嵌入式RTOS華麗變身　作業系統翻轉物聯網裝置開發

在物聯網誕生前，傳統嵌入式開發作業的主要方式，是以硬體開發的特製裸機韌體(例如C語言、Assembly)；又或者使用Free RTOS/RTX即時作業系統(RTOS)的內核，以便取用一些作業系統服務，例如執行緒、互斥鎖。而開發軟體是為了增加功能性，不管是開放原始碼或是Keil MDK-Middleware等已有商業支援的現成軟體元件，將其改編後，微調到足以符合需要的特定專案需求，始得能符合成本效益 (圖1) 。

Mbed專案一開始只專注在單一焦點，為運行32位元控制器的物聯網應用，簡化軟體的開發作業。但在當時，32位元提供的額外算力，不被認為是絕對必要的；可是隨著嵌入式領域的演進，目前32位元架構已經主宰市場，也造就Mbed對傳統嵌入式開發作業採取不同的方式。而驅動Mbed持續進化來自一種信念，開發人員生態系需要一個導入簡化方式的平台作業系統。

過去十年來，這個方式已經通過物聯網開發人員與出貨過許多產品的OEM代工廠商的驗證。在Mbed網站註冊帳號的開發人員數量持續成長，目前用戶已超過50萬人。除此之外，許多來自Arduino的夥伴也以Mbed作業系統為基礎，用簡化的嵌入式開發作業方式，促成了32位元的運算 (圖2) 。

從RTOS演進到物聯網作業系統

首先要釐清，傳統的RTOS應用與專為物聯網需求打造的作業系統，兩者有何不同。畢竟在基本層級上，RTOS提供的基本作業系統服務如排程器、執行緒、記憶體管理等，物聯網作業系統也提供類似可用的服務。比方說，Mbed作業系統利用RTOS核心RTX來提供多數嵌入式軟體需要的作業系統服務。

針對物聯網，有必要在RTOS之上打造新的功能性，以便因應特定的需求。這些需求可分為五個主要領域：

．聯網—裝置連接雲端服務需要聯網。

．安全性—保護裝置的完整性，以及保護儲存在裝置內與在裝置進行轉換的資料。

．儲存—在需要通訊前把資料保持在裝置中，並儲存新的韌體映像檔。

．裝置管理—管理裝置與雲端互動所需的服務。

．機器學習—傳送到雲端之前執行裝置內處理，或對刺激快速做出回應。

過去幾年，Mbed團隊把開發心力專注在為平台增添這些基本功能，讓它成為真正的物聯網作業系統。

物聯網所提供聯網好處

物聯網包含多元的使用場景，各有不同的頻寬、功耗與可存取性的需求。這些多樣性促成各種聯網協定的開發、調適與採納，以供物聯網使用。其中許多是新的協定，且設計上一開始就要支援物聯網的需求，同時具備優化的特定功能以顧及低功耗需求，但常須在頻寬與延遲方面讓步。以下是物聯網裝置常用的聯網協定：低功耗藍牙、蜂巢式(2G、3G、窄頻物聯網、CAT-M1或5G網路)、乙太網路、LoRa WAN、近場無線通訊(NFC)、Thread、Wi-Fi、Wi-SUN、Zigbee。

聯網與相關的優化，基本上可以改變作業系統運行的方式。以窄頻物聯網的使用為例，Mbed團隊在調適作業系統如何從深度睡眠狀態甦醒時，選擇讓數據機喚醒它，而非自動定期醒來檢查數據機的狀態，因此可節省不少功耗。此外，也可使用RTOS達成類似的實例。

不過，物聯網作業系統在聯網方面，會比傳統的RTOS擁有更多好處，原因是物聯網作業系統提供的抽象化，讓應用項目移植到不同的協定，將更為直接。不過從聯網的觀點來看，目前沒有任何技術障礙可以阻止物聯網的應用中使用RTOS。

IoT面臨安全挑戰

一旦開始把物聯網裝置連上公用網路後，接下來保全這些裝置會變得相當必要，因為要確保裝置不會被惡意人士破解。關於這點實例的種類很多，舉例來說，Mirai惡意軟體的僵屍網路攻擊，或者政府支持者鎖定敵對國的關鍵基礎設施進行攻擊。

為此，開發團隊對於Mbed作業系統的安全性功能，已經投入相當多的資源。它一開始是增加熵的來源以支援真實亂數產生器(TRNG)，為裝置內加密提供紮實的基礎。此外，Mbed提供一個TLS函式庫，確保在裝置與雲端間轉換的資料。最後，它加入對具備Arm TrustZone功能的最新一代Arm v8-M架構的支援性，並且促成物聯網產品遵循PSA Certified認證。PSA Certified認證提供一個標準框架，以存取並認證物聯網產品的安全性，也是Arm與關鍵合作夥伴共同支持、對整個產業的提案。

