中國網/中國發展門戶網訊  操作系統是計算系統的核心，也是信息產業生態的核心，更是信息時代安全的基石。操作系統向下管理各種硬件資源，向上為用戶和應用程序提供服務支持。正是操作系統的出現，才使得計算機從早期的專用專屬走向如今的通用大眾，并帶來計算機應用的繁榮。

操作系統的發展線

回顧操作系統近?70?年的歷史，存在主、輔兩條發展線。

主線：面向單機的操作系統的發展。主機（mainframe）時代，圍繞如何提升計算資源的利用率，出現了作業批處理、共享資源、分時處理、資源管理等概念與機制，操作系統形態慢慢形成和完善。早期的主機操作系統基本上是專用專屬，即為每種計算機都要去實現一套操作系統。20?世紀?60?年代，IBM OS/360?系列操作系統具備了現代通用操作系統的雛形，其多道作業批處理機制、虛擬機機制等有效提升了硬件效能；尤其是該系統提供了標準接口用于連接外部設備，實現了其在?IBM 360?系列大型機家族中通用，方便了應用程序的移植，這標志著操作系統開始從專用走向通用。20?世紀?70?年代初，美國貝爾實驗室為小型機（minicomputer）研發成功的?UNIX?操作系統，被認為是第一個現代意義上的通用操作系統。UNIX?引入了眾多革新性設計，是第一個采用?C?高級語言編寫的操作系統，具有優秀的跨平臺可移植性，能為不同廠商、不同種類的計算機提供一致和標準的應用程序編程接口（API），從而迅速獲得廣泛應用和推廣，并對后續操作系統的發展產生了深遠的影響。UNIX?之后，單機操作系統的結構和核心功能基本上定型，此后的發展主要是為適應不同的應用環境與用戶需求而推出新型用戶界面與應用模式，以及面向不同應用領域進行定制與優化。例如：個人計算機操作系統?Windows?和?MacOS?提供基于圖形用戶界面的友好人機交互方式；開源開放的?Linux?操作系統是對?UNIX?的繼承和衍化；智能終端操作系統?Android?和?iOS?等則進一步改進了面向移動終端的易用性，并創造了新型的應用軟件發布模式——應用程序商店（App Store）。

輔線：對網絡和基于網絡的并行、分布計算提供更好的支持。分布式操作系統、網絡中間件、網絡操作系統等概念也相應誕生。操作系統對網絡的支持首先表現為提供基于網絡的遠程訪問和網絡化資源管理的能力；進而將網絡視為應用的運行平臺，通過網絡中間件屏蔽底層異構性，提供通用的網絡相關功能，支撐網絡應用軟件的運行和開發。隨著互聯網的快速發展，操作系統面向的計算環境在從單機、局域網平臺向互聯網平臺延伸，“網絡就是計算機”（The Network is the Computer）、“互聯網作為計算機”（Internet as a Computer）等概念應運而生，出現了“軟件即服務”（Software as a Service）等新型應用模式；為了更好地對不同的互聯網計算與應用模式提供支持，以及管理和利用互聯網平臺上龐大的計算資源和數據資源，出現了面向新型互聯網應用、基于單機操作系統的網絡化操作系統。例如，互聯網操作系統（Internet OS）理念的提出，包括基于瀏覽器的各類?Web OS、云計算操作系統（Cloud OS）、數據中心操作系統等。

此外，遵循向下管資源、向上支撐應用的原則和理念，操作系統的概念開始擴展和泛化，出現了智慧城市操作系統（Urban OS）、家庭操作系統（Home OS）、機器人操作系統（ROS）等。

操作系統重大變遷的“20?年周期律”

考察操作系統幾十年來的發展，其主要驅動力是面向計算機硬件的迅速發展，以更好、更高效地管理硬件資源并充分發揮硬件資源所提供的計算能力；同時，面向新的應用需求和用戶需求，沉淀應用領域共性，提供更便利、易用的人機交互和應用支撐。因此，隨著新型硬件資源的發展和新型應用模式的出現，操作系統不斷演化和變遷。

梳理操作系統發展的重要事件及其時間節點，其重大變遷存在“20?年周期律”，即每?20?年出現一次跨越式發展機遇，誕生新一代操作系統。主機計算時代（20?世紀?60—80?年代）的?IBM OS/360、DEC VMS?和?UNIX，個人計算時代（?20?世紀?80?年代—2000年）的微軟?Windows?和開源?Linux，以及移動計算時代（2000—2020?年）的谷歌?Android?和蘋果?iOS?是各自時代的代表性操作系統，并引領了各自領域的操作系統生態。當然，“20?年周期律”并不是說操作系統的新生態取代了舊生態，而是新、舊生態并存，但新生態相比舊生態在裝機數量和用戶規模上卻是?1—2?個數量級的擴張。

