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華為鴻蒙操作系統全景解構
發布時間:2021-6-23 10:32:34發布者:智能計算芯世界

 

 

從技術、生態兩角度看,操作系統對于 ICT 廠商而言具有重要意義,鴻蒙操作系統的推出,對華為、對我國自主可控進程的意義不言而喻。

 

微內核、方舟編譯器是鴻蒙生態的兩大核心要素。微內核更適應復雜的程序功能,且能夠更靈活地移植至不同硬件平臺;方舟編譯器通過將編譯過程提前至開發者環節提升應用執行效率,這一點對于多終端尤其是物聯網邊緣計算而言尤為重要。結合以上兩大要素看,鴻蒙生而為 IoT 設計。

 

車聯網、智慧城市、工業是華為 IoT 的三大應用方向,目前三大應用成熟度各有不同,鴻蒙操作系統預計將在三大領域起催化作用。

 

本文參考自“華為鴻蒙操作系統全景解構”報告,全文詳細介紹微內核、方舟編譯器兩大鴻蒙生態核心要素,以及鴻蒙完善的IoT生態,目錄和下載鏈接如下:

 

 

下載鏈接:華為鴻蒙操作系統全景解構

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操作系統(OS,Operating System)是管理計算機軟硬件資源的“大腦”。常見 ICT系統包括硬件和軟件兩部分,軟件又可分為操作系統軟件和應用軟件。其中操作系統是介于硬件和應用軟件之間的一層重要部分,是管理分配硬件資源、實現應用軟件功能的重要載體。操作系統在 ICT 領域扮演重要角色,其作用可從技術、生態兩方面佐證:

 

(1)技術角度看,操作系統在程序運行的過程中起重要作用。

 

一般而言,軟件程序的運行需要四大要素1:程序設計語言、編譯系統、操作系統、指令集。粗略理解:

①程序設計語言是編程的工具基礎,包括常見的 C、C++、Java、C#等;

②編譯系統的作用是將編寫好的程序語言“翻譯”成機器能夠識別的二進制碼;

③操作系統是調度資源、執行程序的“大腦”;

④指令集則決定了程序以何種方式來執行。

 

可作以下類比:硬件相當于高速公路、鐵路等基礎設施資源,軟件相當于駕駛員/旅客,而操作系統則相當于各種類型的交通工具。汽車、火車等交通工具借助公路、鐵路等基礎設施得以行駛,駕駛員/旅客在交通工具上方能到達不同目的地。操作系統則是向下對接硬件,使硬件資源的存在有實際意義,同時向上承載各類應用程序,得以實現各種應用功能;編譯系統在程序運行的過程中,起到方向盤或導航儀的作用,將駕駛員(軟件)的操作(程序指令)轉化為車輛的位移(機器語言)。

 

 

(2)生態角度看,總結 Win-tel 與我國自主可控歷程,操作系統廠商處于 ICT 產業鏈的核心環節。

 

Win-tel 聯盟下,微軟股價隨 Win95、WinXP 等版本的發布屢創新高。1980s 微軟與英特爾組成 Win-tel 聯盟,使得 Windows 系統搭配 x86 的 Intel 處理器成為 PC 領域的絕對主流,二者結合后,在軟硬件版本迭代、生產、銷售等環節協同,一時形成“雙寡頭壟斷”的格局。1995 年 Win95 的發布首創了“桌面”的概念,使人機交互界面更加友好;Windows XP 的發布進一步穩固了微軟在操作系統領域的領先地位。

 

盡管芯片是 ICT 生態的底層核心,但 Windows 背后龐大的應用生態決定了微軟對芯片商有較高話語權。微軟于 2018 年公布 Win10 操作系統已擁有 3500 萬個應用、超 1.75億個軟件版本,支持 1600 萬個硬件/驅動組合。微軟三十余年積累海量開發者,擁有龐大的應用基礎,因此對芯片架構的選擇擁有一定話語權。在 x86 以外微軟已針對 ARM 架構推出新一代操作系統,英特爾以外的芯片商將受益 Win 生態的拓展。

 

另外,ICT 領域自主可控不僅體現在以芯片為代表的硬件層,更需要操作系統帶動生態可持續。“基礎軟件的短板主要在操作系統,芯片的短板主要在 EDA(電子設計自動化)設計工具等領域”。芯片層的創新與投入一直是產業與資本的關注重點,但持續研發需要商用以及操作系統帶動應用軟件同步推進,如果沒有商用階段的現金流再投資,則芯片層的創新難以持續迭代。

 

 

華為“鴻蒙”概念的公開時點雖受到外部環境影響,但實際已積淀大量商用經驗。鴻蒙操作系統的發布時點體現重大意義,但并非是“從無到有”的過程,2012 年華為就已開發物聯網操作系統 LiteOS,并在可穿戴設備、智能家居、車聯網、LPWA 等領域應用,是鴻蒙操作系統的雛形。

