華為鴻蒙操作系統(tǒng)全景解構(gòu)
從技術(shù)、生態(tài)兩角度看，操作系統(tǒng)對(duì)于 ICT 廠商而言具有重要意義，鴻蒙操作系統(tǒng)的推出，對(duì)華為、對(duì)我國(guó)自主可控進(jìn)程的意義不言而喻。
微內(nèi)核、方舟編譯器是鴻蒙生態(tài)的兩大核心要素。微內(nèi)核更適應(yīng)復(fù)雜的程序功能，且能夠更靈活地移植至不同硬件平臺(tái)；方舟編譯器通過(guò)將編譯過(guò)程提前至開(kāi)發(fā)者環(huán)節(jié)提升應(yīng)用執(zhí)行效率，這一點(diǎn)對(duì)于多終端尤其是物聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算而言尤為重要。結(jié)合以上兩大要素看，鴻蒙生而為 IoT 設(shè)計(jì)。
車(chē)聯(lián)網(wǎng)、智慧城市、工業(yè)是華為 IoT 的三大應(yīng)用方向，目前三大應(yīng)用成熟度各有不同，鴻蒙操作系統(tǒng)預(yù)計(jì)將在三大領(lǐng)域起催化作用。
本文參考自“華為鴻蒙操作系統(tǒng)全景解構(gòu)”報(bào)告，全文詳細(xì)介紹微內(nèi)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：
操作系統(tǒng)（OS，Operating System）是管理計(jì)算機(jī)軟硬件資源的“大腦”。常見(jiàn) 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(yīng)用軟件。其中操作系統(tǒng)是介于硬件和應(yīng)用軟件之間的一層重要部分，是管理分配硬件資源、實(shí)現(xiàn)應(yīng)用軟件功能的重要載體。操作系統(tǒng)在 ICT 領(lǐng)域扮演重要角色，其作用可從技術(shù)、生態(tài)兩方面佐證：
（1）技術(shù)角度看，操作系統(tǒng)在程序運(yùn)行的過(guò)程中起重要作用。
一般而言，軟件程序的運(yùn)行需要四大要素：程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言、編譯系統(tǒng)、操作系統(tǒng)、指令集。粗略理解：
①程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言是編程的工具基礎(chǔ)，包括常見(jiàn)的 C、C++、Java、C#等；
②編譯系統(tǒng)的作用是將編寫(xiě)好的程序語(yǔ)言“翻譯”成機(jī)器能夠識(shí)別的二進(jìn)制碼；
③操作系統(tǒng)是調(diào)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(lái)執(zhí)行。
可作以下類(lèi)比：硬件相當(dāng)于高速公路、鐵路等基礎(chǔ)設(shè)施資源，軟件相當(dāng)于駕駛員/旅客，而操作系統(tǒng)則相當(dāng)于各種類(lèi)型的交通工具。汽車(chē)、火車(chē)等交通工具借助公路、鐵路等基礎(chǔ)設(shè)施得以行駛，駕駛員/旅客在交通工具上方能到達(dá)不同目的地。操作系統(tǒng)則是向下對(duì)接硬件，使硬件資源的存在有實(shí)際意義，同時(shí)向上承載各類(lèi)應(yīng)用程序，得以實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用功能；編譯系統(tǒng)在程序運(yùn)行的過(guò)程中，起到方向盤(pán)或?qū)Ш絻x的作用，將駕駛員（軟件）的操作（程序指令）轉(zhuǎn)化為車(chē)輛的位移（機(jī)器語(yǔ)言）。
（2）生態(tài)角度看，總結(jié) Win-tel 與我國(guó)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(jià)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(lǐng)域的絕對(duì)主流，二者結(jié)合后，在軟硬件版本迭代、生產(chǎn)、銷(xiāo)售等環(huán)節(jié)協(xié)同，一時(shí)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(jī)交互界面更加友好；Windows XP 的發(fā)布進(jìn)一步穩(wěn)固了微軟在操作系統(tǒng)領(lǐng)域的領(lǐng)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(yīng)用生態(tài)決定了微軟對(duì)芯片商有較高話語(yǔ)權(quán)。微軟于 2018 年公布 Win10 操作系統(tǒng)已擁有 3500 萬(wàn)個(gè)應(yīng)用、超 1.75億個(gè)軟件版本，支持 1600 萬(wàn)個(gè)硬件/驅(qū)動(dòng)組合。微軟三十余年積累海量開(kāi)發(fā)者，擁有龐大的應(yīng)用基礎(chǔ)，因此對(duì)芯片架構(gòu)的選擇擁有一定話語(yǔ)權(quán)。