平台作業系統可以讓這些安全性功能中多數的複雜性抽象化，讓開發人員使用上更加簡易。安全性是一個常常需要專門開發技巧的領域，這讓物聯網所需的安全性服務具有相當的挑戰性，許多Mbed客戶歷來都缺乏這類內部的能力。使用RTOS達成安全的系統是可能的，但實作上或是把有關的功能逐一整合起來卻相當耗費心力，而隨著新漏洞與攻擊逐一被發現，維持安全性架構將產生額外的挑戰。

記憶體儲存為不可或缺元件

物聯網不可或缺的基本元件之一是儲存子系統，它可以讓裝置搭載必備的軟體，以便管理韌體更新所需的二進制影像檔的接收與儲存。這種儲存裝置可以是微處理器的內部記憶體，也可以是透過串列周邊介面(SPI)連結的外部快閃記憶體。

這套子系統必須提供相當層級的安全性，以確保韌體影像還在裝置內時不能被替換或修改，這通常是透過為影像本身加密來達成。儲存區域必須擁有隨時儲存兩張影像的容量：將被替換掉的原有軟體影像，以及全新的替換影像。倘若安裝失敗，則需要一個轉返機制，以便使用原始影像重新啟動裝置，進而確保作業持續進行。

在Mbed作業系統中，會提供多層可堆疊的儲存裝置，以提供用戶最符合他們需求的儲存裝置配置能力。以下是從低階到高階的支援介面列表：

．BlockDevice

存取原始區塊型儲存裝置，例如(Q)SPI快閃記憶體與SD卡、EEPROM或內部快閃記憶體。

．FileSystem

POSIX式樣的檔案系統。

．FileHandle

POSIX式樣的檔案。

．KVStore

鍵值資料庫。

再次重申，Mbed的物聯網作業系統不會施展軟體魔術，讓開發人員實作時，只能使用Mbed而不能使用RTOS。只是Mbed包含物聯網所需求的強健性，且經實證的實作，讓採用Mbed的開發人員進行應用程式開發時，能加快許多。

如何進行裝置管理

另一個物聯網所擁有的功能，是透過雲端服務進行裝置管理。這是部署裝置、遠端啟用、利用安全憑證進行配置，以及在整個部署期間管理裝置的功能。

物聯網可依據需求，更新軟體裝置，以及在裝置的生命週期結束後加以除役。而這也是常常被忽視的關鍵功能，原因是傳統嵌入式裝置並不需要這些功能，這是傳統RTOS與物聯網作業系統差別最為明顯的地方。

由雲端服務進行管理，同時也為嵌入式領域導入新需求，如LwM2M與MQTT等協定以及安全性憑證的管理，最關鍵的是，它基本上改變了嵌入式軟體開發的生命週期。

而在過去，嵌入式裝置的部署相對單純，團隊會編寫裝置需要的軟體，透過測試與驗證確保它能像預期般地運作，然後在硬體上安裝軟體並進行部署。一旦軟體在生產線上完成安裝，軟體團隊的責任就此結束，因為裝置部署後會一直使用到除役，除非是因為別的原因終止。不過，物聯網為軟體團隊帶來新的責任，原因是無論裝置現役部署的期間有多長，他們必須為裝置開發、測試、驗證與部署軟體更新，最起碼也必須確保能夠及時修補安全性漏洞。這種生命週期可能遠遠超過十年，現在也看到客戶在需求規格中明訂長期的支援性。

在傳統RTOS方式中，開發人員會從多個來源引進軟體元件與函式庫，針對特定使用場景進行整合與優化，然後部署軟體，以這種方式進行長期支援需求變得非常有挑戰性。舉例來說，開發人員使用具備開源BLE堆疊的RTOS核心來遞送透過閘道器連接到雲端的裝置，這種情況五年下來，管理軟體複刻的維護成本會相當可觀，甚至可能影響新產品的開發。

但倘若解決方案涉及多種產品，它很快會形成一種情況，讓維護團隊不是消耗掉所有可用的軟體資源，就是用掉多數的軟體資源。在行動裝置領域中，常見手機廠商疲於奔命，為現有的裝置更新到新版的安卓作業系統上。

