引子

IoT(Internet of Things)一直是個(gè)市場沒爆發(fā)，但炒作夠火的概念。 最近看了Brillo(Goolge放出的OS for IoT)，再結(jié)合手頭做的項(xiàng)目，來聊聊打著IoT旗號(hào)的那些操作系統(tǒng)及其生態(tài)?？梢宰尨蠹以趯?duì)此類嵌入式系統(tǒng)軟件平臺(tái)選型時(shí)少些困惑。

首先，不在這里描述IoT到底是啥，這概念太籠統(tǒng)。但凡事都講套路，在我看來大部分的IoT操作系統(tǒng)都是順著這個(gè)套路(應(yīng)用場景)來：

Internet            PAN 
Cloud <-> Board router <-> Nodes (things connected) 
   ^          ^             ^ 
   |          |             | 
    ---- Smart device ------ 
      (e.g. phone, tablet) 

這場景基本適用于家庭、樓宇及工業(yè)等等。所以哪家提啥方案都可以按這個(gè)套路來，下面你會(huì)看的到。文中我們會(huì)談到以下這些OS：

操作系統(tǒng)清單

• Brillo (a solution from Google for buildingconnected devices)
• mbedOS (ARM mbed, The ARM IoT DevicePlatform)
• RIOT (The friendly Operating System for theIoT)
• Contiki (an open source operating systemfor the IoT)
• Zephyr (a small, scalable real-timeoperating system for use on resource-constrained systems)
• Nuttx (a RTOS with an emphasis on standardscompliance and small footprint)

除了單獨(dú)對(duì)這些OS介紹外，我們也會(huì)來個(gè)橫向大比拼。目的是讓項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，產(chǎn)品經(jīng)理在對(duì)系統(tǒng)選型的時(shí)候能有個(gè)合理的參考。嵌入式系統(tǒng)中，比較好用當(dāng)然是Linux。但當(dāng)系統(tǒng)較小，能力不足以跑Linux的時(shí)候，就很容易糾結(jié)，特別是對(duì)于生態(tài)要求很高的應(yīng)用。

一、Brillo

https://developers.google.com/brillo/

1.1 簡介

Brillo: Google’s OS for IoT MPU devices

• Targeted at smarthomes
• Expanding to buildingsand industry
• Supports MPU devicesw/ min 35MB of RAM

Brillo需要跑在帶MMU的AP上。其實(shí)很顯然，Brillo基于Android，它再怎么裁剪，也是需要跑在Linux，Kernel上還要打一堆patch。只是它把Android上關(guān)于圖形、JAVA虛擬機(jī)及Framework統(tǒng)統(tǒng)裁減掉。只保留了C/C++運(yùn)行環(huán)境，Binder IPC，SSL等網(wǎng)絡(luò)安全必須組件。這也就意味著在Brillo上開發(fā)APP其實(shí)是Native的，而且驅(qū)動(dòng)程序都由Android的那套HAL來做抽象，所以應(yīng)用程序是直接和HAL、Lib來打交道。

1.2 Brillo 架構(gòu)框圖

看似Google放了個(gè)IoT的操作系統(tǒng)出來，實(shí)際Google目前專注于應(yīng)用場景中功能相對(duì)強(qiáng)大的節(jié)點(diǎn)，或者邊界節(jié)點(diǎn)Border Router這樣的角色。最重要的是Google利用Weave打通了設(shè)備節(jié)點(diǎn)到Google云端的通道。Google實(shí)際上是用了最小的代價(jià)，實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)設(shè)備平臺(tái)Android、物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和自己的云端的互聯(lián)互通。至于那些跑不了Brillo的節(jié)點(diǎn)怎么互聯(lián)互通，Google交給其他人去考慮了，反正Brillo也支持6LowPan, Thread之類的協(xié)議。如果你寫過Android HAL/Service，那么開發(fā)Brillo App易如反掌，直接調(diào)用Device HAL去操作設(shè)備;調(diào)用WeaveAPI去做通訊。

int ret =hw_get_module(LIGHTS_HARDWARE_MODULE_ID, &module); 
if (ret || !module) 
err(1, "Failed to load %s", LIGHTS_HARDWARE_MODULE_ID); 
ret =module->methods->open(module, 
LIGHT_ID_NOTIFICATIONS, 
reinterpret_cast(&light_device)); 
if (ret || !light_device) 
err(1, "Failed to open %s", LIGHT_ID_NOTIFICATIONS); 

