物聯網操作系統幾乎都是在傳統的RTOS（如FreeRTOS、UCOS）添加網絡協議棧發展起來的。由于Linux自身保護網絡協議棧，所以也有操作系統是高度裁剪Linux內核而來，但是由于linux需要跑MMU，所以一般需要高級CPU，也需要M級別的RAM。本文轉載自知乎技術博文（//zhuanlan.zhihu.com/p/23618181），并進行部分刪減修改。

一、操作系統清單

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(dan)獨對這些OS介紹(shao)外(wai)，我們也會來個(ge)橫(heng)向大(da)比(bi)拼(pin)。目(mu)(mu)的(de)(de)是(shi)讓項(xiang)目(mu)(mu)負責人，產品經理在對系統選型(xing)的(de)(de)時候能有個(ge)合理的(de)(de)參考。嵌入(ru)式系統中，當然是(shi)Linux。但當系統較小，能力不足以(yi)跑Linux的(de)(de)時候，就很容易糾結，特別是(shi)對于生(sheng)態要求很高的(de)(de)應用。

二、Brillo

//developers.google.com/brillo/

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(yao)跑在帶MMU的(de)(de)AP上。其實很顯(xian)然，Brillo基于Android，它再怎么裁剪，也是(shi)需要(yao)跑在Linux，Kernel上還要(yao)打一堆patch。只是(shi)它把Android上關于圖形、JAVA虛擬機及Framework統(tong)統(tong)裁減掉。只保(bao)留(liu)了C/C++運行環(huan)境，Binder IPC，SSL等網絡(luo)必須組(zu)件。這也就(jiu)意味著在Brillo上開發APP其實是(shi)Native的(de)(de)，而(er)且驅動程序都由Android的(de)(de)那套HAL來做抽象，所(suo)以(yi)應用程序是(shi)直接(jie)和(he)HAL、Lib來打交道(dao)。

Brillo 架(jia)構框圖(tu)

 

看似Google放了(le)(le)個IoT的(de)(de)(de)操作系統出來(lai)，實際(ji)Google目(mu)前(qian)專注于應用(yong)(yong)(yong)場景中功能相對強(qiang)大(da)的(de)(de)(de)節(jie)點，或者邊界節(jie)點Border Router這樣的(de)(de)(de)角色。最重要(yao)的(de)(de)(de)是Google利用(yong)(yong)(yong)Weave打(da)通了(le)(le)設(she)(she)備節(jie)點到Google云端的(de)(de)(de)通道。Google實際(ji)上(shang)是用(yong)(yong)(yong)了(le)(le)最小的(de)(de)(de)代價，實現了(le)(le)移動設(she)(she)備平臺Android、物聯網節(jie)點和自己的(de)(de)(de)云端的(de)(de)(de)互(hu)聯互(hu)通。至于那些跑不了(le)(le)Brillo的(de)(de)(de)節(jie)點怎(zen)么(me)互(hu)聯互(hu)通，Google交(jiao)給其他人去(qu)考慮了(le)(le)，反(fan)正Brillo也支持6LowPan, Thread之類的(de)(de)(de)協(xie)議。如果(guo)你寫過Android HAL/Service，那么(me)開發(fa)Brillo App易如反(fan)掌，直接調(diao)用(yong)(yong)(yong)Device HAL去(qu)操作設(she)(she)備；調(diao)用(yong)(yong)(yong)WeaveAPI去(qu)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<structhw_device_t**>(&light_device));

if (ret || !light_device)

err(1, "Failed to open %s", LIGHT_ID_NOTIFICATIONS);

以(yi)上代碼(ma)調用HAL統一接(jie)口打開一個LIGHT設備，是不是很熟悉(xi)？然(ran)后起個Daemon,利用Weave API來(lai)接(jie)收從網(wang)絡上來(lai)的(de)XMPP請求，對設備進行配置或者狀態監測。在云(yun)端和(he)移動(dong)端，可(ke)以(yi)使用網(wang)頁版(ban)的(de)Weave Developers Console和(he)Weave App來(lai)控制監測設備。

