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物联网系统架构

物联网系统架构 ?   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…

物联网系统架构

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  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:

本文引用地址℉:http:?//www.eepw.com.cn/article/2017♂10/368554.htm

  物联网操作系统与传统的个人计算机操作m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2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μ。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?、F?lash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o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:

  1、支持操作㎞系统核心、设备?驱动程序或应用程序等的远程升级。远程升级是物联网操作系??统的最基本特征,这个特㎝性可大大降低维护成本。远程升级完成后,原有的设备配置和数据能够得以继续使﹣用。即使在升级失败的情∈况下,操作系统也应该能够恢复原有的运行状态。远程升?级和维护是支持物联网操作系统大规模部署的主要措施之一=;

  2、支持常用的文件系统和外部?存储。比如支持FAT3?2/NTFS∨/DCFS等文件系统,支持硬盘、USB stick、Flash、ROM等常用?存储设备。在m网络连接中?断的情况下,外部存储功能会发挥重要作用。比如可@以临时存?储采集到的数据,再×网络恢复后再上传到数据?中心。〒但文件系统和存储驱动的代码,要与操作系统核心代码有效分离,能够做到非常容易的裁剪;

  3、支持远程配置、远程诊断、?远程管理等??维护功能。这里?不仅仅包涵常见的远程操作特性,比如远程修改设备参数、远程查看∏运行信息等。还?应该包涵更深层面的远程操作,比如可以远程查看操作系统内核的状态,远程调试线程或任务,异常时的远程dump内核状态等功能。这些功ml能不仅仅需要外围应用的支持+,更需∮要内¤核的天然支持;

  4、 支持完善的网络功能。物联网操作系≒统必须支持完善的TCP/IP协议栈,包括对IPv4和IPv6的同时支持。这个协议栈要具备灵活的伸缩性,以适应裁剪需要?。比如可以通过裁剪,使得协议栈只支持IP/UDP等协议功能,以?降低代码尺寸。同时也支持丰富的IP协议族,比如Telnet/FTP/IP±Sec/S㎎?CTP等协议,以适用智能终端和高安全可靠的应用场合;

  5、对?物联网常用的?无线通信功能?要内置支持。比如支持G?PR﹢S/3G/HSPA/4G等公共网络的无线通信功能,同时要支持Zigbee/NFC/RFID等近场通信功能,支持WLAN/Ethernet等桌面网络≠接口功能。这些不同的协议之间,要能够相互转换,能够把从一种协议获取㎏到的数据报文,转换成为另外一种协议的报文发送出去。除?此之外,还应支持短信息的接收和发送、语音通信、视频通信等功能;

  6、内置支持XML文件解析⊕功能。物联网时代,不1同行业之间,甚至相同行业的不同领域之间,会存在严重的信息共享壁垒。而XM﹢L格式的数据共享可以3打∫破这个壁垒,因此″XML标准在物联网领域会得到更广泛的应用。物联网操作系统要内置对XML解析的支持,所有操作系统?的配置数据♀,统一用XML格式进行存储。同时也可对行业自行定义的XM∷L?格式进¥行解析,以完成行业转换功能;

  7、支持完善的GUI功能。图形用户界面一般应用于物联网的智能终端中,完成用户和设备的交互?。GUI应物联网系统架构该定义?一个完整÷的框架,以£方便图形功能的扩展。同时应该实现常用的用户界面元素,比如文本框、按钮、列表等。另外,GUI模块应该与操作系统核心分离?,最好支持?二进制的动态加载功能,即-操作系统核心根据应用程序需要,动态加载或卸载GUI模块。?GUI模块的效率要足﹤够高,从用户输入确认,到具体的动作开始执行之间的?时3间(可以叫做click-launch时间)要足够短,不能出现?用户点击了确定、但任务的执行却等待很长时间的情况;

 ? 8、支持从外部存储介∷质中动态加载应用程序。物联网操作系统应提供一组API,?供不同应用程序调用?,而且这一组 API应该根据操作系统所加载的外围模℅块实时变化。比如在加载了GUI模块的情况下,需要提供GUI操作的系统调用,但是在没有∟GUI模块的情况下,就不应该提供GUI功能调用。同时操作系统、G?UI等外围模块、应用程序模块应该二进制分离,操作系统能够动态的从外部存储介质上按需加∪载应用程序。这样的一种结构,就mol使得整个操作系统具备强大的扩展能力。操作系统≥内核和外围模块(GUI、网络等)提供基础支持,而各种各样的行业应用,通过应用程序来实现。最后在软件发布的时候,只发布操作系统内核、所需的外围模块、应用?程序模块即可。

  物联网操作系统集成开发环境的特点

  ∝集≤成开发环境是构筑行业应用的关键工?具,物联网操作系?统必须提供方便灵活的开发工具,?以开发出适合行业应用的应用程序。开?发环境必须足够成熟并得到广泛适用,以降低应用程序的上市时间(GTMT)。集成开发环境必须$具备如下特点:

?  1、 物联网操作系统要提供丰富灵活的API,供程序员调用,这组API应该能够支持多种语言,比如既支持C/C++,也支持Java、Basic等程序设计?语言;

  2、 最好充?分利用已有的集成开发环境。比如可以利用Eclipse、Visua??l Studio?等集成开发环境,这些集成开发?工%具具备广泛的应用基础,可以在Internet上直接获得良好的技?术支持;

  3、 除配套的集成开发?环境外,还应定义和实现一种紧凑的应用程?序格式(类似Wi⊥nd′ows的PE格式),以适用物联网的特殊需要。通㈱过对集成开发环境进行定制,使得·集成开发环境生成的代码,≯可以遵循这种格式;

>  4、 要提供一组工具,方便应用程序的∶开发和调试。?比如提供应用程序下?载工具、远程调试工具等,支撑整个开发过程。

  ℡可以看出,上述物联网﹣操作系统内?核、?外?围模块、应用开发环境等,都是支撑平台,支撑更上一层%的行业应用。行业应用才*是最终㎜产生生产力的软件,但是物联网操作系统是行业应用得以茁£壮生?长和长期有效生存的基础,只有具备了强大灵活的物联网操作系统,物联网这棵大树才能结出丰硕的果实。

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作者: mgnqyz

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