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65eb00e971
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@ -4,7 +4,7 @@
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XiUOS (X Industry Ubiquitous Operating System) 未名工业物联操作系统是一款面向工业物联场景的泛在操作系统, 来自[未名泛在操作系统研究计划](/about/xuos)。所谓泛在操作系统(UOS: Ubiquitous Operating Systems), 是支持互联网时代人机物融合泛在计算应用模式的新型操作系统, 是传统操作系统概念的泛化与延伸。不同的泛在计算设备和泛在应用场景需要构建不同的UOS, XiUOS即是面向工业物联场景的一种UOS, 主要由一个极简的微型实时操作系统(RTOS)内核和其上的智能工业物联框架构成, 支持工业物联网(IIoT: Industrial Internet of Things)应用。
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XiUOS诞生于浙江省北京大学信息技术高等研究院, 其研发获得了杭州市萧山区政府的大力支持。萧山是浙江乃至中国的制造业重镇, 工业基础雄厚, 正在谋求传统制造业数字化转型升级、实现新旧动能转换, 寻求工业互联网和物联网等信息技术的助力。XiUOS未名工业物联操作系统正是在这样的背景下应运而生, 希望以研发的工业物联网软硬件系统为助力, 促进先进计算技术和工业场景的深度融合, 助推工业企业的智造升级, 是应用产业需求和学术研究计划结合的产物。
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XiUOS诞生于浙江省北京大学信息技术高等研究院, 其研发获得了杭州市萧山区政府的大力支持。萧山是浙江乃至中国的制造业重镇, 工业基础雄厚, 正在谋求传统制造业数字化转型升级、实现新旧动能转换, 寻求工业互联网和物联网等信息技术的助力。XiUOS未名工业物联操作系统正是在这样的背景下应运而生, 希望通过研发的工业物联网软硬件系统为助力, 促进先进计算技术和工业场景的深度融合, 助推工业企业的数字化转型, 是产业应用需求和学术研究计划结合的产物。
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## 定位
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@ -13,7 +13,7 @@ XiUOS是一种工业物联网操作系统, 目标是通过工业物联网的部
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- 感: 复杂多样的工业生产实体智能地识别、感知和采集生产相关数据;
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- 联: 工业数据在互联互通的网络上进行传输和汇聚;
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- 知: 对这些网络化的工业大数据形成快速处理和实效分析;
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- 控: 将数据分析所得到的信息形成开放式服务，从而反馈到工业生产。
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- 控: 将数据分析所得到的信息反馈到工业生产中, 对生产活动进行改善。
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其中,**感** 和 **联** 主要在物联网节点级设备、传感器等设备上实现, **知**
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和 **控** 主要在边缘计算设备和数据中心设备上实现。面向物联网节点级设备的
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@ -26,27 +26,17 @@ XiUOS是一种工业物联网操作系统, 目标是通过工业物联网的部
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目前市面上已有非常多成功的物联网操作系统, 如国外的[FreeRTOS](https://freertos.org), [Zephyr](https://www.zephyrproject.org), [RIOT](http://www.riot-os.org), [µC/OS](https://www.micrium.com/rtos), 国内的[RT-Thread](https://www.rt-thread.org), [LiteOS](https://www.huawei.com/minisite/liteos), [AliOS Things](http://www.alios.cn/things)等, 这些系统多是从实时嵌入式系统(RTOS: Real time OS)发展而来, 通常具有非常小巧的实时内核, 多运行在资源受限的微控制单元(MCU: Microcontroller Unit)/单片机上, 对低功耗有较高要求, 常见的处理器为ARM Cortex-M系列。
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为什么已有这么多操作系统可供选择, 我们仍然要开发XiUOS这一新的操作系统？
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XiUOS和现有大多数的物联网OS关注点并不相同, 具有自己的特色:
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答案是因为定位不同, 所以特色不同。XiUOS和现有大多数的物联网OS关注点并不相同。
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- 现有OS多关注单个物联网节点设备, XiUOS更关注由多节点设备组成的网络化集群；
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- 现有OS多关注单个物联网节点设备; XiUOS更关注由多节点设备组成的网络化集群, 强调对大规模部署和管理运维的支持；