在這個變遷過程中存在幾個有趣現象：每代操作系統形成規模、占領市場、形成壟斷后，鮮有在原賽道上后發趕超的例子；原賽道的領先者均未在新型操作系統的新藍海延續其成功，如?IBM?之于個人電腦（PC）操作系統市場、微軟之于智能終端操作系統市場等；新生態的引領者均試圖采用“農村包圍城市”的策略進軍原有生態，如微軟進軍服務器操作系統市場、谷歌進軍桌面操作系統市場等。

筆者以為，“20?年周期律”是源于計算機產業發展的“貝爾定律”，即計算設備約每?10?年完成?1?次升級換代，設備數和用戶數均增加至少?1?個數量級。客觀而言，新型計算模式及激增的新型計算設備共同催生了新型應用，帶來新的藍海和巨大創新空間，間次推動操作系統的升級換代和新型操作系統的誕生，進而形成新的操作系統生態。在每次升級換代的階段，原賽道的領先者可能因為“思維定式”和“路徑依賴”，往往對新藍海的機遇反應緩慢，因而痛失良機。而新形態的引領者往往都先占據了新藍海的用戶入口掌控權，如微軟之于個人計算、谷歌之于萬維網和移動計算。對于通用計算領域，領先者一旦建立并完善新的產業生態，就占有了生態主導權，后發者就很難有機會實現趕超。歷史經驗表明，如果希望在操作系統領域有所作為，就必須把握住新藍海出現帶來的寶貴機遇。 

面向泛在計算的新形態泛在操作系統

人機物融合泛在計算新藍海

當前，隨著互聯網向人類社會和物理世界的全方位延伸，一個萬物互聯的人類社會、信息系統、物理空間（人機物）融合泛在計算（ubiquitous computing）的時代正在開啟。據全球綜合數據資料庫Statista發布的數據，2019?年全球聯網的物聯網終端數量已達百億，超過了非物聯終端的數量，2025?年預計將突破?300?億，未來千億規模已然可期。

面向未來人機物融合泛在計算的新模式和新場景，軟件定義一切、萬物均需互聯、一切皆可編程、人機物自然交互將是其基本特征。除傳統計算設備（“機”）和新興物聯設備（“物”）外，“人”作為一種新的重要元素的參與，構成了極其復雜且動態多變的計算環境。所謂泛在計算，是指計算無縫融入物理環境，無處不在、無跡可尋。泛在計算的環境多變、需求多樣、場景復雜，要求硬件資源、數據資源、軟件平臺、應用軟件具有柔性靈活的軟件定義能力、動態適配能力、泛在互聯能力和自然交互能力。面向“物”，海量的、更為輕量級的各類計算、傳感設備帶來系列管理調度新挑戰；面向“人”，“人在回路”導致不確定的復雜交互和動態按需定制；面向“網”，物聯場景帶來低延遲更可靠的剛需；面向“應用”，動態多樣性帶來新的共性凝練需求……，這些均是現有操作系統尚不具備的能力。從“20?年周期律”的視角，千億規模的各類泛在物聯終端和新型的泛在計算模式的出現，意味著操作系統進入新的?20?年發展周期的條件已然具備，新的藍海已然出現。

國內外新形態操作系統探索

國內外學術界和產業界已有不少面向特定計算場景和新型業務需求的新型操作系統實踐。例如，美國西北大學提出面向信物融合的先進制造操作系統計劃；谷歌公司提出?Fuchsia OS?計劃，用于支持桌面設備、移動終端、物聯網設備及其互聯；大眾汽車公司啟動?vw.os?汽車操作系統計劃，嘗試轉型“軟件公司”，將可能對上下游產業鏈產生變革性影響；阿里巴巴公司推出以驅動萬物智能為目標的移動操作系統?AliOS；華為公司發布了面向全場景、全連接的智能終端操作系統鴻蒙?OS?和?Open Harmony?等。此外，還出現了眾多的物聯網節點操作系統，如?FreeRTOS、RIOT、Zephyr、TinyOS、Contiki、Android Things?等，而這些均可歸為針對泛在計算場景的操作系統。

