,
	   嵌入式虚拟化推荐使用 ZVM和Jailhouse。
	容器技术
	    该解决方案中推荐使用轻量级容器 isula,
       		
应用:	
   硬件仿真技术
  	混合关键系统的实现可以依托弹性融合底座,底座的核心是容器和虚拟化技术。

多核异构核间通信

 任务调度  同步和通信  内存管理  编程模型和工具 
 Linux  同构多核处理器,Linux内核支持对称多处理(SMP)模式 
 混合关键系统目前主要应用在智能制造、机器人、能源、军工和航空航天等强实时和高安全领域

保持对数字生活的理性思考和管理显得尤为重要
	一键分身:多任务处理的革命
	 设备之间的联动功能
	    多屏协同、超级终端、超级桌面等功能让终端之间实现密切的全场景协同。
	从“管权限”到“管数据”隐私管理模式
多核异构核间通信	
  分别是以Linux内嵌组件 RPMsg、支持跨平台移植的OpenAMP,短小精简的 RPMsg-Lite,
	
多核处理器的运行模式有 
 AMP(非对称多处理)、 SMP(对称多处理)和 BMP(受约束多处理)三种运行模式。
  AMP(非对称多处理asymmetric multi-processing):多个内核相对独立的运行不同的任务,每个内核相互隔离,可以运行不同的操作系统。
  SMP(对称多处理symmetric multi-processing): ,多个处理器运行一个操作系统,这个操作系统管理多个内核。
  BMP(受约束多处理bound multi-processing): BMP运行和SMP运行模式类似,开发者可以指定将某个任务仅在某个指定内核上执行。
AMP-非对称多处理,多个核心相对独立的运行不同的任务,每个核心可能运行不同的操作系统或裸机程序,或者不同版本的操作系统。
  但是有一个主要核心,用来控制整个系统以及其它从核心。具有主从模式
  异构多处理器。如MCU+DSP,MCU+FPGA等。 
  
紫光集团的芯片业务主要包括三大领域,
   一是以长江存储为主的存储芯片,
   二是以紫光展锐为主的手机芯片,
   三是安全芯片 
新华三 H3C	   

操作系统

内存管理、进程管理、文件系统管理、输入输出设备管理。
 向下屏蔽差异,向上提供统一的东西
 DOS时代,一个做网络的的公司可以上市的,可到了Windows95,网络已经变成了操作系统的一部分,没有人会买一个操作系统不带网络的,这是产业发展的一个变革
 
 账号和支付是YunOS最基本的一部分,也是一大操作系统的一部分--> ALiOS
 我们在开始做YunOS的时候,就决定要做一个移动互联网的操作系统,而不是一个手机的操作系统。
 它的在线体验是整个系统的一部分,而在线体验最基本的是账号。而独立账号是在线体验的最基本条件
 
数据是核心的竞争力,我对这句话的理解,包含两部分:数据本身是核心竞争力,数据的处理能力也是核心竞争力。
互联网变成基础设施,数据成为新的生产资料,计算变成公共服务,这三者结合聚变的结果是新经济的出现,我把它称作计算经济

 Windows操作系统中,不同用户账户之间的主要区别体现在权限、个性化设置、文件访问权限、系统安全以及资源管理等方面

Google 账号	
  GMS 是谷歌专门为安卓构建的一系列应用和服务,也就是 Google 服务框架、Google 账号、Google Play 应用商店、Google 安全认证等一系列服务的基础
 
 
GMS所包含消息推送、谷歌邮件、谷歌地图、谷歌商店、谷歌支付
      面向终端用户的 Google自有软件App系列
      面向开发者用的 Google Core,即为Google框架
HMS(HUAWEI Mobile Service,华为移动服务
    HMS Core 
	支付、地图、搜索、浏览、广告的“五大根服务引擎”,加上领先的拍照、AR地图、通信传输、隐私安全保护等能力
iOS

账号-支付-地图

看到的特性

消费者--用户交互体验最佳
    系统的超级终端(多终端控制),多端流转,以及华为电脑与鸿蒙系统的一碰传	
    多设备交互使用场景: 时间并行同时使用多个设备
		                 时间串行相继使用多个设备
产业界和开发者 --开发体验代价最小
  应用服务
       同时使用:协作性-互补性-并发运行
	   相继使用:连续性-一致性

系统开发:系统服务
        智能终端
        多设备:多端协同  跨端迁移
         智能终端 分布式技术  资源池化 虚拟化技术
          架构设计:分层架构和部件化架构
          星盾安全架构			  