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- 现有OS多关注OS的基础功能, 如基本网络连接, 传感器接入等; XiUOS更关注基础功能之上的高级业务功能, 如将智能化下沉到节点端的智能化感知功能, 智能无线自助网络功能等；
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- 现有OS力图做多领域通用OS, XiUOS更关注工业物联领域, 对复杂工业环境的"感联知控"支持更为专精；
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- 现有OS对大规模部署和管理运维的支持有限, XiUOS强调对大规模部署和管理运维的支持；
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- 现有OS的生态是封闭、碎片化和彼此割裂的, XiUOS更关注开放的生态, 强调对标准规范的支持, 依托现有的各开源生态体系, 而非再建另一个封闭的生态体系。
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- 现有OS力图做多领域通用OS; XiUOS更关注工业物联领域, 对复杂工业环境的"感联知控"支持更为专精；
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- 现有OS的生态是相对封闭和独立的; XiUOS更关注生态的开放性, 强调对标准规范的支持, 依托现有的各开源生态体系, 而非再建另一个封闭的生态体系。
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目前市场上的物联网的硬件呈现严重的碎片化状态，提高了应用的复杂度和技术壁垒。现有的物联网硬件生态特征在于：(1) ARM在物联网领域占市场统治地位，但随着其被英伟达收购程序的推进，存在的知识产权问题和价格垄断问题越来越突出。此外，ARM指令集还存在单一固定、不可定制等问题；(2) 工业物联网对“联”的需求呈现多样化、层次化、立体化的特点，工业生产的物理环境也是极其复杂多变，但现有的硬件系统在物理介质上仅仅支持一到两种“联”；(3) 工业物联网应用本身对外设种类的要求也是丰富多变，但现有的硬件系统挂载多种外设的能力有限；(4) 现有的物联网操作系统支持的硬件系统多以开发板评估板的形态出现，这种硬件系统由于承载强度、温湿度限制，外壳保护等原因很难直接应用于实际工业生产环境，仅适用于实验室评估的验证系统。
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XiUOS是软硬件协同的物联网解决方案，其自研硬件系统的优势在于：
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- XiUOS的硬件系统支持RISC-V和ARM两种体系结构，强调RISC-V和ARM在工业应用中的共生共赢，又注重突出各自特点；
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- XiUOS的硬件系统在同一物理实体终端上同时支持 4G、NB-IoT、WiFi、ZigBee、LoRA、BlueTooth、Ethernet，在硬件上天然地使得现有应用能够方便、快捷地“联”结各种网络；
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- XiUOS的硬件系统在同一物理实体终端上同时支持 SPI、IIC、UART、CAN、RS485、RS232、USB、SDIO等总线接口，在硬件上天然地满足工业物联网对外设多样性的需求；
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- XiUOS的硬件系统能够直接部署于工业生产环境中，而非验证性的开发板评估板。
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此外, XiUOS是软硬件协同的物联网解决方案, 提供自研的有特色的硬件系统, 支持ARM和RISC-V两种体系结构的处理器, 在同一物理终端上同时支持多种通信方式和多种总线接口, 可直接部署于工业生产环境, 使得工业物联网用户不必关心底层各类硬件的实施细节，从而更加专注于应用逻辑本身的效能。
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XiUOS硬件系统中的处理器、通信器、传感器、控制器采用解耦的模块化设计，利于XiUOS操作系统方便地通过软件定义的方式屏蔽各种硬件外设的差异，使得工业物联网用户不必关心底层硬件的实施细节，从而更加专注于应用逻辑本身的效能。
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简而言之, 现有物联网OS主要关注的是做优秀的单节点OS, XiUOS是在现有单节点OS的基础上构建面向多节点的网络化智能物联软件栈, 为工业物联网领域应用开发、系统部署、管理运维提供友好方案, 因此现有物联网OS和XiUOS一个在下层一个在上层, 功能是互补的而非竞争的, 如Linux之于Android。
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简而言之, 现有物联网OS主要关注的是做优秀的单节点OS, XiUOS是在现有单节点OS的基础上构建面向多节点的网络化智能物联软件栈, 为工业物联网领域应用开发、系统部署、管理运维提供友好方案, 因此现有物联网OS和XiUOS功能是主要是互补的而非竞争的, 如Linux之于Android。
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## 设计
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@ -72,7 +62,7 @@ XiUOS的体系结构如下图所示，主要包括硬件层、系统层、框架
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硬件层主要是XiUOS支持的处理器、感知器件和通信器件, 以及工业领域的可编程逻辑控制器PLC。
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- 处理器: 支持ARM Cortex-M系列, RISC-V, 以及FPGA。
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- 处理器: 支持ARM Cortex-M系列和RISC-V架构的处理器, 以及FPGA芯片。
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- 通信器: 支持5G/4G/WIFI/BT/NBIoT/LoRa等的网络通信器件。