在 x86 以外微軟已針對(duì) ARM 架構(gòu)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(lǐng)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(dòng)生態(tài)可持續(xù)。“基礎(chǔ)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(shè)計(jì)自動(dòng)化）設(shè)計(jì)工具等領(lǐng)域”。芯片層的創(chuàng)新與投入一直是產(chǎn)業(yè)與資本的關(guān)注重點(diǎn)，但持續(xù)研發(fā)需要商用以及操作系統(tǒng)帶動(dòng)應(yīng)用軟件同步推進(jìn)，如果沒(méi)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(kāi)時(shí)點(diǎn)雖受到外部環(huán)境影響，但實(shí)際已積淀大量商用經(jīng)驗(yàn)。鴻蒙操作系統(tǒng)的發(fā)布時(shí)點(diǎn)體現(xiàn)重大意義，但并非是“從無(wú)到有”的過(guò)程，2012 年華為就已開(kāi)發(fā)物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng) LiteOS，并在可穿戴設(shè)備、智能家居、車(chē)聯(lián)網(wǎng)、LPWA 等領(lǐng)域應(yīng)用，是鴻蒙操作系統(tǒng)的雛形。
LiteOS 解決物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用成本、連接、安全三大痛點(diǎn)，體現(xiàn)華為早期就已探索布局 IoT領(lǐng)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(shè)備為小型化、可移動(dòng)，因此對(duì)續(xù)航能力與單位成本提出較高要求。LiteOS 內(nèi)核小于 10k，同時(shí)通過(guò) MCU 和通信模組二合一的 OpenCPU 架構(gòu)，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(hào)電池可工作 5 年。
（2）連接多樣。物聯(lián)網(wǎng)終端在不同場(chǎng)景下需要不同形式的網(wǎng)絡(luò)連接，尤其進(jìn)入到 5G時(shí)代后，對(duì)系統(tǒng)的連接性能和兼容性要求嚴(yán)格。連接拓展性能強(qiáng)，支持 6LoWPAN、WiFi、BTE、Zigbee 等多種協(xié)議，且設(shè)備間可以自組網(wǎng)、自發(fā)現(xiàn)、互操作，能夠滿(mǎn)足物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的不同連接需求。
（3）安全。物聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)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(nèi)核實(shí)現(xiàn)了雙向認(rèn)證、差分升級(jí)、DTLS/DTLS+等機(jī)制。
未來(lái)成熟商用的LiteOS 將逐步融入鴻蒙操作系統(tǒng)，逐步增強(qiáng)鴻蒙生態(tài)的多終端開(kāi)發(fā)能力。在鴻蒙之前，華為已形成 HiLink（連接標(biāo)準(zhǔn)）+LiteOS（操作系統(tǒng)）+芯片（算力）的IoT“三件套”體系。進(jìn)一步 LiteOS 與鴻蒙結(jié)合，將在 IoT 領(lǐng)域形成強(qiáng)大合力。
鴻蒙從設(shè)計(jì)之初就為多終端（如邊緣計(jì)算 IoT、服務(wù)器等）而生，微內(nèi)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(nèi)核乃操作系統(tǒng)的一種結(jié)構(gòu)形式，將系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各功能的模塊化，更靈活，易于拓展、易于維護(hù)與更新迭代；編譯器可視為人與機(jī)器的“翻譯”，將人的程序語(yǔ)言翻譯給計(jì)算機(jī)可理解并執(zhí)行，是人與計(jì)算機(jī)之間實(shí)現(xiàn)溝通的橋梁。
微內(nèi)核與宏內(nèi)核相對(duì)應(yīng)，是操作系統(tǒng)的一種結(jié)構(gòu)形式。操作系統(tǒng)的核心功能包括文件系統(tǒng)、內(nèi)存和 I/O 設(shè)備管理、CPU 調(diào)度等，宏內(nèi)核即指操作系統(tǒng)將上述功能全部“打包集成”在內(nèi)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(diǎn)，代表系統(tǒng)包括 Linux、Unix 等）。微內(nèi)核則將系統(tǒng)分為各個(gè)小的功能模塊，僅將最核心的調(diào)度、內(nèi)存管理功能保留在內(nèi)核中，驅(qū)動(dòng)、文件系統(tǒng)等以“外部模塊”的形式與內(nèi)核連接，相應(yīng)的優(yōu)勢(shì)是易于拓展、易于維護(hù)與更新、穩(wěn)定性高，代表系統(tǒng)包括 Windows、Mac OS X 等。