操作系统

 EulerOS是华为自主研发的服务器操作系统
    EulerOS是华为基于CentOS源代码,面向企业应用环境开发的一个商用Linux发行版。
    openEuler(开源欧拉)
Harmony 
    LiteOS-M和LiteOS-A两类内核
    Linux内核	
    UniProton 内核	
        抢占式调度机制,而非时间片轮转调度方式。
		  高优先级的任务可打断低优先级任务,低优先级任务必须在高优先级任务挂起或阻塞后才能得到调度
        UniProton 提供 shell 命令行,它能够以命令行交互的方式访问操作系统的功能或服务
          新增命令需重新编译烧录后才能执行	
         Tsinghua Unigroup			  
	    UniProton 是一款由 openEuler 社区推出的实时操作系统
不同级别的操作系统,存在几种核间通信组件,
	  分别是以Linux内嵌组件 RPMsg、
	  支持跨平台移植的OpenAMP,
	  短小精简的 RPMsg-Lite,这三个组件在代码细节、收发策略、移植性上各有优劣,用户可根据需要选择。
	它们起初都来源于Linux的RPMsg,遵循统一的协议标准(交互过程,内存格式),主要依赖硬件的共享内存和核间中断
	  OpenAMP 还依赖于 libmetal 库,用于提供系统抽象层,支持不同操作系统和硬件平台的移植
	  OpenAMP 是一个开源软件框架,旨在通过非对称多处理器的开源解决方案,来标准化异构嵌入式系统中操作环境之间的交互
	UniProton 可以与 openEuler MCS 混合部署,在多核异构上实现 Linux + RTOS	  
	  
北向
    轻量无屏设备、轻量带屏设备以及复杂标准带屏设备

南向
    1.硬件互助,资源共享--资源池化 :
	    把各终端硬件的能力,虚拟为一个共享的能力资源池,让应用通过系统,调用取其硬件能力
	  分布式设备虚拟化 分布式软总线 分布式数据管理 分布式任务调度  分布式连接能力
	2.内核子系统以及驱动子系统
	 系统服务层
	    分布式软总线、分布式数据管理、分布式任务调度、方舟多语言运行时、公共基础库、多模输入、图形安全、 AI 等子系统组成。其
	
	3.Ability 框架
	    逻辑和 UI 分离
		
完全模块化--分层架构以及组件
分层虚拟化--细粒度的跨设备虚拟化
异构分布式--	
多模态交互-- 主动交互和被动交互
数据安全体系--可知可控
AI能力-- AI硬件管理 AI开发框架 AI推理模型
全新的开发模型和开发框架	

架构设计

三个最基本的架构设计原则:
设计准则1:保持最小化原则以继承微核优势
      包括分离策略(Policy)和机制(Mechanism),仅在内核中实现最小化功能与机制;
      将策略放在多个解耦(Decoupled)且隔离(Well-isolated)的系统服务中;
      以及使用细粒度的访问控制(Fine-grained Access Control)以保证最小化权限(Least-privileged)原则
设计准则2:架构创新助力性能赶超

多样化隔离类(Differentiate Isolation Classes	 

锻造一支讲政治、作风好、服务优的服务保障队伍,培养一批懂管理、会经营和有专业、精技能的高素质人才	

物联网时代下的产物

华为   华为鸿蒙系统(HUAWEI HarmonyOS)	 增加了 HMS HMS服务 
小米   小米澎湃OS(Xiaomi HyperOS)小米澎湃OS底层使用的有AOSP(安卓开源项目)  Vela
荣耀   荣耀 Honor MagicOS 9.0所采用的双内核架构,分别由传统内核与AI内核组成
vivo   vivo蓝河操作系统2(BlueOS 2)  Rust语言    蓝心智能 Origin OS系统    蓝河UI框架。     
OPPO   OPPO   ColorOS 5.1。  ColorOS 超算平台 一加(Oneplus)
魅族   魅族无界(meizu Flyme)操作系统  
苹果   Apple  -- HomeOS
三星   samsong --Tizen(泰泽)
谷歌   Fuchsia OS -- 基于谷歌的全新微内核“Zircon”  ,Zircon 基于 C++ 开发,微内核架构
       AOSP,全称"Android Open Source Project",中文意为"Android 开放源代码项目"
	   谷歌GMS
跨端
    华为 超级终端    超级中转站功能, 分布式软总线技术	
    小米 妙享中心    “跨设备剪贴板”
    荣耀 智慧互联	 MagicRing信任环 跨设备数据隐私分级保护规则
    OPPO 潘塔纳尔    智慧跨端系统-跨屏互联
    Vivo 
    苹果 “连续互通”体系
    三星 “Samsung flow

历史经验

大型主机操作系统Multics
移动端操作系统WindowsPhone

Windows操作系统与IntelCPU组成的个人计算机架构
基于Linux内核的Android+ARM模式在移动端取得成功

参考

HyperOS系统内核(Kernel)  https://mp.weixin.qq.com/s/7CsKgiU6Ez-x2URW9ohkJg
关于NuttX操作系统 https://iot.mi.com/vela/detail.html
Zephyr 简介 https://zephyr-doc.readthedocs.io/zh-cn/latest/introduction/introducing_zephyr.html
华为“鸿蒙”所涉及的微内核到底是什么?一文带你认识微内核 https://cloud.tencent.com/developer/article/1456793
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