AliOS Things的基本架构和如何在MCU上应用AliOS Things的介绍

随着物联网设备的普及，物联网操作系统也成了广大开发者热烈讨论的话题之一，很多的组织和厂商都推出了在物联网节点上的基础软件——物联网操作系统，如服务器巨头Alibaba推出的AliOS Things，Amazon公司的Amazon FreeRTOS，再如开源社区领袖Linux基金会推出的Zephyr，以及在国内知名度很高的RT-Thread等等。

这些物联网操作系统各具优势，小编参与过AliOS Things的开发，今天就讲讲AliOS Things的基本架构。

在恩智浦MCU上使用AliOS Things

讨论AliOS Things之前，先来看看恩智浦在这上面做了哪些工作，有哪些产品可以支持这一物联网操作系统。

恩智浦的工程师和广大开发者，在AliOS Things上已经完成了大量的平台移植工作。在AliOS Things的GITHUB上，已经有数十款MCU通过了AliOS Things的认证测试，并获得了设备认证。

下面是已经获得认证的部分恩智浦MCU的列表：

MCU系列	产品型号 (RAM/Flash容量 KB)
LPC	LPC54102(104 / 512) LPC54101(104 / 512或 104 / 256) LPC54113(192 /256或96 /128) LPC54114(192 /256) LPC54605(136 /256 或 200 / 512) LPC54606(136 /256 或 200 / 512) LPC54607(136 /256 或 200 / 512) LPC54616(136 /256 或 200 / 512) LPC54618(200 /512) LPC54628(200 /512) LPC54005(360 / 无片上闪存) LPC54016(360 / 无片上闪存) LPC54018(360 / 无片上闪存)
Kinetis	MKL17Z32 (8 / 32) MKL17Z64 (16 / 64) MKL17Z128(32 / 128) MKL17Z256(32 / 256) MKL27Z32 (8 / 32) MKL27Z64(16 / 64) MKL27Z128(32 / 128) MKL27Z256(32 / 256) MKL33Z128(16 / 128) MKL33Z256(32 / 256) MKL43Z128(16 / 128) MKL43Z256(32 / 256)
i.MX RT	MIMXRT1052(512 / 无片上闪存) MIMXRT1051(512 /无片上闪存) MIMXRT1021(256 /无片上闪存)

从这个表里可以看出，很多恩智浦主流的MCU产品都已经支持了AliOS Things。另一个要点是，表中可以看到这些MCU的存储容量跨度很大，最小只有8KB RAM和32KB Flash，这说明AliOS Things可以适应非常广泛的MCU配置，适应性很强。

下面就详细看看AliOS Things的内部模块和功能配置。

AliOS Things是什么？

AliOS Things是阿里巴巴推出的物联网设备端软件框架，物联网设备可以通过AliOS Things设备框架接入阿里云，使用云服务器提供的相关物联网设备服务。

AliOS Things软件框架是基于APACHE2.0协议的开源软件，项目地址为

https://github.com/alibaba/AliOS-Things

AliOS Things软件架构可以从下到上分为四层，硬件和硬件抽象层、AOS操作系统层、应用框架层和应用层，下层组件为上层业务逻辑的实现提供支撑机制。

下图是AliOS Things的整体框图：

1. 硬件和硬件抽象层

物联网节点应用的多样性，导致物联网硬件的巨大差异。

物联网节点设备上的传感器、通信模块、微控制器的内核架构，外设组件等都不相同，物联网操作系统在不同硬件平台的可移植性，是其成功与否的一大挑战。

为了增加物联网操作系统在不同硬件平台的可移植性，AliOS Things对物联网硬件提供了3组不同层级的硬件接口，包括微控制器内核架构模块(图中的CPU模块)，片上系统片上外设模块(图中的HAL模块)，和基于电路板的模块(图中的BSP模块)。

在Github的项目中，CPU相关源码位于/AliOS-Things/platform/arch目录，HAL相关源码位于/AliOS-Things/platform/mcu目录，API定义文件为/kernel/hal/include/hal/hal.h，BSP相关源码位于/AliOS-Things/board目录。

2. AOS操作系统层

AOS操作系统层主要由核心组件(Kernel)、网络协议栈(Protocol Stack)和安全组件构成。

核心组件

Rhino是一个实时操作系统内核。和其他操作系统内核类似，Rhino提供了操作系统的基本功能，如多任务管理、任务间通信、内存管理等。内核也支持软件定时器及功耗管理。如果读者希望对Rhino内核有更多的了解，可以参考AliOS Things百科

https://github.com/alibaba/AliOS-Things/wiki/AliOS-Things-FreeRTOS-Porting-Guide.zh，文章介绍了更多关于Rhino内核的移植、性能、代码尺寸等信息。

