CN107992291A - 应用于嵌入式应用程序的Ruff OS物联网操作系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了应用于嵌入式应用程序的Ruff OS物联网操作系统，包括操作系统内核模块、Ruff程序运行模块和硬件抽象层模块，所述操作系统内核模块包括任务管理子系统、时间管理子系统、中断管理子系统、设备管理子系统、内存管理子系统、任务间同步与通信子系统、网络通信子系统和物联网设备读写子系统。本发明为应用开发人员提供了更简单的开发环境，将开发人员从繁琐的硬件细节中解放出来，极大程度地简化了物联网应用的开发过程，缩短了物联网应用的研发周期。

Description

应用于嵌入式应用程序的Ruff OS物联网操作系统

技术领域

本发明涉及物联网操作系统技术领域，尤其涉及应用于嵌入式应用程序的RuffOS物联网操作系统。

背景技术

物联网是新一代信息技术的重要组成部分，也是“信息化”时代的重要发展阶段。其英文名称是：“Internetof Things(IoT)”。顾名思义，物联网就是物物相连的互联网。这有两层意思：其一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；其二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信，也就是物物相息。物联网通过智能感知、识别技术与普适计算等通信感知技术，广泛应用于网络的融合中，也因此被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。物联网是互联网的应用拓展，与其说物联网是网络，不如说物联网是业务和应用。因此，应用创新是物联网发展的核心，以用户体验为核心的创新2.0是物联网发展的灵魂。

虽然物联网硬件发达,但软件很少,其中很重要的原因是,物联网应用开发的门槛太高且效率低下。嵌入式工程师数少,同时90％的时间和精力用于解决底层驱动、通信协议、系统开发、编译调试等基础行为,重复造轮子。

物联网，作为下一代的基础设施，其基础技术发展已经到达了一个很高的水准：

随云计算而兴起的云基础设施，大幅度的降低了服务端建设的门槛。开源理念的发展，让基础知识在整个IT领域内得到了分享，提高了整个行业的技术水准。遵循摩尔定律，硬件芯片能力不断增强，设备端计算能力得到了大幅度提升。移动互联网时代让数据网络得到广泛的普及，通信基础设施趋于完善。蓝牙、Zigbee等短距离通信技术得到了长足的进步，在实际的场景中得到了广泛的应用。

但是，在行业预期和基础设施都趋于完备的情况下，物联网并没有得到长足的发展，时至今日，我们没有看到物联网成为人们日常生活的一部分。究其根因，我们认为，这是物联网应用过少造成的。而造成物联网应用过少的一个重要原因是，物联网应用的研发门槛过高。硬件应用研发方面，整个的水准还处于一个相对于早期的状态：

采用C作为主要语言。演化得不够，不支持面向对象、不支持垃圾收集、不能很好支持测试驱动开发，对于程序员要求较高。

硬件应用缺乏分层架构。分层架构已经成为行业的共识，在非分层架构设计中，一个优秀的研发人员需要掌握硬件、系统、软件等诸多方面知识，这无形中提高了行业门槛。

硬件呈现碎片化趋势。因为硬件厂商的差异，使得硬件研发人员每每面对一个新硬件，必须重新研究一遍硬件，造成了整个行业在做着大量低效率的工作。

联网是个新问题。在硬件应用领域里，联网确实个新问题，所以，每当面对一款新应用，就需要从芯片级别开始重新解决联网问题。

硬件研发方式还处于早期。在软件领域里，敏捷软件开发已经成为行业共识，而硬件领域却依然处于软件行业早期的瀑布式研发模式。缺乏单元测试、自动化程度有限、无法迭代、反馈周期过长。

有鉴于此，需要打造新一代物联网应用开发平台，将现代开发理念引入到物联网应用开发中，将极大程度的提高物联网应用的建设速度，促进物联网时代的早日到来。

发明内容

基于背景技术中存在的技术问题和技术需求，本发明提出了应用于嵌入式应用程序的Ruff OS物联网操作系统。

该发明主要是实现了一个物联网操作系统，为应用开发人员提供了硬件抽象，使其更聚焦于应用本身的开发，从繁琐的硬件细节中解放出来。

该发明将现代软件开发的诸多理念：测试驱动开发、迭代开发、持续交付等，引入到硬件研发的领域中，极大程度地简化了物联网应用的开发过程，缩短了物联网应用的研发周期。

该发明包含供应用开发者使用的软件SDK、运行于硬件上的操作系统运行时以及为开发者提供扩展模块的软件仓库。通过引入软件仓库，将打破硬件研发经验难于分享的壁垒，使物联网开发难度大幅度降低，有利于物联网人才的培养。