Brillo可以(yi)在資源較(jiao)少(shao)的MPU上跑，35MB內(nei)存就(jiu)行(xing)，老的ARM9估計也可以(yi)。它(ta)可建立很多低成本的設備節(jie)點(dian)，用來(lai)和智(zhi)能設備、云(yun)端通訊，或者(zhe)作為PAN內(nei)設備對外的橋(qiao)梁Border router。Brillo可玩(wan)性應(ying)該很高(gao)，家里的PC機，路由器都可以(yi)拿來(lai)跑，生態系統強大。但(dan)致命缺點(dian)是，我們在天朝啊(a)，你懂(dong)得。相信國內(nei)的BAT之(zhi)類，會(hui)考慮移(yi)植，改造，變異(yi)。就(jiu)如(ru)對Android一般(ban)。

二、mbedOS

2.1 簡(jian)介(jie)

mbed是ARM自己建(jian)立的IoT解決方案(an)平(ping)臺(tai)

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(bei)ARM分成三大部分

mbed Cloud

mbed Device Connector

mbed Client

ARM居然(ran)也自(zi)己搞(gao)了個Cloud，可以通(tong)過(guo)“mbed DeviceConnector”來訪問連(lian)接到云端的設(she)備。并提供網頁版的Connector來管(guan)理設(she)備，用戶可以通(tong)過(guo)RESTful API over HTTP來寫自(zi)己的APP。

“mbed Client”的定(ding)義是這樣的：

a library that connects devices to mbedDevice Connector Service

看似比較(jiao)奇怪，其實就(jiu)是一套(tao)可(ke)以移植(zhi)到各種操(cao)作系統上的，能夠和mbed Device Connector Service通訊(xun)的，跑(pao)在硬件(jian)設備上的軟件(jian)庫。它使(shi)用基于UDP的CoAP協(xie)議來通訊(xun)，使(shi)用mbedTLS來實現連接，兼容LWM2M。

2.2 mbed Client 架構

 

說到這里，我(wo)們(men)的(de)(de)(de)主角mbedOS該登場(chang)了。ARM為了在基于(yu)ARM Cortex-M內核的(de)(de)(de)硬件平(ping)臺上實(shi)現對設(she)備(bei)(bei)的(de)(de)(de)操(cao)作，及通(tong)(tong)(tong)過(guo)Device Connector訪問云端，它(ta)必須有一套可(ke)以(yi)支(zhi)持(chi)mbedClient的(de)(de)(de)軟(ruan)件解(jie)決方案。mbedOS既是基于(yu)RTOS內核，并提(ti)供(gong)各種ARM SoC硬件平(ping)臺驅動和(he)BSP的(de)(de)(de)操(cao)作系統，在此之上，實(shi)現整個mbedClient庫。在PAN的(de)(de)(de)物聯(lian)區(qu)域(yu)內，設(she)備(bei)(bei)與設(she)備(bei)(bei)的(de)(de)(de)通(tong)(tong)(tong)訊都可(ke)以(yi)使用(yong)mbedOS提(ti)供(gong)的(de)(de)(de)方案來解(jie)決，它(ta)支(zhi)持(chi)NFC，RFID，BLE，6LowPAN甚至是Thread。在設(she)備(bei)(bei)與云端的(de)(de)(de)通(tong)(tong)(tong)訊上，mbedOS既支(zhi)持(chi)以(yi)太網，WiFi，也支(zhi)持(chi)3G。跑mbedOS的(de)(de)(de)設(she)備(bei)(bei)既可(ke)以(yi)是設(she)備(bei)(bei)節點，也可(ke)以(yi)是邊界(jie)路(lu)由器（比如(ru)6LowPAN轉(zhuan)IPv6），也可(ke)以(yi)和(he)智能(neng)設(she)備(bei)(bei)通(tong)(tong)(tong)過(guo)BLE通(tong)(tong)(tong)訊。mbed Device Connector又可(ke)以(yi)使用(yong)CoAP協議在設(she)備(bei)(bei)端和(he)云端通(tong)(tong)(tong)訊。