 

 

LiteOS 解決物聯網應用成本、連接、安全三大痛點,體現華為早期就已探索布局 IoT領域。

 

(1)低成本、低功耗。物聯網需要海量終端接入,且大多數邊緣設備為小型化、可移動,因此對續航能力與單位成本提出較高要求。LiteOS 內核小于 10k,同時通過 MCU 和通信模組二合一的 OpenCPU 架構,能夠顯著降低終端體積和終端成本。且超低功耗,甚至 1 節 5 號電池可工作 5 年。 

 

(2)連接多樣。物聯網終端在不同場景下需要不同形式的網絡連接,尤其進入到 5G時代后,對系統的連接性能和兼容性要求嚴格。連接拓展性能強,支持 6LoWPAN、WiFi、BTE、Zigbee 等多種協議,且設備間可以自組網、自發現、互操作,能夠滿足物聯網應用的不同連接需求。

 

(3)安全。物聯網邊緣計算需要“云”+“端”協同,互聯互通后數據泄露成為物聯網系統的重大隱患。LiteOS 以極小體積的內核實現了雙向認證、差分升級、DTLS/DTLS+等機制。

 

 

未來成熟商用的LiteOS 將逐步融入鴻蒙操作系統,逐步增強鴻蒙生態的多終端開發能力。在鴻蒙之前,華為已形成 HiLink(連接標準)+LiteOS(操作系統)+芯片(算力)的IoT“三件套”體系。進一步 LiteOS 與鴻蒙結合,將在 IoT 領域形成強大合力。

 

 

鴻蒙從設計之初就為多終端(如邊緣計算 IoT、服務器等)而生,微內核、方舟編譯器作為鴻蒙操作系統生態的兩大核心要素。微內核乃操作系統的一種結構形式,將系統實現各功能的模塊化,更靈活,易于拓展、易于維護與更新迭代;編譯器可視為人與機器的“翻譯”,將人的程序語言翻譯給計算機可理解并執行,是人與計算機之間實現溝通的橋梁。

 

 

微內核與宏內核相對應,是操作系統的一種結構形式。操作系統的核心功能包括文件系統、內存和 I/O 設備管理、CPU 調度等,宏內核即指操作系統將上述功能全部“打包集成”在內核里,不同的功能模塊之間耦合度高,所以具有高效率的優點,代表系統包括 Linux、Unix 等)。微內核則將系統分為各個小的功能模塊,僅將最核心的調度、內存管理功能保留在內核中,驅動、文件系統等以“外部模塊”的形式與內核連接,相應的優勢是易于拓展、易于維護與更新、穩定性高,代表系統包括 Windows、Mac OS X 等。

 

 

鴻蒙微內核從底層即為物聯網設計。上述可知,微內核的最大特性是僅在內核中保留最核心功能,因此對于鴻蒙而言:連接實時性更好(響應時延降低 25.7%、時延波動率降低 55.6%),同時結合 5G 低時延場景,尤其適用于工業控制、智能交通等物聯網領域;可以做到故障隔離,最大程度保證系統的穩定性與安全性,在 5G 超多連接場景下更能滿足萬物互聯的要求。

 

鴻蒙微內核體現分布式的特點,解決 IoT 生態協同的痛點。目前已有操作系統基本只對應于某一種硬件,如 Windows 對應 x86 PC、iOS 對應蘋果手機等。但 IoT 時代終端種類數量極大拓展,難以針對每種硬件分別開發操作系統或應用程序,不同硬件終端的生態無法共享協同,開發效率低。而鴻蒙實現了硬件解耦,即可針對應不同設備進行彈性部署(例如智慧屏、穿戴設備、車機、音箱、手機等)。同時創新的分布式軟總線使得擁有不同功能的硬件可以彼此協同。

 

 

微內核是 IoT 操作系統演進方向,鴻蒙微內核之效率、安全性業內領先。一般微內核系統,由于驅動、文件系統等進程被外置,各模塊之間的通信需要經過內核“搭橋”,因而效率往往比宏內核要低。但鴻蒙微內核對進程間通信進行了高度優化,使得鴻蒙相比QNX、Fuchisia 效率提升 3 至 5 倍。此外,由于微內核的代碼數量遠遠少于宏內核,因此鴻蒙能夠以對每行代碼進行充分的“形式化”的安全驗證,顯著提升了內核安全性。

 