除此之外，整合嵌入式軟體與雲端服務會結合兩個軟體開發的領域，嵌入式開發人員以及雲端開發人員，在此之前，這兩種學科幾乎沒有什麼交集。這個全新的互動關係需要改變開發流程，並對成功開發與部署物聯網軟體所需的工具，具有重要的意涵。

對於Mbed而言，2020年是重要的一年， 因為Arm為開發人員增加了可連接到任何雲端的更多功能，並提供更多的選擇與彈性，把Mbed作業系統轉型成一個雲端中立的作業系統。Mbed特別為多個公有雲端服務擴增支援性，包括提供給亞馬遜雲端運算服務(AWS)、Google Cloud IoT與Microsoft Azure IoT的整合服務。

Mbed Studio的整合式軟體環境採線上進行，並且從頭開始架構以迎合物聯網開發人員的需求。它橫跨嵌入式軟體開發人員的各種需要，例如函式庫管理、拖放式程式設計及除錯介面。它同時也服務網路/雲端開發人員的需求，並整合REST API 、韌體更新封裝以及開發人員憑證。一切都有條不紊地封裝在一個極度敏捷且簡單易用的整合開發環境(IDE)中。

傳統上矽晶圓廠商會提供軟體開發套件(SDK)，讓開發人員得以在他們的微處理器上打造嵌入式裝置。不過，從與開發人員互動過程中瞭解到的是，使用標準的RTOS SDK方式來支援物聯網專用的工作流程，是極具挑戰性的。

物聯網下機器學習運作

並非所有場域中感測器取得的資料都會傳送到雲端，主要分為三個類別：延遲、傳輸成本、隱私。

首先，當需要快速反應時，卻引發延遲。例如，倘若工業機器已經搭載安全機制，但此時由雲端聯網接收此類可以中斷具有潛在有危險性動作的訊號，此法就相當地不智，原因是快速反應對作業人員的安全極為關鍵。

第二，從頻寬與能源的角度，計算把所有資料都傳送到雲端的成本。使用類似的工業機器時，在傳送多個高頻加速計的資料測量結果，可能輕易的就讓每秒產出好幾個百萬位元組(Mb)資料，如此會耗盡電池的電力，還會因為頻寬需求增加整體的成本。

最後，隱私目前對於許多物聯網裝置是個極為嚴格的要求。以語音啟動助理為例，使用者不會想把所有麥克風擷取到的東西都傳到雲端，只會將它局限在用戶想要傳送的部份。邊緣的訊號處理雖然不是新概念，但裝置具備許多運行機器學習演算法的能力，促成了以前根本不可能出現的應用項目。而就目前利用相對小型且低功耗的Cortex-M4裝置，甚至可以執行相對複雜的任務，例如辨識簡單的語音指令或動作。

在這種背景下，物聯網作業系統扮演的角色是提供基本的功能性，以簡化像TensorFlow或TVM等機器學習框架的部署。把機器學習框架需要的硬體特定功能性抽象化，讓開發人員可以挑選偏好的框架，也不必過於擔心硬體支援性，以及裝置上的整合。

Mbed系統攜手物聯網

2009年，從單一開發版開始的Mbed作業系統，現在已成為適用於物聯網開發作業的完整生態系，並具備各種免費的開發工具、數千個程式碼實例，同時支援超過150個微控制器開發板。Mbed因為客戶與開發人員社群的貢獻與參與，將持續成長與繁榮。

物聯網所賦予關鍵價值

在與開發人員、合作夥伴及客戶的接觸過程中，看到物聯網對嵌入式裝置的發展帶來的挑戰。許多人對於物聯網專案在概念驗證階段就宣告失敗感到挫折，複雜性可能就是原因之一。技術純熟的嵌入式開發人員，可以使用RTOS與手工調修的軟體函式庫與元件自行應對這些複雜性，但因此所需要的開發、驗證與裝置完成部署後的持續維護時間，將使成本增加並影響產品與服務的成功機會。

物聯網若要無縫擴充，並在所有被期待的方面達到真正的轉型效果，就必須簡化裝置端的軟體複雜性，且提供聯網協定、安全性函式庫與服務，以及儲存裝置。高度整合和經過實證的物聯網專用作業系統，證實可以有效解決挑戰。

最後，物聯網價值的關鍵之處，是以無限的擴充規模與雲端管理服務緊密整合。有效的整合讓裝置可以和物聯網核心的商業應用，進行連接並安全地溝通。以最順暢的方式促進以上各點的解決方案，可以釋放開發人員的能力，專注從物聯網擷取最大的商業價值。

(本文作者Stefano Cadario為Arm軟體產品總監，Andy Powers為Arm軟體技術資深經理)