2.3 mbedOS對于網(wang)絡的支持可謂很強大

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(chi)

文件(jian)系(xi)統：cfstore,flash-journal等

C++的驅動接口，及驅動抽象層(ceng)HAL

幾乎所有使用ARM CortexM核的大廠硬件平臺(tai)。廣度可以，但(dan)深(shen)度有待(dai)提高(gao)

也就是說(shuo)mbed把每一類(lei)驅動(dong)(dong)都抽象成一個(ge)基類(lei)，真正(zheng)做驅動(dong)(dong)移植的(de)時(shi)候，從這個(ge)類(lei)派(pai)(pai)生出來(lai)，然后實現相(xiang)應的(de)HAL函(han)數。使得(de)用戶在實例化該驅動(dong)(dong)派(pai)(pai)生類(lei)后，能夠調用相(xiang)應的(de)類(lei)接(jie)口，從而訪(fang)問(wen)實際的(de)設備驅動(dong)(dong)程序。比如AnalogIn::read()，是返回(hui)ADC的(de)采樣結果。

2.4 mbed生態

ARM提(ti)供在(zai)線IDE，可(ke)以在(zai)線快速編譯(yi)

線下(xia)的(de)開發環境也簡單易用, mbed cli類似于android的(de)repo

github上的例子(zi)很多，參(can)考性強(qiang)

社區相對比較(jiao)活躍

合作伙伴眾多

ARM搞(gao)起了(le)云和RTOS，令人(ren)聯想(xiang)到(dao)之前的Linaro，看似(si)前景不錯。而且據(ju)說(shuo)國內(nei)的BAT也(ye)有(you)在(zai)使(shi)用(yong)mbed做產品(pin)，其實就把mbed Cloud換自己(ji)的云，改(gai)造(zao)下DeviceConnector即可。本人(ren)也(ye)正在(zai)研究(jiu)mbed，之后(hou)會寫(xie)些(xie)使(shi)用(yong)心得。

三、RIOT

//github.com/RIOT-OS/RIOT

3.1 簡(jian)介

The friendly Operating System for theInternet of Things

RIOT官(guan)方的(de)口號(hao):)

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

RIOT是面(mian)向開發(fa)者的(de)，開源的(de)，適合(he)物聯(lian)網(wang)的(de)操作系(xi)統。它的(de)背后沒有某(mou)個(ge)公司的(de)支持(chi)，而(er)是由(you)社區(qu)驅(qu)動。

他的一(yi)些特性：

標準的C/C++編(bian)程(cheng)

標(biao)準(zhun)的gcc編(bian)譯環(huan)境

可以跑在8位，16位和32位的(de)嵌入式(shi)系統上

部分的(de)POSIX接口(kou)兼容（以(yi)后(hou)的(de)目標是全(quan)兼容）

支持在Linux/Unix的虛擬機上運行

實時性，快速(su)的中斷(duan)響(xiang)應（~50 clockcycles）

微內(nei)核，組件都可以動態(tai)加(jia)載，并(bing)且通過message來(lai)實現服(fu)務

極小(xiao)開(kai)銷的多線程支持（< 25 bytesper thread）

豐富的(de)網絡支持：6LoWPAN，IPv6，RPL，CoAP and CBOR

高精度(du)的定(ding)時器(qi)

豐富的工具(ju) （System shell, SHA-256, Bloom filters, …）

3.2 RIOT 架構框(kuang)圖

 

