華為鴻蒙操作系統(tǒng)全景解構
從技術、生態(tài)兩角度看，操作系統(tǒng)對于 ICT 廠商而言具有重要意義，鴻蒙操作系統(tǒng)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(tài)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(fā)者環(huán)節(jié)提升應用執(zhí)行效率，這一點對于多終端尤其是物聯(lián)網(wǎng)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(lián)網(wǎng)、智慧城市、工業(yè)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(tǒng)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(tǒng)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(tài)核心要素，以及鴻蒙完善的IoT生態(tài)，目錄和下載鏈接如下：
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操作系統(tǒng)（OS，Operating System）是管理計算機軟硬件資源的“大腦”。常見 ICT系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分，軟件又可分為操作系統(tǒng)軟件和應用軟件。其中操作系統(tǒng)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(xiàn)應用軟件功能的重要載體。操作系統(tǒng)在 ICT 領域扮演重要角色，其作用可從技術、生態(tài)兩方面佐證：
（1）技術角度看，操作系統(tǒng)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：程序設計語言、編譯系統(tǒng)、操作系統(tǒng)、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(tǒng)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(tǒng)是調度資源、執(zhí)行程序的“大腦”；
④指令集則決定了程序以何種方式來執(zhí)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(tǒng)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(tǒng)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(xiàn)各種應用功能；編譯系統(tǒng)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(tài)角度看，總結 Win-tel 與我國自主可控歷程，操作系統(tǒng)廠商處于 ICT 產(chǎn)業(yè)鏈的核心環(huán)節(jié)。
Win-tel 聯(lián)盟下，微軟股價隨 Win95、WinXP 等版本的發(fā)布屢創(chuàng)新高。1980s 微軟與英特爾組成 Win-tel 聯(lián)盟，使得 Windows 系統(tǒng)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(chǎn)、銷售等環(huán)節(jié)協(xié)同，一時形成“雙寡頭壟斷”的格局。1995 年 Win95 的發(fā)布首創(chuàng)了“桌面”的概念，使人機交互界面更加友好；Windows XP 的發(fā)布進一步穩(wěn)固了微軟在操作系統(tǒng)領域的領先地位。
盡管芯片是 ICT 生態(tài)的底層核心，但 Windows 背后龐大的應用生態(tài)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(tǒng)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(fā)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(tǒng)，英特爾以外的芯片商將受益 Win 生態(tài)的拓展。
另外，ICT 領域自主可控不僅體現(xiàn)在以芯片為代表的硬件層，更需要操作系統(tǒng)帶動生態(tài)可持續(xù)。“基礎軟件的短板主要在操作系統(tǒng)，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(chuàng)新與投入一直是產(chǎn)業(yè)與資本的關注重點，但持續(xù)研發(fā)需要商用以及操作系統(tǒng)帶動應用軟件同步推進，如果沒有商用階段的現(xiàn)金流再投資，則芯片層的創(chuàng)新難以持續(xù)迭代。
華為“鴻蒙”概念的公開時點雖受到外部環(huán)境影響，但實際已積淀大量商用經(jīng)驗。鴻蒙操作系統(tǒng)的發(fā)布時點體現(xiàn)重大意義，但并非是“從無到有”的過程，2012 年華為就已開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng) LiteOS，并在可穿戴設備、智能家居、車聯(lián)網(wǎng)、LPWA 等領域應用，是鴻蒙操作系統(tǒng)的雛形。
LiteOS 解決物聯(lián)網(wǎng)應用成本、連接、安全三大痛點，體現(xiàn)華為早期就已探索布局 IoT領域。
（1）低成本、低功耗。物聯(lián)網(wǎng)需要海量終端接入，且大多數(shù)邊緣設備為小型化、可移動，因此對續(xù)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(jié) 5 號電池可工作 5 年。
（2）連接多樣。物聯(lián)網(wǎng)終端在不同場景下需要不同形式的網(wǎng)絡連接，尤其進入到 5G時代后，對系統(tǒng)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(xié)議，且設備間可以自組網(wǎng)、自發(fā)現(xiàn)、互操作，能夠滿足物聯(lián)網(wǎng)應用的不同連接需求。
（3）安全。物聯(lián)網(wǎng)邊緣計算需要“云”+“端”協(xié)同，互聯(lián)互通后數(shù)據(jù)泄露成為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的重大隱患。LiteOS 以極小體積的內核實現(xiàn)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(tǒng)，逐步增強鴻蒙生態(tài)的多終端開發(fā)能力。在鴻蒙之前，華為已形成 HiLink（連接標準）+LiteOS（操作系統(tǒng)）+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(tǒng)生態(tài)的兩大核心要素。微內核乃操作系統(tǒng)的一種結構形式，將系統(tǒng)實現(xiàn)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(zhí)行，是人與計算機之間實現(xiàn)溝通的橋梁。
微內核與宏內核相對應，是操作系統(tǒng)的一種結構形式。操作系統(tǒng)的核心功能包括文件系統(tǒng)、內存和 I/O 設備管理、CPU 調度等，宏內核即指操作系統(tǒng)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(yōu)點，代表系統(tǒng)包括 Linux、Unix 等）。微內核則將系統(tǒng)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(tǒng)等以“外部模塊”的形式與內核連接，相應的優(yōu)勢是易于拓展、易于維護與更新、穩(wěn)定性高，代表系統(tǒng)包括 Windows、Mac OS X 等。
