嵌入式OS的未来

嵌入式OS发展到今天已经有30多年历史了，未来的嵌入式OS 会是什么样的？技术会有哪些变化？商业还会蓬勃发展，还是逐渐消亡呢？笔者在撰写《嵌入式操作系统史话》专栏期间，恰逢美国的CES2014，我参观了LG，三星、SONY，奥迪等大企业的展位，也看到了Intel、恩智浦和TI等半导体公司最新的芯片解决方案。在美国期间我还去了加州硅谷和佛州韦斯顿，拜访了从事嵌入式OS开发的专家们，经过交流我了解到国外嵌入式OS最新发展的一些情况。

嵌入式OS方兴未艾
嵌入式OS是在70年代开始发展到今天已经40多年了，嵌入式OS依然是方兴未艾。我在CES2014上看到了各种嵌入式OS在消费电子、汽车和医疗电子等领域的最新应用。比如高通最新智能手表--Toq，使用的是ThreadX嵌入式OS。 LG最新的基于WebOS 智能电视（图1），QNX应用在飞机的娱乐系统上（图2）。这些嵌入式OS ，它们虽然不是Android 和Vxworks这样有名气和有广泛的应用的嵌入式OS，但是依然给这些消费电子产品带来了全新的体验。根据UBM 2013年Embdded Market Study 报告，占有市场份额超过10%的嵌入式OS只有Android（28%）、FreeRTOS（21%）、Ubuntu Linux（13%）、Micrium uCOS-II和III（10%），其他十余种嵌入式OS的市场份额都只有个位数字，值得注意的是用户自己开发的嵌入式OS比例依然很高（19%）[1]。

这个现象说明了嵌入式系统还远没有像PC和移动终端市场那样具备了标准化和垄断性，嵌入式系统依然呈现的是百花齐放的态势。正如嵌入式操作系统史话第11篇“嵌入式OS的红花绿叶”所说，嵌入式应用千变万化，构建这些应用的嵌入式平台也是百花齐放，其中核心技术--嵌入式OS自然也不能一统天下了。

图1基于webOS的LG智能电视

      
图2基于QNX的机载娱乐系统

嵌入式OS技术的发展--多核方向
嵌入式OS的发展与微电子和集成电路的发展息息相关，著名的摩尔定律揭示了芯片中的晶体管数量和性能每隔18个月翻倍，每一美元所能买到的电脑性能将每隔18个月翻两倍这样的规律。在集成电路发展上ARM专注设计CPU,出售CPU 相关的IP（知识产权）让各半导体公司生产各自的MCU（微控制器）和MPU（微处理器），这样的方式提高了劳动生产率降低了成本,统一了开发平台提高了产品开发效率。过去的10年期间，ARM Cortex 架构的CPU核心几乎主导着嵌入式系统从智能终端到物联网传感器的方方面面。在摩尔定律的驱动下，在以ARM为代表IP公司引领下，MCU和MPU在向着高集成度、高性能和低功耗方向发展。

要保持MCU和MPU的高性能和低功耗的平衡，在CPU中采用多核设计是一种已经证明行之有效的方法。各种嵌入式MPU（比如高通和飞思卡尔通信处理器）和某些MCU （比如恩智浦公司的MCU）都发表了多核芯片。多核有同构和异构2种架构，也就是说多核芯片系统中包含同样内核的CPU核，或者不同内核的CPU核。嵌入式OS实现多核芯片支持有几种方式，其中使用Hypervisor虚拟化技术是最常见的一种，下图3是我在CES2014 TI的演示厅里面看到Red Bend公司为基于TI OMAP多核应用处理器提供给汽车电子行业解决方案的演示，在汽车仪表盘上运行是符合汽车电子标准的OSEK的RTOS，在车载信息系统（IVI）上运行的是Android，这样的好处是在保证了汽车电子核心系统安全性的基础上，支持了信息导航系统的应用软件兼容性和开放性。通过虚拟化技术支持嵌入式多核处理器的公司还有凤河和ENEA，前者支持其私有的Vxwork和开源的Linux或者Android，后者重点则在支持自己的OSE RTOS和通用的Linux解决方案[2]。