本发明的具体实施方式为：

本发明包括操作系统内核模块、Ruff程序运行模块和硬件抽象层模块，所述操作系统内核模块包括任务管理子系统、时间管理子系统、中断管理子系统、设备管理子系统、内存管理子系统、任务间同步与通信子系统、网络通信子系统和物联网设备读写子系统，且Ruff程序运行模块包括Launcher模块、DriverFramework模块、JavaScript引擎模块、Bindings模块和Native C/C++Libraries模块，所述硬件抽象层包括硬件接口层、Ruff驱动层、Ruff软件包模块，且硬件抽象层模块处于开发者开发的应用程序之下，用于将硬件操作细节抽象封装成对软件开发者更加友好的软件描述语言。

本发明的建设目标是，让物联网应用变得更简单。

围绕着这个目标以及整个物联网应用开发的现状，我们设定了一些更具体的执行目标：

设计硬件抽象。硬件应用开发领域难以进入，一个重要的原因在于，研发门槛过高。通过设计硬件抽象，将硬件知识同应用部分隔离开来，知识门槛将大幅降低，原先做硬件研发的人可以编写应用，懂得应用编写的软件开发人员也可进入到这个领域中。硬件应用研发将会成为一项通用技能，研发人员数量将得到大幅度提升，该领域的尝试将会得到大幅度提升。

采用敏捷开发方法论。随着人们对于敏捷开发方法认识的深入，与之配套的工具、开发理念也在行业得到了广泛的应用，敏捷方法背后的思想根源——精益方法也得到了行业的广泛认同，这一思想也从开发领域延展到更多的方面，最为典型的代表莫过于精益创业。通过采用敏捷开发方法论，硬件应用的研发模式将得到重构，物联网企业可以快速验证自己的商业模式，促进物联网行业的进步。

面向生产。从行业目前的状况看，物联网应用开发平台的尝试已经有很多，但大多只局限于构建一个原型上。以硬件行业原有经验看，从原型到产品，中间还有很长的路要走。如果不能构建一个面向生产的系统，最终便只能提留在玩具的阶段。

屏蔽硬件碎片化。通过分层架构的设计，将硬件的差异屏蔽到底层，让应用开发者将注意力放在应用本身，而底层的差异则交给硬件厂商和系统开发者，由此可以硬件应用开发领域的社会分工。屏蔽硬件碎片化，还可以让应用开发者有效地实现跨平台的应用开发能力。

采用模块化设计。模块化，是一种重要的软件组织方式，也是一种重要的复用方式。以行业发展趋势看，大量模块的产生，让知识得以在整个行业共享，促进了行业整体技术水平提升。

将联网设计默认的模式。

简化开发过程。将硬件应用的逻辑部分能够放到开发机上完成，硬件应用开发的效率将得到极大提升。

附图说明

图1为本发明提出的应用于嵌入式应用程序的Ruff OS物联网操作系统的功能模块结构示意图；

图2为本发明提出的应用于嵌入式应用程序的Ruff OS物联网操作系统的单向信息模式流程图；

图3为本发明提出的应用于嵌入式应用程序的Ruff OS物联网操作系统的事务处理模式流程图；

图4为本发明提出的应用于嵌入式应用程序的Ruff OS物联网操作系统中内存管理子系统完整的编译打包过程结构示意图；

图5为本发明提出的应用于嵌入式应用程序的Ruff OS物联网操作系统中内存管理子系统完整的编译打包后的Package结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

参照图1-5，应用于嵌入式应用程序的Ruff OS物联网操作系统，包括操作系统内核模块、Ruff程序运行模块和硬件抽象层模块，操作系统内核模块包括任务管理子系统、时间管理子系统、中断管理子系统、设备管理子系统、内存管理子系统、任务间同步与通信子系统、网络通信子系统和物联网设备读写子系统，且Ruff程序运行模块包括Launcher模块、Driver Framework模块、JavaScript引擎模块、Bindings模块和Native C/C++Libraries模块，硬件抽象层包括硬件接口层、Ruff驱动层、Ruff软件包模块，且硬件抽象层模块处于开发者开发的应用程序之下，用于将硬件操作细节抽象封装成对软件开发者更加友好的软件描述语言。

本发明中，Launcher模块负责启动Ruff应用程序解释执行，解析硬件资源描述文件，让开发者编写的JS代码开始执行，Driver Framework模块加载由JS开发的RuffDriver，供解释运行Ruff应用时调用，JavaScript引擎模块负责将JS代码解释成可被底层系统识别运行的代码，JavaScript引擎为Duktape和Jerryscript，Bindings模块负责将JS应用中的某些业务逻辑或功能调用，绑定到对应的C函数库完成实现，Native C/C++Libraries模块包括由C/C++编写的成熟函数库，例如ROFS文件系统库、TLS/SSL库、EventI/O库等，经由Bindings模块绑定，供上层应用调用。