VFS是一个虚拟文件系统，提供了设备文件接口。类似于Linux系统，除了存储在存储器上的文件外，硬件设备(如传感器、麦克风等)也可以通过VFS设备接口访问。

YLoop是一个用于进程间通信的异步事件框架，提供了在任务中接收/处理/发布系统消息、定时器消息、用户消息、IO消息(传感器、WiFi)的机制。Yloop机制广泛的用于AliOS Things的设备框架层和应用程序中。

Key-Value Pair(KV)键值对，提供了键值对在Flash或EEPROM上的增加、删除、修改、查询等接口。上层业务可以通过键值对接口，完成对硬件设备数据(Sensor校准参数)或用户数据(WiFi SSID)的管理。

除此以外，核心组件还提供了POSIX兼容接口和低功耗的支持。

核心组件的相关源码位于/AliOS-Things/kernel目录。

网络协议栈(Protocol Stack)

AliOS Things网络协议栈包括IP和非IP设备的网络协议。对于IP网络，协议栈既提供基于LWIP的支持，也提供了MCU + Wi-Fi模块或Wi-Fi片上系统的支持。对于非IP网络，协议栈包括蓝牙、LoRa WAN、zigbee等。

在物联网节点中使用的Wi-Fi模块并非统一规格。在总线连接方式上，Wi-Fi模块的接口可能支持UART/SPI/SDIO的一种或几种；在访问方式上，有的Wi-Fi模块使用基于AT命令的控制方式，有的Wi-Fi模块使用裸Socket形式的API。

套接字适配层SAL(Socket Adapter Layer)旨在抽象Wi-Fi模块的差别，以提供应用层网络服务或者网络应用程序的可移植性，向上层提供BSD Socket接口。

对于设备组网，AliOS Things网络协议栈还提供基于不同平台的uMesh库。

网络协议栈相关源码在/AliOS-Things/network目录。

安全组件

AliOS Things对于安全的支持要有以下方面：

基于mbed tls提供TLS支持，用于建立服务器和IoT节点的安全可信通信连接。

提供软件密码学引擎

提供安全存储的接口

提供基于ID2的预置可信根和相关认证机制

提供可信执行环境TEE的例子

安全相关源码位于/AliOS-Things/security目录。

3. 应用框架(中间件)

应用框架包括固件升级框架、传感器采集框架、物联网通信协议、语音服务、Java Script解释器和工具。

Linkkit中间件支持各种适用于物联网的应用层协议，包括MQTT、CoAP、ALink、HTTP、HTTP2等。

uData提供了传感器采集框架，在uData框架中，传感器数据表示成为传感器类型，传感器数据和时间戳的实例。

Tiny Engine是一个Java Script脚本解释器，为实现最终应用的跨硬件平台的运行能力。

固件升级FOTA，基于网络的固件升级在物联网终端节点非常普及。物联网设备固件存放在AliCloud中，AliCloud管理入网设备和对应的固件版本。在物联网设备和AliCloud建立可信安全连接后，物联网设备通过MQTT升级主题订阅，或者Alink相关协议实现待升级固件的下载。在物联网应用中，由于网络的不稳定，实现固件升级通常需要实现“双备份”升级方式，物联网设备的Flash一般会划分有独立的存储升级文件的区域，这也要求物联网节点设备比传统设备需要更多的存储空间。

此外，AliOS Things还提供了语音云服务接口LinkVoice，物联网终端节点可以上传语音数据，使用阿里云的诸如语音识别等的云服务。

AliOSThings应用框架及中间件相关源码位于/AliOS-Things/middleware目录。

4. 应用实例

AliOS Things提供了各种应用实例，指导开发者如何使用AliOS Things提供的各种机制，以完成物联网设备和AliCloud之间的互联通信。

通过BUILD系统和交叉编译工具链，这些应用可以在支持AliOS Things的硬件平台上运行。

AliOS Things应用实例的源码位于/AliOS-Things/app目录。

结束语

恩智浦长期致力于物联网，以及在AliOS Things平台下的开发和移植工作。如果您心意的MCU不在列表中，请让我们知道，我们有足够的经验和知识，可以帮助您进行平台的移植和设备认证。

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