RIOT的(de)(de)(de)(de)(de)CPU的(de)(de)(de)(de)(de)IP驅(qu)動基本都(dou)有(you)(you)一(yi)套統一(yi)接(jie)(jie)口，但是沒(mei)有(you)(you)抽(chou)象層，被放(fang)在源(yuan)代(dai)碼的(de)(de)(de)(de)(de)cpu\periph中(zhong)。這(zhe)意味著(zhu)在做新的(de)(de)(de)(de)(de)平臺支持時，你要注意驅(qu)動的(de)(de)(de)(de)(de)接(jie)(jie)口要和API文(wen)檔里的(de)(de)(de)(de)(de)一(yi)致(zhi)，比(bi)如ADC的(de)(de)(de)(de)(de)adc_init(), adc_read()。源(yuan)代(dai)碼的(de)(de)(de)(de)(de)drivers則放(fang)著(zhu)板級的(de)(de)(de)(de)(de)驅(qu)動，比(bi)如NXP的(de)(de)(de)(de)(de)MMA8541，利用i2c統一(yi)接(jie)(jie)口來(lai)訪問。

由(you)于是微內核(he)（microkernel）的(de)(de)(de)(de)(de)實現，所有(you)的(de)(de)(de)(de)(de)系統服(fu)務(wu)包括(kuo)時鐘、網(wang)絡協議棧(zhan)、網(wang)絡服(fu)務(wu)等，都是通(tong)過(guo)創建(jian)獨立的(de)(de)(de)(de)(de)線程(cheng)來(lai)實現。在線程(cheng)中(zhong)都有(you)event_loop來(lai)接(jie)收服(fu)務(wu)請(qing)求，處理并(bing)發(fa)送服(fu)務(wu)結果。RIOT中(zhong)最關(guan)鍵的(de)(de)(de)(de)(de)是GNRC（Generic network stack）網(wang)絡協議棧(zhan)，它實現了(le)從(cong)MAC層(ceng)(ceng)(ceng)一直(zhi)到(dao)(dao)傳輸層(ceng)(ceng)(ceng)的(de)(de)(de)(de)(de)各種(zhong)協議，如6LowPan，IPv4/v6，RPL，TCP/UDP。并(bing)且這(zhe)(zhe)(zhe)些不同(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)協議棧(zhan)之間通(tong)過(guo)netapi統一接(jie)口開放給用(yong)(yong)戶(hu)。對于應用(yong)(yong)層(ceng)(ceng)(ceng)來(lai)說，GNRC提供(gong)了(le)conn和socket兩種(zhong)API。在方面，貌似802.15.4這(zhe)(zhe)(zhe)層(ceng)(ceng)(ceng)沒(mei)有(you)加(jia)入AES的(de)(de)(de)(de)(de)支(zhi)持(chi)，只提供(gong)tinyDTLS在應用(yong)(yong)層(ceng)(ceng)(ceng)給用(yong)(yong)戶(hu)使用(yong)(yong)。由(you)于RIOT的(de)(de)(de)(de)(de)POSIX的(de)(de)(de)(de)(de)部分兼容性(xing)，及提供(gong)BSD socket的(de)(de)(de)(de)(de)接(jie)口，很多應用(yong)(yong)都可以方便的(de)(de)(de)(de)(de)移植過(guo)來(lai)，在pkg/你能找到(dao)(dao)例(li)如libcoap，openwsn這(zhe)(zhe)(zhe)樣的(de)(de)(de)(de)(de)應用(yong)(yong)。

RIOT最早(zao)是由(you)柏林(lin)自由(you)大學(xue)(xue)開發的，目前由(you)社區維護(hu)，貌似(si)歐洲開發者居多。從devel maillist里來看，感覺社區活躍(yue)程(cheng)度一(yi)般。每兩(liang)周都有一(yi)個Virtual meeting，都還是大學(xue)(xue)在牽頭(tou)。

總之，一個很有想法的(de)微內核，加上開發環境(jing)相對于之前熟悉(xi)Linux的(de)開發者(zhe)來講很友好。應該是(shi)個潛(qian)力股。