硬件接口层负责将硬件接口的操作进行封装，根据不同硬件接口的特性，封装成方便驱动调用的API接口，例如gpio.write，Ruff驱动层负责将对硬件接口的操作，封装成语义上更友好的接口描述，例如led.turnOn，进一步隔离应用开发者对硬件知识的依赖，让应用开发者只需要关注应用的业务逻辑，不需要知道硬件底层实现细节，Ruff软件包模块用于加载一些成熟的第三方JavaScript软件包，例如MQTT、express，方便开发者复用成熟软件模块，快速开发，Ruff操作系统提供部分软件包供直接使用，例如net。

操作系统内核模块提供内存管理、线程管理、任务调度、文件系统和IO控制功能，操作系统内核模块针对芯片做适配并打包出不同的固件版本，安装在相应的芯片上，且操作系统内核模块为Linux内核和RTOS内核；

Linux内核，直接使用Linux内核内部的文件系统、内存管理模块、垃圾回收模块、线程管理模块、硬件驱动模块和TCP/IP协议栈模块，且RTOS内核，直接使用RTOS内核内部的内存管理模块、垃圾回收模块、线程管理模块、硬件驱动模块、TCP/IP协议栈模块，RTOS内核适用于硬件资源匮乏、低功耗和计算能力需求不高的物联网调件；

内存管理子系统将硬件接口和外设设备的配置打包生成为ruff_box.json，会将源代码编译成字节码，以节约内存和提升执行效率，直接将源码打包运行方便调试；

任务管理子系统提供8项任务的管理链表，时间管理子系统包括系统自带的时间和外部时钟源，利用定时器，进行时间的管理，中断管理子系统和设备管理子系统提供丰富的外部中断、时钟中断、以及各种传输中断，有效管理和及时响应，方便上层进行应用的开发，任务间同步与通信子系统提供任务之间的同步和并发，采用消息机制进行任务间的通信，网络通信子系统将采集到的数据进行打包，并将物联网设备接入互联网络，通过远程方式进行管理，物联网设备读写子系统提供对物联网设备的读写功能，以获得有用的数据，物联网设备读写子系统主要是与物联网设备的通信程序，包括控制、数据读写、数据校验功能；

任务间同步与通信子系统的信息传输模式分为单向信息模式和事务处理模式，任务间的通信服务允许任务之间以传送消息的方式来交换数据，利用这一服务任务之间可以实现同步操作，并且可以共享系统资源，任务间同步与通信子系统工作流程为：分配缓冲区；向一个任务传送信息；挂起一个任务使其等待一个消息；释放缓冲区。

内存管理子系统完整的编译打包过程如图4所示，分为Project状态和Package状态，在project状态，包括Ruff Application、package.json和Dependencies；

Ruff Application是项目的主程序，package.json是项目基础配置文件，Dependencies是项目的依赖包，包括Ruff Board、Ruff module和Ruff Driver；

Ruff Board是当前板卡的描述模块，描述了板卡上的硬件接口资源信息、板载资源信息、电源信息等，Ruff module是加载的外部软件包，提供了某些功能供Application直接使用，Ruff Driver是Ruff的外设驱动，提供了直接调用硬件外设的能力，并且API已经经过了抽象封装，屏蔽掉了硬件底层细节；

在编译打包过程中，Ruff工具会将Ruff Board和Ruff Driver中硬件接口和外设设备的配置打包生成为ruff_box.json，会将Application、Module、Driver中的源代码编译成字节码，以节约内存和提升执行效率，直接将源码打包运行方便调试；

打包完成后，如图5的Package状态所示，分为：JS Code和ruff_box.json；

打包之后Application会被部署至板卡的Ruff OS运行时环境中，DriverFramework会加载执行Driver，Launcher会解析ruff_box.json，并执行相关的Application业务逻辑代码；

通过基于ruff_box.json配置方案和Launcher加载机制，Ruff OS实现了业务代码和硬件配置的分离，当硬件修改了或者Application需要移植到其他板卡上，只需要更改配置，不需要修改代码重新编译打包。

本发明中的有益效果为：

1.硬件抽象层的三层设计，可以屏蔽市场上硬件碎片化的问题，不同的硬件厂商有不同的硬件标准，不同的硬件模块有不同的接口需求，传统开发中每更换一个硬件，基本就要重新开发一次应用，而基于本发明的操作系统，只要重新适配相关的硬件驱动，即可完成应用程序的更新或移植，控制新的硬件；