鴻蒙微內核從底層即為物聯(lián)網(wǎng)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(yè)控制、智能交通等物聯(lián)網(wǎng)領域；可以做到故障隔離，最大程度保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性，在 5G 超多連接場景下更能滿足萬物互聯(lián)的要求。
鴻蒙微內核體現(xiàn)分布式的特點，解決 IoT 生態(tài)協(xié)同的痛點。目前已有操作系統(tǒng)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(shù)量極大拓展，難以針對每種硬件分別開發(fā)操作系統(tǒng)或應用程序，不同硬件終端的生態(tài)無法共享協(xié)同，開發(fā)效率低。而鴻蒙實現(xiàn)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(chuàng)新的分布式軟總線使得擁有不同功能的硬件可以彼此協(xié)同。
微內核是 IoT 操作系統(tǒng)演進方向，鴻蒙微內核之效率、安全性業(yè)內領先。一般微內核系統(tǒng)，由于驅動、文件系統(tǒng)等進程被外置，各模塊之間的通信需要經(jīng)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(yōu)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(shù)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(fā)布會上公布，但實際積淀十年，定位是多終端系統(tǒng)。華為早期表示方舟編譯器將大幅提升手機端安卓系統(tǒng)的運行效率，而開發(fā)編譯器其實是協(xié)助鴻蒙操作系統(tǒng)更深層次布局邊緣計算、服務器等領域。對傳統(tǒng)編譯器而言，編譯時點、跨語言編譯是制約應用程序執(zhí)行效率的瓶頸。應用程序的執(zhí)行要經(jīng)過字節(jié)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(zhí)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(fā)者環(huán)節(jié)。在安卓的體系下，一些復雜動態(tài)語義的編譯仍需交由虛擬機完成。方舟編譯器開發(fā)團隊通過梳理 Java的動態(tài)語義，進行了大規(guī)模的數(shù)據(jù)建模，尤其是在跨語言編譯時，大大提高了動態(tài)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(tài)語義匹配機制，有效降低了運行時動態(tài)語義的開銷。最終結果是，方舟編譯器能夠在應用程序執(zhí)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(lián)網(wǎng)邊緣計算而言尤為重要。
方舟編譯器對開發(fā)者友好，利于形成良好生態(tài)。過去安卓等系統(tǒng)避免在開發(fā)者環(huán)節(jié)涉及編譯，一大原因是為了降低開發(fā)難度，開發(fā)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(fā)環(huán)節(jié)，并不增加開發(fā)者負擔，相反開發(fā)者還能通過方舟預置算法進行代碼優(yōu)化，還可自行開發(fā)代碼優(yōu)化算法，未來代碼優(yōu)化甚至有可能遷移至云端。開發(fā)環(huán)境友好是鴻蒙搭建良好生態(tài)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(tǒng)，相當于經(jīng)驗豐富的司機駕駛傳統(tǒng)的手動擋汽車；而方舟編譯器搭配鴻蒙操作系統(tǒng)，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(jù)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(zhàn)力，并與自有麒麟、鯤鵬等硬件架構協(xié)同，形成類似 Win-tel 的軟硬件格局。
產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)新藍海下，“華為之于物聯(lián)網(wǎng)”可類比“蘋果之于移動互聯(lián)網(wǎng)”。
①生態(tài)。鴻蒙與方舟編譯器將開源，擁抱海量開發(fā)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(yōu)化 Android 操作系統(tǒng)的流暢度。在更廣泛的 IoT 領域，方舟編譯器支持多語言統(tǒng)一編譯，也支持混合編程，實現(xiàn)“一次編程，多端使用”，極大降低了開發(fā)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(tài)。
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(tǒng)，再到到編譯工具、應用軟件的全棧軟硬件方案。類比蘋果產(chǎn)業(yè)鏈，華為內部已基本形成核心硬件環(huán)節(jié)的自研，例如新發(fā)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(tǒng)在山東移動 BSS 實現(xiàn)國產(chǎn)替代等。因此鴻蒙相比谷歌 Fushcia 等純軟件體現(xiàn)出硬件優(yōu)勢（蘋果于 2019 年 7 月收購英特爾 5G 基帶部門也體現(xiàn)自研芯片對系統(tǒng)生態(tài)的重要性）。
③先發(fā)優(yōu)勢+持續(xù)創(chuàng)新。鴻蒙前身 LiteOS 早已推出，擁有商用經(jīng)驗和先發(fā)優(yōu)勢。物聯(lián)網(wǎng)基礎是網(wǎng)絡，華為在 5G 領域的深厚積淀。例如，其于 2019 年初發(fā)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(xiàn) 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(wǎng)，已經(jīng)完全滿足未來 5G 產(chǎn)業(yè)不同階段的商業(yè)需求，相比行業(yè)標桿的高通 X50 已取得領先。華為 5G 技術的先發(fā)優(yōu)勢與持續(xù)創(chuàng)新是鴻蒙作為 IoT 多終端操作系統(tǒng)取得成功的保障。
操作系統(tǒng)意味著應用平臺與流量入口。上述從生態(tài)、硬件、先發(fā)優(yōu)勢+持續(xù)創(chuàng)新三方面看，擁有操作系統(tǒng)將幫助華為在物聯(lián)網(wǎng)領域擁有更強話語權，將沿蘋果在移動互聯(lián)網(wǎng)時代的路徑，成長為 5G+IoT 的巨頭。
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2、信創(chuàng)產(chǎn)業(yè)研究框架
3、ARM行業(yè)研究框架
4、CPU研究框架
5、國產(chǎn)CPU研究框架
6、行業(yè)深度報告：GPU研究框架
2021年信創(chuàng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告
信創(chuàng)產(chǎn)業(yè)系列專題（總篇）
中國信創(chuàng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書（2021）
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