四、Contiki

//www.contiki-os.org/

4.1 簡介

以下是(shi)維基百科對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(chu)來，原來Contiki是(shi)為智(zhi)能(neng)城市而誕生(sheng)的(de)(de)。支(zhi)(zhi)持(chi)的(de)(de)平(ping)臺(tai)有限，基本是(shi)內(nei)部集成CC24xx/25xx，MC1322x之類Radio的(de)(de)SensorTag平(ping)臺(tai)，或者一個(ge)很小(xiao)(xiao)的(de)(de)MCU加(jia)上這(zhe)些(xie)Radio模塊的(de)(de)平(ping)臺(tai)。從它所支(zhi)(zhi)持(chi)的(de)(de)平(ping)臺(tai)也能(neng)看出(chu)，Contiki更加(jia)專注于(yu)小(xiao)(xiao)型傳感(gan)器節點(dian)。它更與PAN內(nei)的(de)(de)節點(dian)通訊(xun)，當然他也有傳統的(de)(de)IPv4/v6，TCP/UDP支(zhi)(zhi)持(chi)，使得利(li)用CoAP可以用來和云端(duan)通訊(xun)。

4.2 Contiki的特性(xing)：

完整的(de)網絡支持(chi)，HTTP，UDP/TCP，以及低(di)功耗(hao)協議(yi)6lowpan，RPL和CoAP。整個(ge)IPv6協議(yi)棧都是有思科貢獻

專門(men)為(wei)小(xiao)內(nei)存設(she)備設(she)計(ji)的內(nei)存管理器

小(xiao)巧(qiao)的估算(suan)功耗的工(gong)具

豐富的實例(li)

支持(chi)外部Flash的(de)Coffee flash文(wen)件系統

Protothreads，事(shi)件驅動及(ji)多(duo)線程的編(bian)程模型(xing)

Cooja網(wang)絡模擬(ni)器

Rime協(xie)議棧，比IPv6更輕(qing)量級(ji)的網(wang)絡層(ceng)

Contiki也是個(ge)微內核（microkernel），所有(you)的系統服(fu)務都是通過啟線程(cheng)完成，Protothreads線程(cheng)整(zheng)合(he)了線程(cheng)間事件(jian)通訊，使(shi)得編寫(xie)系統服(fu)務非常容易。驅動程(cheng)序(xu)方面，Contiki沒有(you)統一的驅動程(cheng)序(xu)框架(jia)，驅動都是各家MCU自帶開發包提供，這樣(yang)的好處是能(neng)夠保證生(sheng)成的二進制代碼(ma)夠小。

Contiki有(you)個很(hen)(hen)有(you)特色的模擬器，Cooja Network Simulator，可(ke)(ke)以(yi)運行很(hen)(hen)多例子，并且可(ke)(ke)以(yi)監控整個網絡的包(bao)及(ji)節點狀(zhuang)態。這樣可(ke)(ke)以(yi)讓用戶在沒有(you)充足硬件(jian)設備的條件(jian)下做開發。

Contiki社(she)區(qu)基本依靠maillist討(tao)論問題，github做pull request。從maillistarchive里看，社(she)區(qu)活(huo)躍程度很一般。

五、Zephyr

//www.zephyrproject.org/

Zephyr居然是(shi)Linux基金(jin)會(hui)的合作項目。應該是(shi)由INTEL將WindRiver的商用操(cao)作系統WindRiverRocket部分(fen)開源后誕生的項目（今年才誕生）。目前(qian)可(ke)用資料不多(duo)，而且支持(chi)的硬件平(ping)臺較少，ARM的平(ping)臺就沒幾個。

Zephyr像極了Linux，它(ta)的(de)(de)源代(dai)碼目錄結構Kconfig使用(yong)(yong)方(fang)式，啟動(dong)流程(cheng)，Driver  Model都(dou)可以看出(chu)來。用(yong)(yong)戶的(de)(de)應用(yong)(yong)程(cheng)序是啟動(dong)后創建的(de)(de)一個線程(cheng)，用(yong)(yong)戶的(de)(de)main()會(hui)在所有的(de)(de)驅動(dong)，組件及硬件板子初始化(hua)后被調用(yong)(yong)，驅動(dong)使用(yong)(yong)DEVICE_INIT()，組件使用(yong)(yong)SYS_INIT()初始化(hua)，并帶有優先等級。驅動(dong)都(dou)會(hui)遵(zun)循統一的(de)(de)驅動(dong)結構：

struct device {

struct device_config *config;

const void *driver_api;

void *driver_data;