鴻蒙微內(nèi)核從底層即為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)。上述可知，微內(nèi)核的最大特性是僅在內(nèi)核中保留最核心功能，因此對(duì)于鴻蒙而言：連接實(shí)時(shí)性更好（響應(yīng)時(shí)延降低 25.7%、時(shí)延波動(dòng)率降低 55.6%），同時(shí)結(jié)合 5G 低時(shí)延場(chǎng)景，尤其適用于工業(yè)控制、智能交通等物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)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(chǎng)景下更能滿(mǎn)足萬(wàn)物互聯(lián)的要求。
鴻蒙微內(nèi)核體現(xiàn)分布式的特點(diǎn)，解決 IoT 生態(tài)協(xié)同的痛點(diǎn)。目前已有操作系統(tǒng)基本只對(duì)應(yīng)于某一種硬件，如 Windows 對(duì)應(yīng) x86 PC、iOS 對(duì)應(yīng)蘋(píng)果手機(jī)等。但 IoT 時(shí)代終端種類(lèi)數(shù)量極大拓展，難以針對(duì)每種硬件分別開(kāi)發(fā)操作系統(tǒng)或應(yīng)用程序，不同硬件終端的生態(tài)無(wú)法共享協(xié)同，開(kāi)發(fā)效率低。而鴻蒙實(shí)現(xiàn)了硬件解耦，即可針對(duì)應(yīng)不同設(shè)備進(jìn)行彈性部署（例如智慧屏、穿戴設(shè)備、車(chē)機(jī)、音箱、手機(jī)等）。同時(shí)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(nèi)核是 IoT 操作系統(tǒng)演進(jìn)方向，鴻蒙微內(nèi)核之效率、安全性業(yè)內(nèi)領(lǐng)先。一般微內(nèi)核系統(tǒng)，由于驅(qū)動(dòng)、文件系統(tǒng)等進(jìn)程被外置，各模塊之間的通信需要經(jīng)過(guò)內(nèi)核“搭橋”，因而效率往往比宏內(nèi)核要低。但鴻蒙微內(nèi)核對(duì)進(jìn)程間通信進(jìn)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(nèi)核的代碼數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于宏內(nèi)核，因此鴻蒙能夠以對(duì)每行代碼進(jìn)行充分的“形式化”的安全驗(yàn)證，顯著提升了內(nèi)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(jī)發(fā)布會(huì)上公布，但實(shí)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(jī)端安卓系統(tǒng)的運(yùn)行效率，而開(kāi)發(fā)編譯器其實(shí)是協(xié)助鴻蒙操作系統(tǒng)更深層次布局邊緣計(jì)算、服務(wù)器等領(lǐng)域。對(duì)傳統(tǒng)編譯器而言，編譯時(shí)點(diǎn)、跨語(yǔ)言編譯是制約應(yīng)用程序執(zhí)行效率的瓶頸。應(yīng)用程序的執(zhí)行要經(jīng)過(guò)字節(jié)碼到機(jī)器碼的轉(zhuǎn)換，程序員在編程時(shí)使用上述 C、C++、Java、C#等程序語(yǔ)言，但硬件的執(zhí)行邏輯是基于 0 和 1 的二進(jìn)制。因此要讓硬件能夠“讀懂”指令，就需要編譯器把“程序語(yǔ)言”轉(zhuǎn)譯成“機(jī)器語(yǔ)言”。
方舟編譯器對(duì)以上兩大瓶頸的解決方案是：將編譯過(guò)程提前至開(kāi)發(fā)者環(huán)節(jié)。在安卓的體系下，一些復(fù)雜動(dòng)態(tài)語(yǔ)義的編譯仍需交由虛擬機(jī)完成。方舟編譯器開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)通過(guò)梳理 Java的動(dòng)態(tài)語(yǔ)義，進(jìn)行了大規(guī)模的數(shù)據(jù)建模，尤其是在跨語(yǔ)言編譯時(shí)，大大提高了動(dòng)態(tài)語(yǔ)義分析的精度；另外，華為設(shè)計(jì)了一套具有核心專(zhuān)利的動(dòng)態(tài)語(yǔ)義匹配機(jī)制，有效降低了運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)語(yǔ)義的開(kāi)銷(xiāo)。最終結(jié)果是，方舟編譯器能夠在應(yīng)用程序執(zhí)行之前，就將 Java 代碼編譯成機(jī)器語(yǔ)言，極大釋放了硬件資源，這一點(diǎn)對(duì)于多終端尤其是物聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算而言尤為重要。
