实时操作系统(RTOS)是专用于对时间精确度敏感的操作系统。典型的情况是,这种应用需要从传感器收集数据、做出分析并对关键性设备进行控制,例如飞机、列车、手术刀。这类控制必须精准,不容许出现丝毫差错。这与通用操作系统(General Purpose Operating Systems, GPOS形成对比。

典型的通用操作系统,例如Android、Linux或者Windows,其设计目标是以复杂的调度规则来管理多种多样的处理器、GUI和外设功能,最高原则就是让系统中的各个功能部件都保持均衡运转的状态,并且通过用户界面与使用人员保持互动。值得注意的是,使用人员的反应速度如果能够快于1秒,就已经是非常难得了,而RTOS通常是要对传感器和设备进行互动,其反应速度达到毫微秒是司空见惯的。

由此可见,RTOS与GPOS的应用要求截然不同,所以设计准则也就不同,前者用于进行速度极快的实时数据处理,后者用于一般的计算系统管理,而且常常涉及与人的交互,反应速度不会有太严苛的要求。

RTOS的基本特征

由于实时数据处理与设备控制的特殊要求,RTOS通常应该具备以下几个特征:

vxworks high determination

高度确定性:在一个操作系统中,确定性意味着某个动作必须保证在确定的时间做出,既不能出错,也不能太早或者太晚,必须在一个非常窄的时间范围内完成。例如,必须在某个特定的时间从某个传感器取得数据,或者必须及时控制某个部件做出某个动作。例如,用来控制一台机器的操作系统,如果它的确定性不够好,即便是可以勉强运转起来,也会出现很大的噪音或者抖动,而且很容易崩溃。

vxworks Low Latency

低延迟性:在关键性和高安全性的应用中,低延迟性通常是一项必须的要求。例如,一部行进中的汽车,当其中安装的传感器探测到路上有一个障碍物,那么从获得这个探测结果的那一瞬间开始,到处理器向自动刹车控制器发出指令,两者之间的延迟是否够低,就决定着这部车能否被安全地停下来,否则就会发生一场车祸。

vxworks multiply tasks

多任务的同步:在计算机系统中执行多任务,这是十分常见的。每一个任务何时执行、何时挂起暂停,都是由操作系统来控制的。在RTOS之中管理着很多个传感器和控制信号,为了确保系统正常运行,必须做到任务之间的同步。同时,还必须对所有的非正常情况做出适当的响应。例如,飞机两个机翼的动作必须保持同步,否则很可能会导致空难。而GPOS中通常是各个任务各自执行,对此要求就没有那么严苛。就好比两个人同时在电商网站购物,只要不是在双十一大抢购,谁先买到都可以。

RTOS的王者——VxWorks

在工业控制系统、医疗、军工、汽车、通信、轨道交通等领域,高确定性、低延迟性、多任务同步等特性都是必备的。如同我们常见的电脑中普遍都使用微软公司的Windows,在常见的手机里都使用谷歌公司的Android,在上述这些关键性应用中都使用风河公司的VxWorks。

为了支持有效且高确定性的操作,VxWorks允许开发者对OS底层进行访问,这是一项非常关键的能力。这样,开发者就可以定义调度优先级、任务延迟时间、内存分配以及其他参数,以便满足应用对于特定场景的需求。而GPOS是不会允许开发者拥有这种权限的。

一种工具,一项技术,能不能安心地使用?要解答这个疑惑,有两种好方法:

第一,看它经历了多少考验。VxWorks做为嵌入式设备与系统领先的RTOS已经超过30年了,目前全世界有超过20亿部的设备都以它为基础运行着。经过多年积累,VxWorks的功能已经十分丰富,支持着无数企业继续部署着创新产品,同时帮助他们降低成本,加快产品升级速度。

第二,看它是否容易获得认证。VxWorks 653和VxWorks Cert Platforms已经在应用中获得验证,不仅可以满足最具挑战性的安全性要求,而且可以帮助企业用户以最便捷、高效的方式获得最严苛的安全性认证要求,包括EN 50128、IEC 61508、RTCA DO-178C、EUROCAE ED-12C等行业标准,覆盖了航空、国防、工业自动化、交通等许多行业。

vxworks industry

为了适应迅速蔓延的物联网需求,风河公司不断创新,让VxWorks具备新的能力,例如优异的虚拟化、确有保证的安全性、高度的可扩展性、丰富的互联性以及图形支持能力。同时,业界领先的硬件厂商大多数都已加入风河公司的合作伙伴生态系统,支持各种处理器的VxWorks BSP(板级支持包)在市场上已经十分普及。

回顾历史,以VxWorks 653为例,它已经被用于80多个型号的民用和军用航空器之中,涉及到200多家企业的400多个工程项目,其中就包括我们都熟悉的波音787梦幻客机,空客A400M以及Northrop Grumman的UH-60V 黑鹰直升机。展望未来,VxWorks旨在成为物联网时代的操作系统。