以上代碼調(diào)用HAL統(tǒng)一接口打開一個(gè)LIGHT設(shè)備，是不是很熟悉?然后起個(gè)Daemon,利用Weave API來接收從網(wǎng)絡(luò)上來的XMPP請(qǐng)求，對(duì)設(shè)備進(jìn)行配置或者狀態(tài)監(jiān)測(cè)。在云端和移動(dòng)端，可以使用網(wǎng)頁版的Weave Developers Console和Weave App來控制監(jiān)測(cè)設(shè)備。

Brillo可以在資源較少的MPU上跑，35MB內(nèi)存就行，老的ARM9估計(jì)也可以。它可建立很多低成本的設(shè)備節(jié)點(diǎn)，用來和智能設(shè)備、云端通訊，或者作為PAN內(nèi)設(shè)備對(duì)外的橋梁Border router。Brillo可玩性應(yīng)該很高，家里的PC機(jī)，路由器都可以拿來跑，生態(tài)系統(tǒng)強(qiáng)大。但致命缺點(diǎn)是，我們?cè)谔斐?，你懂得。相信國?nèi)的BAT之類，會(huì)考慮移植，改造，變異。就如對(duì)Android一般。

二、mbedOS

2.1 簡介

mbed是ARM自己建立的IoT解決方案平臺(tái)

The ARM mbed IoT Device Platform providesthe operating system, cloud services, tools and developer ecosystem to make thecreation and deployment of commercial, standards-based IoT solutions possibleat scale.

它被ARM分成三大部分

1. mbed Cloud
2. mbed Device Connector
3. mbed Client

ARM居然也自己搞了個(gè)Cloud，可以通過“mbed DeviceConnector”來訪問連接到云端的設(shè)備。并提供網(wǎng)頁版的Connector來管理設(shè)備，用戶可以通過RESTful API over HTTP來寫自己的APP。

“mbed Client”的定義是這樣的：a library that connects devices to mbedDevice Connector Service

看似比較奇怪，其實(shí)就是一套可以移植到各種操作系統(tǒng)上的，能夠和mbed Device Connector Service通訊的，跑在硬件設(shè)備上的軟件庫。它使用基于UDP的CoAP協(xié)議來通訊，使用mbedTLS來實(shí)現(xiàn)安全連接，兼容LWM2M。

2.2 mbed Client 架構(gòu)

說到這里，我們的主角mbedOS該登場了。ARM為了在基于ARM Cortex-M內(nèi)核的硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的操作，及通過Device Connector訪問云端，它必須有一套可以支持mbedClient的軟件解決方案。mbedOS既是基于RTOS內(nèi)核，并提供各種ARM SoC硬件平臺(tái)驅(qū)動(dòng)和BSP的操作系統(tǒng)，在此之上，實(shí)現(xiàn)整個(gè)mbedClient庫。在PAN的物聯(lián)區(qū)域內(nèi)，設(shè)備與設(shè)備的通訊都可以使用mbedOS提供的方案來解決，它支持NFC，RFID，BLE，6LowPAN甚至是Thread。在設(shè)備與云端的通訊上，mbedOS既支持以太網(wǎng)，WiFi，也支持3G。跑mbedOS的設(shè)備既可以是設(shè)備節(jié)點(diǎn)，也可以是邊界路由器(比如6LowPAN轉(zhuǎn)IPv6)，也可以和智能設(shè)備通過BLE通訊。mbed Device Connector又可以使用CoAP協(xié)議在設(shè)備端和云端通訊。