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@ -80,15 +70,24 @@ XiUOS的体系结构如下图所示，主要包括硬件层、系统层、框架
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- 控制器: 主要PLC厂商如西门子、施耐德、欧姆龙、三菱、台达等的PLC系统, XiUOS可从PLC中获取工业生产相关数据。
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自主研发的感知器介绍。
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自主研发的硬件系统对处理器、通信器、感知器提供综合支持, 具有如下特点:
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- XiUOS的硬件系统支持RISC-V和ARM两种体系结构，强调RISC-V和ARM在工业应用中的共生共赢，又注重突出各自特点；
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- XiUOS的硬件系统在同一物理实体终端上同时支持 4G、NB-IoT、WiFi、ZigBee、LoRA、BlueTooth、Ethernet，在硬件上天然地使得现有应用能够方便、快捷地“联”结各种网络；
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- XiUOS的硬件系统在同一物理实体终端上同时支持 SPI、IIC、UART、CAN、RS485、RS232、USB、SDIO等总线接口，在硬件上天然地满足工业物联网对外设多样性的需求；
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- XiUOS的硬件系统能够直接部署于工业生产环境中，而非验证性的开发板评估板。
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XiUOS硬件系统中的处理器、通信器、传感器、控制器采用解耦的模块化设计，利于XiUOS操作系统方便地通过软件定义的方式屏蔽各种硬件外设的差异，使得工业物联网用户不必关心底层硬件的实施细节，从而更加专注于应用逻辑本身的效能。
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#### 系统层
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系统层主要完成单节点的系统管理功能, 包括基本的内存管理、调度管理、设备管理等。在[未名泛在操作系统研究计划](/about/xuos)中, 不同应用场景的UOS系统层能力可以是不同的, 主要体现在内核可以根据应用场景的需求进行定制化, 甚至可以有不同的内核, 这种定制化由未名泛在操作系统的核心XUOS Core提供。未名工业物联操作系统XiUOS遵循该设计和理念, 其系统层--面向工业物联场景的泛在操作系统核心（XUOS Core for IIoT）--的内核（Kernel）理论上可以有多种选择, 如自研的XiUOS微内核, 对POSIX规范支持较完善的实时操作系统NuttX, 国内非常具有影响力的RT-Thread等。
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目前XiUOS的应用框架主要在NuttX和RT-Thread这两款相对而言POSIX较友好、发展较成熟的开源RTOS上开展实验和设计, 这可以最大化地复用开源社区的优秀成果, 特别是各种硬件驱动, 从而将主要精力投入到体现工业物联场景特色的“感联知控”框架的设计和实现上。
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目前XiUOS的应用框架主要在NuttX和RT-Thread这两款相对而言POSIX较友好、发展较成熟的开源RTOS上开展实验和设计, 这可以最大化地复用开源社区的优秀成果, 特别是各种硬件驱动。
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自研XiUOS微内核的研发也在进行中, 一些新的算法和新的设计将主要在自研内核中进行探索和验证, 我们欢迎泛在操作系统社区中关心该方面内容的研究者和我们共同开展相关的研究。
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自研XiUOS微内核的研发也在进行中, 一些新的算法和新的设计将主要在自研内核中进行探索和验证。
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系统层为上层框架支持尽可能符合POSIX规范的API。
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@ -110,7 +109,7 @@ XiUOS的体系结构如下图所示，主要包括硬件层、系统层、框架
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基本的网络互联支持包括提供各种网络协议栈和消息通信库。协议栈包括 TCP/IP、NB-IoT、LoRa等的软件栈支持, 方便开发者开发通信功能。此外, 还提供丰富便捷的消息通信组件, 包括 MQTT、CoAP 等常用IoT 通信库。
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物联网环境下节点众多, 如果对每个节点都手工配置网络流程过于复杂, 成本太高, 因此需要无线自组网的能力。 XiUOS支持节点自组织网络, 不需要手工配置, 可极大简化工厂、野外等复杂环境下的部署和管理。
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XiUOS支持节点自组织网络, 不需要手工配置, 可极大简化工厂、野外等复杂环境下的部署和管理。
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- **智**: 智能框架是XiUOS的一个特色, 将智能识别和分析能力下沉到物联网节点设备上(通常为带加速器的ARM Cortex-M/A 或 RISC-V处理器), 使之在节点端即可实时对声音、物体、人体、缺陷模式等进行识别, 大大拓展物联网节点的应用范围, 内容包括AI算法加速库、微型AI引擎等。
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