};

所(suo)以(yi)驅動(dong)(dong)要自己定義一(yi)個配(pei)置(zhi)結構(gou)，一(yi)套(tao)API的函數指針，以(yi)及驅動(dong)(dong)狀態(tai)結構(gou)。和Linux很像(xiang)。

網絡支持很奇葩，協(xie)議棧(zhan)居然都是用的(de)Contiki的(de)，Bluetooth還(huan)算比較全。子系(xi)(xi)統方面，文件(jian)系(xi)(xi)統、USB都是很簡(jian)單，很原(yuan)始的(de)支持。mbedTLS和(he)tinyDTLS被(bei)拿了過來。

總(zong)體來(lai)講，Zephyr還處于(yu)初期，很多東西都(dou)不(bu)完善。Owner又是(shi)Intel，希望別重蹈Moblin的覆轍。

六(liu)、Nuttx

//www.nuttx.org/

Nuttx,實時操作系(xi)統(tong)，POSIX接口支持，Loadable內(nei)核模塊(kuai)支持，BSD socket，MMU支持，等等。我(wo)只能(neng)說，長的太像Linux了。Build也(ye)是Kconfig，目錄(lu)結構也(ye)基本和LinuxKernel一樣。

ARM的核(he)基本(ben)都(dou)支持

文(wen)件系統也是VFS支撐(cheng)，大(da)而全。網絡的，NAND MTD的，pseudo都支持

自己(ji)的Clib,也可以(yi)支持uCLib

網(wang)絡(luo)協(xie)議棧，但是沒有wireless！

有(you)自己的USB協議棧

 我一開(kai)始沒打算(suan)談Nuttx，他的無(wu)線(xian)支持很差，就更別談無(wu)線(xian)互(hu)聯了。但是BAT居然有(you)人用它做云OS。估計(ji)(ji)是團隊實在太熟(shu)悉Linux了，跑不了Linux也(ye)要找個(ge)類似(si)的開(kai)發環境(jing)。有(you)了BAT的支持，Nuttx估計(ji)(ji)可以發達(da)了。

七(qi)、大比拼

這(zhe)里用一(yi)張比(bi)較簡單的表來(lai)對比(bi)這(zhe)些操作系統和生態 

 

除了(le)Brillo以外，其(qi)他都(dou)是RTOS有很(hen)小的(de)內核。程序所占的(de)內存和代碼大小取決你需要的(de)硬件(jian)平臺的(de)驅動多(duo)少，需要什么樣的(de)協議棧等(deng)等(deng)的(de)功(gong)能。

八、結尾

最近行(xing)業趨勢有所(suo)變化(hua)，除了互(hu)(hu)聯網依(yi)然火熱(re)外(wai)，大家的(de)(de)焦點無(wu)疑都(dou)從手機投向了汽車、工業、物(wu)聯網。大家都(dou)希望能(neng)夠使用物(wu)聯網和互(hu)(hu)聯網將傳統行(xing)業中的(de)(de)產品實現互(hu)(hu)聯互(hu)(hu)通，實現信息(xi)共(gong)享、提高生活、生產效率和質量。我們所(suo)工作(zuo)在的(de)(de)半(ban)導體行(xing)業中，除了給市場提供更(geng)符(fu)合需求的(de)(de)處理(li)器(qi)以外(wai)，我們還需要(yao)(yao)提供基(ji)(ji)于自己處理(li)器(qi)的(de)(de)軟硬件解決方案。操作(zuo)系統作(zuo)為應用的(de)(de)基(ji)(ji)礎、基(ji)(ji)石，顯(xian)得非常(chang)的(de)(de)重(zhong)要(yao)(yao)。本文只是粗(cu)劣的(de)(de)介紹(shao)和對(dui)比了這些(xie)物(wu)聯網的(de)(de)操作(zuo)系統，希望能(neng)對(dui)讀者有所(suo)幫助。