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物联网操作系统的架构和基本功能

  物联网操作系统由内核、辅助外围模块(文件系统、图形用户界面、通信协议栈、各类常见设备的驱动程序等)、集成开发环境等组成,基于此,可衍生出一系列面向行业的特定应用,下图展示了这个概念:

  

物联网

 

  物联网操作系统与传统的个人计算机操作系统和智能手机类操作系统不同,它具备物联网应用领域内的一些独特特点,现说明如下。

  物联网操作系统内核的特点

  1、内核尺寸伸缩性强,能够适应不同配置的硬件平台。比如,一个极端的情况下,内核尺寸必须维持在10K以内,以支撑内存和CPU性能都很受限的传感器,这时候内核具备基本的任务调度和通信功能即可。在另外一个极端的情况下,内核必须具备完善的线程调度、内存管理、本地存储、复杂的网络协议、图形用户界面等功能,以满足高配置的智能物联网终端的要求。这时候的内核尺寸,不可避免的会大大增加,可以达到几百K,甚至M级。这种内核尺寸的伸缩性,可以通过两个层面的措施来实现:重新编译和二进制模块选择加载。重新编译措施很简单,只需要根据不同的应用目标,选择所需的功能模块,然后对内核进行重新编译即可。这个措施应用于内核定制非常深入的情况下,比如要求内核的尺寸达到10K以下的场合。而二进制模块选择加载,则用在对内核定制不是很深入的情况。这时候维持一个操作系统配置文件,文件里列举了操作系统需要加载的所有二进制模块。在内核初始化完成后,会根据配置文件,加载所需的二进制模块。这需要终端设备要有外部存储器(比如硬盘、Flash等),以存储要加载的二进制模块;

  2、内核的实时性必须足够强,以满足关键应用的需要。大多数的物联网设备,要求操作系统内核要具备实时性,因为很多的关键性动作,必须在有限的时间内完成,否则将失去意义。内核的实时性包涵很多层面的意思,首先是中断响应的实时性,一旦外部中断发生,操作系统必须在足够短的时间内响应中断并做出处理。其次是线程或任务调度的实时性,一旦任务或线程所需的资源或进一步运行的条件准备就绪,必须能够马上得到调度。显然,基于非抢占式调度方式的内核很难满足这些实时性要求;

  3、内核架构可扩展性强。物联网操作系统的内核,应该设计成一个框架,这个框架定义了一些接口和规范,只要遵循这些接口和规范,就可以很容易的在操作系统内核上增加新的功能的新的硬件支持。因为物联网的应用环境具备广谱特性,要求操作系统必须能够扩展以适应新的应用环境。内核应该有一个基于总线或树结构的设备管理机制,可以动态加载设备驱动程序或其它核心模块。同时内核应该具备外部二进制模块或应用程序的动态加载功能,这些应用程序存储在外部介质上,这样就无需修改内核,只需要开发新的应用程序,就可满足特定的行业需求;

  4、内核应足够安全和可靠。可靠性就不用说了,物联网应用环境具备自动化程度高、人为干预少的特点,这要求内核必须足够可靠,以支撑长时间的独立运行。安全对物联网来说更加关键,甚至关系到国家命脉。比如一个不安全的内核被应用到国家电网控制当中,一旦被外部侵入,造成的影响将无法估量。为了加强安全性,内核应支持内存保护(VMM等机制)、异常管理等机制,以在必要时隔离错误的代码。另外一个安全策略,就是不开放源代码,或者不开放关键部分的内核源代码。不公开源代码只是一种安全策略,并不代表不能免费适用内核;

  5、节能省电,以支持足够的电源续航能力。操作系统内核应该在CPU空闲的时候,降低CPU运行频率,或干脆关闭 CPU。对于周边设备,也应该实时判断其运行状态,一旦进入空闲状态,则切换到省电模式。同时,操作系统内核应最大程度的降低中断发生频率,比如在不影响实时性的情况下,把系统的时钟频率调到最低,以最大可能的节约电源。

  物联网操作系外围模块的特点

  外围模块指为了适应物联网的应用特点,操作系统应该具备的一些功能特征,比如远程维护和升级等。同时也指为了扩展物联网操作系统内核的功能范围,而开发的一些功能模块,比如文件系统、网络协议栈等。物联网操作系统的外围模块(或外围功能)应该至少具备下列这些:

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