2.3 mbedOS對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的支持可謂很強(qiáng)大

• LWIP IPv4/v6, TCP/UDP
• mbed BLE stack
• 6LowPAN (host, router, border router)
• Thread (ED, router, border router)
• BSD socket API

除此之外，它還支持

• 文件系統(tǒng)：cfstore,flash-journal等
• C++的驅(qū)動(dòng)接口，及驅(qū)動(dòng)抽象層HAL
• 幾乎所有使用ARM CortexM核的大廠硬件平臺(tái)。廣度可以，但深度有待提高

也就是說mbed把每一類驅(qū)動(dòng)都抽象成一個(gè)基類，真正做驅(qū)動(dòng)移植的時(shí)候，從這個(gè)類派生出來，然后實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的HAL函數(shù)。使得用戶在實(shí)例化該驅(qū)動(dòng)派生類后，能夠調(diào)用相應(yīng)的類接口，從而訪問實(shí)際的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。比如AnalogIn::read()，是返回ADC的采樣結(jié)果。

2.4 mbed生態(tài)

• ARM提供在線IDE，可以在線快速編譯
• 線下的開發(fā)環(huán)境也簡單易用, mbed cli類似于android的repo
• github上的例子很多，參考性強(qiáng)
• 社區(qū)相對(duì)比較活躍
• 合作伙伴眾多

ARM搞起了云和RTOS，令人聯(lián)想到之前的Linaro，看似前景不錯(cuò)。而且據(jù)說國內(nèi)的BAT也有在使用mbed做產(chǎn)品，其實(shí)就把mbed Cloud換自己的云，改造下DeviceConnector即可。本人也正在研究mbed，之后會(huì)寫些使用心得。

三、RIOT

https://github.com/RIOT-OS/RIOT

3.1 簡介

The friendly Operating System for theInternet of Things

RIOT官方的口號(hào):)

if your tiny IoT device can’t run Linux,use RIOT

RIOT是面向開發(fā)者的，開源的，適合物聯(lián)網(wǎng)的操作系統(tǒng)。它的背后沒有某個(gè)公司的支持，而完全是由社區(qū)驅(qū)動(dòng)。

他的一些特性：

• 標(biāo)準(zhǔn)的C/C++編程
• 標(biāo)準(zhǔn)的gcc編譯環(huán)境
• 可以跑在8位，16位和32位的嵌入式系統(tǒng)上
• 部分的POSIX接口兼容(以后的目標(biāo)是全兼容)
• 支持在Linux/Unix的虛擬機(jī)上運(yùn)行
• 實(shí)時(shí)性，快速的中斷響應(yīng)(~50 clockcycles)
• 微內(nèi)核，組件都可以動(dòng)態(tài)加載，并且通過message來實(shí)現(xiàn)服務(wù)
• 極小開銷的多線程支持(< 25 bytesper thread)
• 豐富的網(wǎng)絡(luò)支持：6LoWPAN，IPv6，RPL，CoAP and CBOR
• 高精度的定時(shí)器
• 豐富的工具 (System shell, SHA-256, Bloom filters, …)

3.2 RIOT 架構(gòu)框圖

RIOT的CPU的IP驅(qū)動(dòng)基本都有一套統(tǒng)一接口，但是沒有任何抽象層，被放在源代碼的cpu\periph中。這意味著在做新的平臺(tái)支持時(shí)，你要注意驅(qū)動(dòng)的接口要和API文檔里的一致，比如ADC的adc_init(), adc_read()。源代碼的drivers則放著板級(jí)的驅(qū)動(dòng)，比如NXP的MMA8541，利用i2c統(tǒng)一接口來訪問。