中国的物联网(IoT)市场增长速度很快。据IoT中间件、平台、应用与服务咨询公司MachNation预测,从2017到2021年的五年间,中国将保持年均36.5%的增幅。2017年预计市场规模达5440亿美元,2022年将达2.581亿美元。

IoT for Asia Pacific

图:中国IoT年均增长率最高

传统制造商在转型,例如从生产商变成服务商;而一些由IT厂商也进入IoT领域,这催生了设备管理市场的繁荣。据风河等公司统计,智能零售、智能制造、智能电网、物流、健康等领域的设备管理市场会有35%的年增长率。

China IoT

图:中国IoT设备管理市场

那么设备管理市场特指哪些服务?如何部署实施?近日在京举行的“风河2017开发者大会”期间,风河Helix Cloud事业部战略与运营高级总监Victor M. Abelairas分享了其看法和经验。

Victor

何谓“全生命周期管理”

提到设备管理,就要了解全生命周期管理(Device Lifecycle Management,DLM)。MachNation的定义是有能力完成设备和网关管理相关的常见的操作任务。它是执行设备中常见任务或网关管理的能力体现。

DLM非常重要。对于系统集成商而言,DLM可以帮助其解决方案有更高水准的安全性;对于企业用户,DLM可以提升企业设备运营的效率、降低成本。

那么,一个行之有效的DLM解决方案所需要的关键特征是什么呢?主要有五点:1.支持最初设备的交付与部署;2.能够通过软件实现部署和配置功能;3.当设备出现预警或问题时,DLM可以进行快速诊断和处理;4.具备远程更新设备的能力;5.当设备停运时有可视化界面帮助拆解设备。如下图。

Device Cloud

图:IoT 设备的全生命周期管理(DLM)。

注:以风河的Device Cloud保障功能为例

DLM应该何时开始部署?

实际上,应该在开发阶段就要考虑DLM。当然并不是指所有设备都是全新的设备,一些原有设备可以做一些改造,例如网关。有些设备可以考虑在出货之前就把全生命周期管理(DLM)内置到设备中。

当然,在开发阶段不必也不可能面面俱到地考虑到设备未来应用的所有场景,但是一旦有了DLM平台,可以具备一些特定的基础的能力,这是在开发时需要考虑的。

由此可见,设备全生命周期的管理是贯穿设备应用的事前、事中和事后的。在未来设备应用场景中,DLM提供的是一种基础能力。

那么,哪些因素在开发阶段就应该考虑,哪些因素可以在应用过程中改造或内置呢? Victor通过列举了一些风河公司DLM解决方案的实际应用案例给出了答案。

DLM的应用案例

*电力行业。欧洲某电厂希望通过物联网提供增值服务,这样电厂可以了解消费者用了多少电、及是怎样用电的。例如夏天白天大家都开空调,用电负荷高,

电厂通过调整电价,鼓励消费者在夜间电价较低时段进行洗衣等对时间不太敏感的家务。

*智能洗衣的下一步希望可以自动添加洗衣粉,因此要知道用多少洗衣粉,但问题来了,每种品牌的洗衣粉用量不同,而且不同衣服要不同洗衣粉量,水量和水温也影响洗衣粉量,因此做智能家电服务的企业可以设定不同品牌洗衣粉和不同洗衣机的关系,这需要洗衣机和洗衣粉厂商都联网。

*第三个案例是风河与博世合作做气候优化的案例,空气监测版本可以根据各地的气候配置。风河的设备配置优化管理可以为此保驾护航。

*第四个案例是某医疗设备消毒控制的公司,主要做设备清洁。所以要考虑消毒过程中人为错误的因素,例如忘记消毒。设备制造商通常要在一定周期内更新,过去是用U盘,去现场一个个更新,通常4-6个月更新一轮,现在需要4周就可全部更新完。因此现在的新设备需要出厂时就有更新能力。

*第五个案例是消防车的水泵,水和泡沫的混合体,不同火灾的混合体配比不同,例如油锅着火不能用水扑灭。但黑客有可能篡改这种配比软件,因此我们要做实时更新。

由上可见,由于客户用不同的平台、不同的物联网,但通过DLM可以全部搞定,前提是要理解客户的应用,帮助客户制定良好的方案。

风河的DLM方案:Device Cloud

在设备整个管理周期中,安全是最特殊的一环,它不仅仅是贯穿整个周期,更重要的是,必须在最初的开发环节就被考虑到。风河DLM解决方案中,重点关注用户信息安全的完整性、保密性与可用性。风河通过加密、身份认证、完整验证、登录权限划分等多重技术手段实现设备全程的安全防护。

Device Security

图:全面的设备安全需要考虑四方面

此外,风河的DLM可以同时管理几百万台设备,更符合物联网时代需求。

再有,风河DLM更加灵活,不仅支持公有云、私有云,也可以支持混合云。

最后是风河在操作系统、工控市场的多年积累,使风河的软件产品更加成熟可靠。

Device Cloud

图:风河的Device Cloud是设备数据连接与企业IT之间的桥梁