第5篇：物聯(lián)網(wǎng)與實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

江文瑞 譯，何小慶 審校

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備為什么需要實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)？

日益增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)世界的需求意味著物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備將需要強(qiáng)大和可靠的軟件。因此，你將需要一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）。

正如在《第2篇：嵌入式計(jì)算設(shè)備》中討論的那樣：在Micrium公司看來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備可以作為在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送和接收信息的嵌入式系統(tǒng)。盡管許多嵌入式系統(tǒng)可以使用并不復(fù)雜的軟件管理，但網(wǎng)絡(luò)設(shè)備需要更強(qiáng)大的系統(tǒng)軟件。

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的軟件必須具有：

◆可擴(kuò)展性，以適應(yīng)范圍廣泛的不同類(lèi)別的設(shè)備。

◆模塊化，可以只選擇滿(mǎn)足嚴(yán)格的RAM需求的組件。

◆連通性，可以通過(guò)WiFi、以太網(wǎng)、USB或藍(lán)牙來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。

◆可靠性，設(shè)備需要通過(guò)關(guān)鍵性的安全應(yīng)用認(rèn)證。

為什么不是Linux？

不可否認(rèn)，Linux是一個(gè)強(qiáng)大的、對(duì)開(kāi)發(fā)人員友好的操作系統(tǒng)，其作為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備平臺(tái)的操作系統(tǒng)也已受到重視。對(duì)于許多應(yīng)用，Linux已經(jīng)成長(zhǎng)為一個(gè)主流的嵌入式操作系統(tǒng)。

然而，與實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)相比，Linux有一個(gè)缺點(diǎn)——存儲(chǔ)器容量大。雖然Linux可以通過(guò)刪除工具將嵌入式系統(tǒng)中不需要的系統(tǒng)服務(wù)裁減下來(lái)，但它仍然是一個(gè)大型軟件，無(wú)法運(yùn)行在8或16位微控制器上，甚至是許多新的32位微控制器，對(duì)于Linux內(nèi)核也沒(méi)有足夠的板上（或者片上-見(jiàn)譯者注）內(nèi)存。ARM Cortex-M系列就是一個(gè)很好的例子：有數(shù)百種基于流行的Cortex-M架構(gòu)的微控制器，通常它們的板上內(nèi)存只有幾百KB，Linux很難在這些芯片上運(yùn)行。

[譯者注]：現(xiàn)在許多的微控制器一般都支持大容量的片上內(nèi)存，所以不僅僅是板子內(nèi)存，還包括片上內(nèi)存。

無(wú)疑Linux將在嵌入式設(shè)備中被廣泛地使用，尤其是提供豐富的圖形用戶(hù)界面的應(yīng)用。但同時(shí)，也有成千上萬(wàn)的應(yīng)用對(duì)Linux來(lái)說(shuō)是不太適合的。

工業(yè)與消費(fèi)物聯(lián)網(wǎng)的需求對(duì)比

用于工業(yè)和消費(fèi)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的軟件要求是有差異的。盡管它們可能共享一個(gè)共同的內(nèi)核和低級(jí)別的服務(wù)，但它們應(yīng)用所需的中間件可以是完全不同的，如圖1所示。

圖1 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和消費(fèi)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備

圖1（a）中，我們看到針對(duì)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，例如無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的軟件協(xié)議棧，這是一個(gè)低功耗、低成本設(shè)備，有可能完全在電池供電下運(yùn)行。通常這種設(shè)備可以使用Cortex-M0或Cortex-M3/M4微控制器以及高效的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（如6LoWPAN），以減少傳輸時(shí)間、節(jié)省電力。而且，它還將使用藍(lán)牙或低功耗WiFi，進(jìn)行短距離無(wú)線通信，或者使用以太網(wǎng)進(jìn)行通信。

圖1（b）為針對(duì)消費(fèi)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的軟件協(xié)議棧，對(duì)于這種設(shè)備的軟件需求要大得多。它可能需要Java虛擬機(jī)，并很可能使用垂直市場(chǎng)的協(xié)議，如AllSeen、Home-Plug/HomeGrid、Continua聯(lián)盟或2net。通常這種設(shè)備可能使用Cortex-M3/M4或Cortex-A處理器。

這些需求將推動(dòng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的選擇，而大家并不希望選擇軟件平臺(tái)來(lái)支配設(shè)備的功能。

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備對(duì)操作系統(tǒng)的基本要求可擴(kuò)展性

靈活的、可擴(kuò)展的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)可以幫助你提高投資回報(bào)率，降低開(kāi)發(fā)成本，并縮短上市時(shí)間。雖然嵌入式系統(tǒng)歷史完全是建立在8和16位微控制器之上，但是32位微控制器的價(jià)格已經(jīng)迅速下降，使得它們能成為商業(yè)化產(chǎn)品。因此，它們?cè)谇度胧皆O(shè)備中的受歡迎的程度大為提升。