由于是微內(nèi)核(microkernel)的實(shí)現(xiàn)，所有的系統(tǒng)服務(wù)包括時(shí)鐘、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)等，都是通過創(chuàng)建獨(dú)立的線程來實(shí)現(xiàn)。在線程中都有event_loop來接收服務(wù)請(qǐng)求，處理并發(fā)送服務(wù)結(jié)果。RIOT中最關(guān)鍵的是GNRC(Generic network stack)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，它實(shí)現(xiàn)了從MAC層一直到傳輸層的各種協(xié)議，如6LowPan，IPv4/v6，RPL，TCP/UDP。并且這些不同的協(xié)議棧之間通過netapi統(tǒng)一接口開放給用戶。對(duì)于應(yīng)用層來說，GNRC提供了conn和socket兩種API。在安全方面，貌似802.15.4這層沒有加入AES的支持，只提供tinyDTLS在應(yīng)用層給用戶使用。由于RIOT的POSIX的部分兼容性，及提供BSD socket的接口，很多應(yīng)用都可以方便的移植過來，在pkg/你能找到例如libcoap，openwsn這樣的應(yīng)用。

RIOT最早是由柏林自由大學(xué)開發(fā)的，目前完全由社區(qū)維護(hù)，貌似歐洲開發(fā)者居多。從devel maillist里來看，感覺社區(qū)活躍程度一般。每兩周都有一個(gè)Virtual meeting，都還是大學(xué)在牽頭。

總之，一個(gè)很有想法的微內(nèi)核，加上開發(fā)環(huán)境相對(duì)于之前熟悉Linux的開發(fā)者來講很友好。應(yīng)該是個(gè)潛力股。

四、Contiki

http://www.contiki-os.org/

4.1 簡介

以下是維基百科對(duì)Contiki的介紹：

Contiki is an operating system fornetworked, memory-constrained systems with a focus on low-power wirelessInternet of Things devices. Extant uses for Contiki include systems for streetlighting, sound monitoring for smart cities, radiation monitoring, and alarms

可以看得出來，原來Contiki是為智能城市而誕生的。支持的平臺(tái)有限，基本是內(nèi)部集成CC24xx/25xx，MC1322x之類Radio的SensorTag平臺(tái)，或者一個(gè)很小的MCU加上這些Radio模塊的平臺(tái)。從它所支持的平臺(tái)也能看出，Contiki更加專注于小型傳感器節(jié)點(diǎn)。它更關(guān)注與PAN內(nèi)的節(jié)點(diǎn)通訊，當(dāng)然他也有傳統(tǒng)的IPv4/v6，TCP/UDP支持，使得利用CoAP可以用來和云端通訊。

4.2 Contiki的特性：

• 完整的網(wǎng)絡(luò)支持，HTTP，UDP/TCP，以及低功耗協(xié)議6lowpan，RPL和CoAP。整個(gè)IPv6協(xié)議棧都是有思科貢獻(xiàn)
• 專門為小內(nèi)存設(shè)備設(shè)計(jì)的內(nèi)存管理器
• 小巧的估算功耗的工具
• 豐富的實(shí)例
• 高效的支持外部Flash的Coffee flash的文件系統(tǒng)
• Protothreads，事件驅(qū)動(dòng)及多線程的編程模型
• Cooja網(wǎng)絡(luò)模擬器
• Rime協(xié)議棧，比IPv6更輕量級(jí)的網(wǎng)絡(luò)層

Contiki也是個(gè)微內(nèi)核(microkernel)，所有的系統(tǒng)服務(wù)都是通過啟線程完成，Protothreads線程整合了線程間事件通訊，使得編寫系統(tǒng)服務(wù)非常容易。驅(qū)動(dòng)程序方面，Contiki沒有統(tǒng)一的驅(qū)動(dòng)程序框架，驅(qū)動(dòng)都是各家MCU自帶開發(fā)包提供，這樣的好處是能夠保證生成的二進(jìn)制代碼夠小。

Contiki有個(gè)很有特色的模擬器，Cooja Network Simulator，可以運(yùn)行很多例子，并且可以監(jiān)控整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的包及節(jié)點(diǎn)狀態(tài)。這樣可以讓用戶在沒有充足硬件設(shè)備的條件下做開發(fā)。

Contiki社區(qū)基本依靠maillist討論問題，github做pull request。從maillistarchive里看，社區(qū)活躍程度很一般。