图3 Red Bend移动虚拟化在汽车上应用

嵌入式OS技术的发展--物联网方向
物联网（称为IOT-Internet of Things）是近年来IT产业发展的一个热点。物联网借助智能计算（嵌入式）、传感器和通讯技术将物体与物体，物体与计算机和互联网联系起来，组成一个面向行业应用的系统。思科预计，2020年的全球物联网设备将达到750亿台。在全世界80亿人口中，每个人届时将对应9.4台物联网设备。较传统的嵌入式设备，物联网应用要求设备尺寸更小、功耗更低、安全可靠和具备无线通讯和组网能力。面向物联网应用的嵌入式OS 应该是模块化、可伸缩、方便裁剪和软件升级维护；还必须具备无线互联的功能和协议支持，比如支持WiFi、蓝牙4.0、Zigbee和6LowPan等无线协议和支持IPv6协议栈。

最早具备物联网OS概念的是嵌入式PS传感网（WSN）的OS ，来自加州大学伯克利分校（UC Berkeley）的TinyOS和瑞士计算科学学院（Swedish Institute of Computer Science）网络系统小组Adam Dunkels开发的Contiki，它们是传感网OS的典型代表。2010年之后欧洲有了面向物联网的OS--RIOT，相对前面2个OS，RIOT 更加接近一个完整的RTOS，具备实时性和模块化结构，支持标准的C和C++编程接口，不仅可以运行在小型的MCU上，也可以支持MPU。在资源允许的条件下，可以运行最新的互联网和物联网协议栈并完成协议转换工作。

2014年1月微软嵌入式事业部总监Bob Breynaert 透露微软有计划推出物联网版本的Windows Embedded [3]。2014年2月在德国纽伦堡的嵌入式世界大会上，凤河宣布其基于Vxwork 的物联网操作系统，最近我看到风河在其官方网站上给出这个版本的产品介绍和白皮书[4]。微软和风河这2家操作系统大公司的加入，尤其是风河已经有正式的产品的介绍和计划，使得物联网操作系统已经呼之欲出。传统的RTOS的公司也纷纷有所动作，比如Micrium 公司3月宣布在资源有限制的目标系统中支持IPv6协议栈[5]，据我在之前与Micrium 创始人Jean Labross 交流，他们也正在关注物联网协议的解决方案。

嵌入式OS的商业模式
近年对嵌入式OS影响最大的是Google 的Android。Android 本质并不是操作系统，而是一个由系统库、运行库、应用架构和应用软件组成的系统，Android的底层是开源的Linux OS。Google收购了Android 到今天短短的5年时间，Android 已经占据了80%移动终端的市场和28%的嵌入式市场，Android 的成功让传统的嵌入式OS企业感到危机，也看到了努力的方向。

随着越来越多的开源的OS在嵌入式系统中使用，更多嵌入式OS已经和准备选择开源的商业模式，嵌入式OS的商业模式也正在发生着变化。传统的商业模式是按照开发者数量+最终产品销售使用授权+技术服务收取费用，如今部分嵌入式OS大企业已经转向面向某个企业（或者项目）收取产品年使用非、产品维护和技术服务费用的方式，而放弃最终产品销售使用收费，今后嵌入式OS 公司更多地收入来自基于其平台和核心技术的服务性收费[6]。规模小一点的嵌入式OS公司依然还是采用传统的商业模式，但是他们愿意更多地开放自己的技术和代码，比如部分开源、出版书籍和免费源代码评估。初创的嵌入式OS公司则直接采用开源软件的模式--软件免费服务收费，它们的发展也很迅速。