在設(shè)備中使用兩個(gè)處理器是常見(jiàn)的用于網(wǎng)絡(luò)嵌入式系統(tǒng)工程的解決方案。在這種結(jié)構(gòu)中，一個(gè)8位或16位微控制器被用于傳感器或執(zhí)行器，而另一個(gè)32位微控制器被用于網(wǎng)絡(luò)接口。在32位微控制器上運(yùn)行實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）。

32位微控制器的銷(xiāo)售量已經(jīng)在過(guò)去的幾年里激增，并成為微控制器市場(chǎng)最大的細(xì)分市場(chǎng)。預(yù)計(jì)到2017年，單獨(dú)的32位微控制器部分將增長(zhǎng)至192億美元，如圖2所示。

圖2 微控制器銷(xiāo)售和單位出貨量

未來(lái)幾年，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備將仍然是小型和大型微控制器的混合體。在各種16位和32位微控制器上運(yùn)行可擴(kuò)展的RTOS，可以滿(mǎn)足嚴(yán)格的內(nèi)存要求，降低對(duì)處理器的需求，從而節(jié)省費(fèi)用。

模塊化

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備將需要模塊化操作系統(tǒng)，以便中間件、協(xié)議和應(yīng)用與內(nèi)核分離。這樣做的原因是易于開(kāi)發(fā)，并保持軟件的內(nèi)存占用量達(dá)到最小值。

采用模塊化的操作系統(tǒng)可以簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)過(guò)程，特別是如果開(kāi)發(fā)者正在開(kāi)發(fā)具有不同功能的設(shè)備系列。依托于一個(gè)共同的核心，它允許整個(gè)設(shè)備系列共享通用的代碼庫(kù)，而每個(gè)設(shè)備可以?xún)H僅通過(guò)應(yīng)用所需的中間件和協(xié)議棧進(jìn)行定制。

這種方法還允許針對(duì)更小內(nèi)存尺寸的設(shè)備，不同于捆綁了整個(gè)軟件套件在一起的單一操作系統(tǒng)，模塊化操作系統(tǒng)允許為設(shè)備裁減嵌入式軟件，使用更少的RAM和閃存，降低成本。

連通性

網(wǎng)絡(luò)連接是物聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)。無(wú)論我們談?wù)摰氖枪S里的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)還是醫(yī)院里的網(wǎng)絡(luò)醫(yī)療設(shè)備，當(dāng)前這個(gè)行業(yè)的預(yù)期是：嵌入式設(shè)備彼此相互連接，并與企業(yè)或公共網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。

選擇操作系統(tǒng)需要支持的通信標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，如IEEE802.15.4、WiFi和藍(lán)牙。設(shè)備必須能夠連接到使用具有高效帶寬的IP協(xié)議網(wǎng)絡(luò)，如6LoWPAN的IP網(wǎng)絡(luò)。

操作系統(tǒng)將允許你選擇需要的特定的協(xié)議棧，這樣可以節(jié)省設(shè)備內(nèi)存，并降低成本。它能幫助你改造現(xiàn)有的設(shè)備使其具有新的連接選項(xiàng)，而不用修改嵌入式軟件的核心。

可靠性

許多物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)將被部署在關(guān)鍵性的安全環(huán)境中，或安置在維修和更換較為困難的地點(diǎn)。因此，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需要絕對(duì)可靠。

你可能還需要操作系統(tǒng)具有安全認(rèn)證，這是至關(guān)重要的，以便證明設(shè)備的可靠性和安全性。

可能需要的認(rèn)證包括：

①航空電子系統(tǒng)的DO-178B。

②工業(yè)控制系統(tǒng)的IEC 61508。

③醫(yī)療設(shè)備的ISO 62304。

④運(yùn)輸和核能系統(tǒng)的SIL3/SIL4 IEC。

如果使用安全關(guān)鍵環(huán)境，使用已經(jīng)認(rèn)證軟件建立產(chǎn)品，可以減少設(shè)備的認(rèn)證時(shí)間，并降低成本。設(shè)備的每一部分都將需要認(rèn)證和準(zhǔn)備大量的文檔。通常從第三方獲得可用的驗(yàn)證套件和認(rèn)證包，它們可以提供你所需要的為產(chǎn)品創(chuàng)建的數(shù)千頁(yè)的文件。

即使不需要為設(shè)備認(rèn)證，得知運(yùn)行在設(shè)備上的操作系統(tǒng)已被認(rèn)證，也可以為你提供產(chǎn)品能夠可靠完成的信心和定力。