方舟編譯器最早系華為于 2019 年 4 月在 P30 系列手機發布會上公布,但實際積淀十年,定位是多終端系統。華為早期表示方舟編譯器將大幅提升手機端安卓系統的運行效率,而開發編譯器其實是協助鴻蒙操作系統更深層次布局邊緣計算、服務器等領域。對傳統編譯器而言,編譯時點、跨語言編譯是制約應用程序執行效率的瓶頸。應用程序的執行要經過字節碼到機器碼的轉換,程序員在編程時使用上述 C、C++、Java、C#等程序語言,但硬件的執行邏輯是基于 0 和 1 的二進制。因此要讓硬件能夠“讀懂”指令,就需要編譯器把“程序語言”轉譯成“機器語言”。

 

方舟編譯器對以上兩大瓶頸的解決方案是:將編譯過程提前至開發者環節。在安卓的體系下,一些復雜動態語義的編譯仍需交由虛擬機完成。方舟編譯器開發團隊通過梳理 Java的動態語義,進行了大規模的數據建模,尤其是在跨語言編譯時,大大提高了動態語義分析的精度;另外,華為設計了一套具有核心專利的動態語義匹配機制,有效降低了運行時動態語義的開銷。最終結果是,方舟編譯器能夠在應用程序執行之前,就將 Java 代碼編譯成機器語言,極大釋放了硬件資源,這一點對于多終端尤其是物聯網邊緣計算而言尤為重要。

 

方舟編譯器對開發者友好,利于形成良好生態。過去安卓等系統避免在開發者環節涉及編譯,一大原因是為了降低開發難度,開發者只需完成代碼編寫即可,而無需考慮如何跨語言編譯。但方舟方案下將編譯過程提前至開發環節,并不增加開發者負擔,相反開發者還能通過方舟預置算法進行代碼優化,還可自行開發代碼優化算法,未來代碼優化甚至有可能遷移至云端。開發環境友好是鴻蒙搭建良好生態的重要因素。

 

對于方舟編譯器,也可類比如下:過去 ART 虛擬機搭配安卓系統,相當于經驗豐富的司機駕駛傳統的手動擋汽車;而方舟編譯器搭配鴻蒙操作系統,則相當于搭載了 L4 級別自動駕駛的車輛,車輛行駛可以隨時根據車況、路況靈活調整,保證所有乘客的乘車體驗均為最佳。兼容 Java 和 C、C++等多種語言增強了鴻蒙即戰力,并與自有麒麟、鯤鵬等硬件架構協同,形成類似 Win-tel 的軟硬件格局。

 

產業互聯網新藍海下,“華為之于物聯網”可類比“蘋果之于移動互聯網”。

 

①生態。鴻蒙與方舟編譯器將開源,擁抱海量開發者。以手機端為例,方舟編譯器與超過 40 個高質量 App 合作,明顯優化 Android 操作系統的流暢度。在更廣泛的 IoT 領域,方舟編譯器支持多語言統一編譯,也支持混合編程,實現“一次編程,多端使用”,極大降低了開發者負擔(例如對于某款應用,只需要一次性完成代碼,就可以適配于手機、電視、車機等多種終端)。因此借助方舟編譯器,鴻蒙將搭建完善的 IoT 生態。

 

②硬件。華為擁有強大 ICT 硬件基因,已推出從底層硬件到中間件、操作系統,再到到編譯工具、應用軟件的全棧軟硬件方案。類比蘋果產業鏈,華為內部已基本形成核心硬件環節的自研,例如新發布的前端昇騰 310+后端鯤鵬 920 的安防軟硬標準化解決方案,又如自研基于鯤鵬 920 的 Taishan 服務器等全棧軟硬件系統在山東移動 BSS 實現國產替代等。因此鴻蒙相比谷歌 Fushcia 等純軟件體現出硬件優勢(蘋果于 2019 年 7 月收購英特爾 5G 基帶部門也體現自研芯片對系統生態的重要性)。

 

 

③先發優勢+持續創新。鴻蒙前身 LiteOS 早已推出,擁有商用經驗和先發優勢。物聯網基礎是網絡,華為在 5G 領域的深厚積淀。例如,其于 2019 年初發布首款商用 5G 多模終端芯片 Balong 5000 和首款 5G 商用終端華為 5G CPE Pro。Balong 5000 在 Sub-6GHz頻段實現 4.6Gbps、在毫米波頻段達 6.5Gbps 的峰值下載速率,并支持 SA 和 NSA 組網,已經完全滿足未來 5G 產業不同階段的商業需求,相比行業標桿的高通 X50 已取得領先。華為 5G 技術的先發優勢與持續創新是鴻蒙作為 IoT 多終端操作系統取得成功的保障。

 

操作系統意味著應用平臺與流量入口。上述從生態、硬件、先發優勢+持續創新三方面看,擁有操作系統將幫助華為在物聯網領域擁有更強話語權,將沿蘋果在移動互聯網時代的路徑,成長為 5G+IoT 的巨頭。

 

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