五、Zephyr

https://www.zephyrproject.org/

Zephyr居然是Linux基金會(huì)的合作項(xiàng)目。應(yīng)該是由INTEL將WindRiver的商用操作系統(tǒng)WindRiverRocket部分開源后誕生的項(xiàng)目(今年才誕生)。目前可用資料不多，而且支持的硬件平臺(tái)較少，ARM的平臺(tái)就沒幾個(gè)。

Zephyr像極了Linux，它的源代碼目錄結(jié)構(gòu)Kconfig使用方式，啟動(dòng)流程，Driver Model都可以看出來。用戶的應(yīng)用程序是啟動(dòng)后創(chuàng)建的末尾一個(gè)線程，用戶的main()會(huì)在所有的驅(qū)動(dòng)，組件及硬件板子初始化后被調(diào)用，驅(qū)動(dòng)使用DEVICE_INIT()，組件使用SYS_INIT()初始化，并帶有優(yōu)先等級(jí)。驅(qū)動(dòng)都會(huì)遵循統(tǒng)一的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)：

struct device {  
struct device_config *config; 
const void *driver_api;  
void *driver_data;  
}; 

所以驅(qū)動(dòng)要自己定義一個(gè)配置結(jié)構(gòu)，一套API的函數(shù)指針，以及驅(qū)動(dòng)狀態(tài)結(jié)構(gòu)。和Linux很像。

網(wǎng)絡(luò)支持很奇葩，協(xié)議棧居然都是用的Contiki的，Bluetooth還算比較全。子系統(tǒng)方面，文件系統(tǒng)、USB都是很簡單，很原始的支持。安全方面，mbedTLS和tinyDTLS被拿了過來。

總體來講，Zephyr還處于初期，很多東西都不完善。Owner又是Intel，希望別重蹈Moblin的覆轍。

六、Nuttx

http://www.nuttx.org/

Nuttx,實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，POSIX接口支持，Loadable內(nèi)核模塊支持，BSD socket，MMU支持，等等。我只能說，長的太像Linux了。Build也是Kconfig，目錄結(jié)構(gòu)也基本和LinuxKernel一樣。

• ARM的核基本都支持
• 文件系統(tǒng)也是VFS支撐，大而全。網(wǎng)絡(luò)的，NAND MTD的，pseudo都支持
• 自己的Clib,也可以支持uCLib
• 全面的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，但是沒有wireless!
• 有自己的USB協(xié)議棧

我一開始沒打算談Nuttx，他的無線支持很差，就更別談無線互聯(lián)了。但是BAT居然有人用它做云OS。估計(jì)是團(tuán)隊(duì)實(shí)在太熟悉Linux了，跑不了Linux也要找個(gè)類似的開發(fā)環(huán)境。有了BAT的支持，Nuttx估計(jì)可以發(fā)達(dá)了。

七、大比拼

這里用一張比較簡單的表來對(duì)比這些操作系統(tǒng)和生態(tài)

除了Brillo以外，其他都是RTOS有很小的內(nèi)核。程序所占的內(nèi)存和代碼大小取決你需要的硬件平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)多少，需要什么樣的協(xié)議棧等等的功能。

八、結(jié)尾

最近行業(yè)趨勢(shì)有所變化，除了互聯(lián)網(wǎng)依然火熱外，大家的焦點(diǎn)無疑都從手機(jī)投向了汽車、工業(yè)、物聯(lián)網(wǎng)。大家都希望能夠使用物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)將傳統(tǒng)行業(yè)中的產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)信息共享、提高生活、生產(chǎn)效率和質(zhì)量。我們所工作在的半導(dǎo)體行業(yè)中，除了給市場提供更符合需求的處理器以外，我們還需要提供基于自己處理器的軟硬件解決方案。操作系統(tǒng)作為應(yīng)用的基礎(chǔ)、基石，顯得非常的重要。本文只是粗劣的介紹和對(duì)比了這些物聯(lián)網(wǎng)的操作系統(tǒng)，希望能對(duì)讀者有所幫助。