方舟編譯器對(duì)開(kāi)發(fā)者友好，利于形成良好生態(tài)。過(guò)去安卓等系統(tǒng)避免在開(kāi)發(fā)者環(huán)節(jié)涉及編譯，一大原因是為了降低開(kāi)發(fā)難度，開(kāi)發(fā)者只需完成代碼編寫(xiě)即可，而無(wú)需考慮如何跨語(yǔ)言編譯。但方舟方案下將編譯過(guò)程提前至開(kāi)發(fā)環(huán)節(jié)，并不增加開(kāi)發(fā)者負(fù)擔(dān)，相反開(kāi)發(fā)者還能通過(guò)方舟預(yù)置算法進(jìn)行代碼優(yōu)化，還可自行開(kāi)發(fā)代碼優(yōu)化算法，未來(lái)代碼優(yōu)化甚至有可能遷移至云端。開(kāi)發(fā)環(huán)境友好是鴻蒙搭建良好生態(tài)的重要因素。
對(duì)于方舟編譯器，也可類(lèi)比如下：過(guò)去 ART 虛擬機(jī)搭配安卓系統(tǒng)，相當(dāng)于經(jīng)驗(yàn)豐富的司機(jī)駕駛傳統(tǒng)的手動(dòng)擋汽車(chē)；而方舟編譯器搭配鴻蒙操作系統(tǒng)，則相當(dāng)于搭載了 L4 級(jí)別自動(dòng)駕駛的車(chē)輛，車(chē)輛行駛可以隨時(shí)根據(jù)車(chē)況、路況靈活調(diào)整，保證所有乘客的乘車(chē)體驗(yàn)均為最佳。兼容 Java 和 C、C++等多種語(yǔ)言增強(qiáng)了鴻蒙即戰(zhàn)力，并與自有麒麟、鯤鵬等硬件架構(gòu)協(xié)同，形成類(lèi)似 Win-tel 的軟硬件格局。
產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)新藍(lán)海下，“華為之于物聯(lián)網(wǎng)”可類(lèi)比“蘋(píng)果之于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)”。
①生態(tài)。鴻蒙與方舟編譯器將開(kāi)源，擁抱海量開(kāi)發(fā)者。以手機(jī)端為例，方舟編譯器與超過(guò) 40 個(gè)高質(zhì)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(lǐng)域，方舟編譯器支持多語(yǔ)言統(tǒng)一編譯，也支持混合編程，實(shí)現(xiàn)“一次編程，多端使用”，極大降低了開(kāi)發(fā)者負(fù)擔(dān)（例如對(duì)于某款應(yīng)用，只需要一次性完成代碼，就可以適配于手機(jī)、電視、車(chē)機(jī)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(qiáng)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(yīng)用軟件的全棧軟硬件方案。類(lèi)比蘋(píng)果產(chǎn)業(yè)鏈，華為內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)化解決方案，又如自研基于鯤鵬 920 的 Taishan 服務(wù)器等全棧軟硬件系統(tǒng)在山東移動(dòng) BSS 實(shí)現(xiàn)國(guó)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(shì)（蘋(píng)果于 2019 年 7 月收購(gòu)英特爾 5G 基帶部門(mén)也體現(xiàn)自研芯片對(duì)系統(tǒng)生態(tài)的重要性）。
③先發(fā)優(yōu)勢(shì)+持續(xù)創(chuàng)新。鴻蒙前身 LiteOS 早已推出，擁有商用經(jīng)驗(yàn)和先發(fā)優(yōu)勢(shì)。物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)是網(wǎng)絡(luò)，華為在 5G 領(lǐng)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(shí)現(xiàn) 4.6Gbps、在毫米波頻段達(dá) 6.5Gbps 的峰值下載速率，并支持 SA 和 NSA 組網(wǎng)，已經(jīng)完全滿(mǎn)足未來(lái) 5G 產(chǎn)業(yè)不同階段的商業(yè)需求，相比行業(yè)標(biāo)桿的高通 X50 已取得領(lǐng)先。華為 5G 技術(shù)的先發(fā)優(yōu)勢(shì)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(yīng)用平臺(tái)與流量入口。上述從生態(tài)、硬件、先發(fā)優(yōu)勢(shì)+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(lǐng)域擁有更強(qiáng)話語(yǔ)權(quán)，將沿蘋(píng)果在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的路徑，成長(zhǎng)為 5G+IoT 的巨頭。
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