Android的成功还让嵌入式OS企业看到这样的一个事实—掌握云计算平台将可以牢牢掌控嵌入式OS。我在CES2014的Zigbee联盟展位看到一家叫DSR的公司，他们开发了开源的Zigbee协议栈—ZBOSS，同时还开发了IOE（Internet of everything，
思科公司关于物联网的一个术语）的云计算平台和移动App，虽然还不是很成熟的产品，但已经可以看到未来发展的雏形。我预计微软计划中的Windows Embedded物联网版本，一定会融入微软云计算平台-Windows Azure，基于平台即服务（PaSS）的Windwos Azure 是非常适合嵌入式系统应用场景。2012年底Windows Azure 云服务也已经落地上海，这将帮助解决基于云计算的嵌入式系统应用的安全和可信问题[7] ，我相信与云计算融合是嵌入式OS发展的商业模式需要，也是技术发展的需要。

结束语
本文是《嵌入式操作系统史话》的最后一篇，其实要写的内容还很多，欧洲、日本和中国的嵌入式OS 产品都值得仔细谈谈，比如法国的Chrous、瑞典的OSE、日本的T-kernel（早期叫ITRON），中国凯思昊鹏的HOPEN、开源的RT-thread和μTenux，限于篇幅只能说这是一件很遗憾的事情。在撰写这个专题的后期，正值几件与操作系统相关的大事情的发生：Windows XP 4月将停止服务可能给中国正在运行的2亿台电脑带来安全隐患，中科红旗最近破产和国产操作系统COS引起的争议等，这些事情引发了一定要有国产操作系统的呼声再次响起，这种呼声已经引起了中央高层的关注，构建国产操作系统中的智能终端操作系统的计划或将很快浮出水面，包括物联网在内的其他嵌入式OS也在考虑之中。开发、应用和学习嵌入式OS在中国将大有可为。

在撰写《嵌入式操作系统史话》过程中，在选题和文献资料翻译方面我得到了与非网的帮助。为了保证技术文章文字的流畅和通俗易懂，我的家人帮助了我，感谢你们。

参考资料：
[1]2013 EMBEDDED MARKET STUDY UBM TECH
[2] https://www.enea.com/solutions/hypervisor/
[3] Microsoft pushes Windows Embedded for the Internet of thingshttps://www.infoworld.com/t/microsoft-windows/microsoft-pushes-windows-embedded-the-internet-of-things-235007
[4] https://www.windriver.com/vxworks/reinvented/
[5] https://micrium.com/ipv6/
[6]何小庆，谈嵌入式软件知识产权，电子产品世界杂志 2007年

[7]Christopher Barnatt 著 何小庆等译，解读云计算 ，北京航空航天大学出版社 2013年

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系列之一：何为嵌入式操作系统？

摘要：对嵌入式操作系统的定义，国内外专家学者和企业界人士的理解都不尽相同，具有代表性的意见有两种；一种是说嵌入式系统就是嵌入式的计算机系统，另外一种认为嵌入式系统是一种机电结合、软硬结合执行某种特殊功能的系统……

系列之二：嵌入式OS的“摩托”系

摘要：摩托罗拉自1974年发布第一款MC6800 --8位微处理器到1979发布的MC68000（简称68K）-16/32位CPU之后，其芯片因为即可以使用在计算机系统中，也可以使用在嵌入式系统，很快成为当时行业的标准。最早开发嵌入式OS的公司，许多都是借助摩托罗拉的市场起家的……

系列之三：VRTX--商业嵌入式OS的开拓者

摘要：除了上一篇提到的OS-9以外，最早出现的嵌入式操作系统（简称为嵌入式OS）当属VRTX，因其在技术上创新性，得到用户和嵌入式系统公司的广泛支持，VRTX可称为商业嵌入式OS的开拓和领导者……

系列之四：μC/OS的故事（一）

系列之七：风河-嵌入式OS的常青树

摘要：风河公司(Wind River System)是一家专业从事嵌入式OS、软件开发工具、解决方案平台和服务的软件公司，由Jerry Fiddle和David Wilner在1981年美国加州创立。VxWorks是风河公司推出的实时多任务操作系统（RTOS）……