2.本发明为应用开发人员提供了更简单的开发环境，使其更聚焦于应用本身的开发，不用被碎片化的硬件差异所困扰，不需要关注硬件底层知识细节，从繁琐的硬件细节中解放出来；

3.本发明将现代软件开发的诸多理念，将测试驱动开发、迭代开发、持续交付等，引入到硬件研发的领域中，极大程度地简化了物联网应用的开发过程，缩短了物联网应用的研发周期。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.应用于嵌入式应用程序的RuffOS物联网操作系统，包括操作系统内核模块、Ruff程序运行模块和硬件抽象层模块，其特征在于：

所述操作系统内核模块包括：任务管理子系统、时间管理子系统、中断管理子系统、设备管理子系统、内存管理子系统、任务间同步与通信子系统、网络通信子系统和物联网设备读写子系统；

Ruff程序运行模块包括Launcher模块、DriverFramework模块、JavaScript引擎模块、Bindings模块和Native C/C++Libraries模块；

所述硬件抽象层包括硬件接口层、Ruff驱动层、Ruff软件包模块，且硬件抽象层模块处于开发者开发的应用程序之下，用于将硬件操作细节抽象封装成对软件开发者更加友好的软件描述语言。

2.根据权利要求1所述的应用于嵌入式应用程序的RuffOS物联网操作系统，其特征在于，所述Launcher模块负责启动Ruff应用程序解释执行，解析硬件资源描述文件，让开发者编写的JS代码开始执行，DriverFramework模块加载由JS开发的RuffDriver，供解释运行Ruff应用时调用，JavaScript引擎模块负责将JS代码解释成可被底层系统识别运行的代码，JavaScript引擎为Duktape和Jerryscript；Bindings模块负责将JS应用中的某些业务逻辑或功能调用，绑定到对应的C函数库完成实现，Native C/C++Libraries模块包括由C/C++编写的成熟函数库，有ROFS文件系统库、TLS/SSL库、Event I/O库，经由Bindings模块绑定，供上层应用调用。

3.根据权利要求1所述的应用于嵌入式应用程序的RuffOS物联网操作系统，其特征在于，所述硬件接口层负责将硬件接口的操作进行封装，根据不同硬件接口的特性，封装成方便驱动调用的API接口，Ruff驱动层负责将对硬件接口的操作，封装成语义上更友好的接口描述。

4.根据权利要求1所述的应用于嵌入式应用程序的RuffOS物联网操作系统，其特征在于，所述操作系统内核模块提供内存管理、线程管理、任务调度、文件系统和IO控制功能，操作系统内核模块针对芯片做适配并打包出不同的固件版本，安装在相应的芯片上，且操作系统内核模块为Linux内核和RTOS内核。

5.根据权利要求4所述的应用于嵌入式应用程序的RuffOS物联网操作系统，其特征在于，所述Linux内核使用Linux内核内部的文件系统、内存管理模块、垃圾回收模块、线程管理模块、硬件驱动模块和TCP/IP协议栈模块，且RTOS内核使用RTOS内核内部的内存管理模块、垃圾回收模块、线程管理模块、硬件驱动模块、TCP/IP协议栈模块，RTOS内核适用于硬件资源匮乏、低功耗和计算能力需求不高的物联网调件。

6.根据权利要求1所述的应用于嵌入式应用程序的RuffOS物联网操作系统，其特征在于，所述内存管理子系统将硬件接口和外设设备的配置打包生成为ruff_box.json，会将源代码编译成字节码。

7.根据权利要求1所述的应用于嵌入式应用程序的RuffOS物联网操作系统，其特征在于，所述任务管理子系统提供8项任务的管理链表；时间管理子系统包括系统自带的时间和外部时钟源，利用定时器，进行时间的管理；中断管理子系统和设备管理子系统提供丰富的外部中断、时钟中断、以及各种传输中断，有效管理和及时响应，方便上层进行应用的开发；任务间同步与通信子系统提供任务之间的同步和并发，采用消息机制进行任务间的通信；网络通信子系统将采集到的数据进行打包，并将物联网设备接入互联网络，通过远程方式进行管理；物联网设备读写子系统提供对物联网设备的读写功能，以获得有用的数据；物联网设备读写子系统主要是与物联网设备的通信程序，包括控制、数据读写、数据校验功能。

8.根据权利要求7所述的应用于嵌入式应用程序的RuffOSS物联网操作系统，其特征在于：所述任务间同步与通信子系统的信息传输模式分为单向信息模式和事务处理模式，任务间的通信服务允许任务之间以传送消息的方式来交换数据，利用这一服务任务之间可以实现同步操作，并且可以共享系统资源，任务间同步与通信子系统工作流程为：分配缓冲区、向一个任务传送信息、挂起一个任务使其等待一个消息和释放缓冲区。