上述新型操作系統實踐大多是從傳統的嵌入式操作系統技術途徑針對特定泛在計算場景進行切入和擴展，在資源管理、網絡協同、人機交互、應用模式等方面分別進行了新的技術探索。嵌入式操作系統是一類重要的單機操作系統，源于?20?世紀?70?年代的單片機。單片機（single-chip microcomputer）集成了計算機的主要組件，形成一個功能較完善的極微型計算裝置，廣泛應用于工業控制等領域，也稱微控制器（microcontroller）。單片機/微控制器的出現意味著在各類設備/物體中“嵌入”計算裝置成為可能，嵌入式系統及其操作系統的概念隨之出現，這可被視為原始的“泛在計算”嘗試。嵌入式系統主要面向微控制器等資源受限環境，并且與物理世界直接交互，因此需要非常輕量化，并要保證實時性（時間確定性）。不過，物聯網操作系統有其新的關注點：一方面，強調對“連接”及建立在連接基礎上的分布計算甚至“云-邊-端”融合計算的支持，從而支撐“萬物互聯”的目標；另一方面，強調對異構物聯網設備能力的統一抽象，從而屏蔽物聯網設備的碎片化特征，為提升物聯網可管理性、可維護性、構建良好物聯網生態環境奠定基礎。考察物聯網操作系統現狀，其技術體系還過于碎片化，在計算模型、共性凝練、人機交互、安全保障等方面均難以滿足人機物融合泛在計算的需求。

泛在操作系統：內涵與外延

人機物融合泛在計算模式的新特征對新型操作系統帶來的挑戰是全方位的：既需要面臨“云-管-邊-端-物”乃至“人”的海量異構資源尤其是各種泛在化的“端”資源的有效管理，也需要進行各種多樣化的新型應用的共性凝練，還需要支持和適應場景動態多變的復雜泛在計算環境，應對開放環境帶來的安全可信挑戰。因此，有必要對面向泛在計算場景的新型操作系統進行整體性和系統性的認識，嘗試為其建立新的理論、技術和應用體系，推動計算模型、體系結構、應用構造、可信保障等方面的創新發展。

基于對各類新型操作系統研發實踐的梳理和對泛在計算場景的理解，筆者以為，面向人機物融合泛在計算場景，需要“沉淀”一類新型操作系統——沿襲過去以計算模式分類操作系統的慣例，可稱為“泛在操作系統”（Ubiquitous Operating System，UOS）。泛在操作系統支持新型泛在計算資源的管理和調度，以及泛在應用的開發運行。由于泛在計算場景的領域行業特定性、泛在計算資源的廣譜多樣性和極端特異性，泛在操作系統的領域性和專用性將會比較突出，有必要面向不同的應用模式和場景構建不同的泛在操作系統。因此，不會有“大一統”的通用、普適的泛在操作系統，而是會存在領域或應用場景定制的多樣性的泛在操作系統。

從單機操作系統發展主線視角，泛在操作系統秉承泛在計算的基本思想，特指面向泛在化計算資源管理，支持泛在應用開發運行，具有泛在感知、泛在互聯、輕量計算、輕量認知、反饋控制、自然交互等新特征的新形態操作系統；其發展重點將是支持低功耗?CPU?的輕量、實時、可靠內核，以及“感、聯、知、控”的共性框架凝練。從操作系統網絡化發展的輔線視角，泛在操作系統也可被“廣義”地用于指代基于單機操作系統（節點操作系統）、面向網絡環境與場景的新型“中間件”層系統軟件；其遵循的是操作系統的“操作”和“管理”功能本質，支持靈活多樣的資源虛擬化與異構性橋接能力，支持新型計算模式下的應用開發與運行支撐。 

挑戰與機遇

泛在操作系統面對的泛在資源呈現海量、異質、異構、自主等特性，資源管理的復雜度呈指數級增加；系統運行環境從單一信息空間變為人類社會、信息系統、物理空間（人機物）三元融合空間，轄域范圍和性質發生了根本性變化；應用模式更為多樣化，領域性和專用性突出，資源特性和應用需求更為極端化和個性化，開發與運行支撐更為困難；萬物互聯帶來了更突出的安全可信問題，多域融合使得信任從單點單向變為多方多元互信，信任關系錯綜復雜，可信性難以保障。為了支撐人機物融合計算模式，應對新應用和新場景帶來的挑戰，泛在操作系統需要在體系結構、運行機理、應用構造、可信保障等方面進行創新性研究。

體系結構與運行機理。與通用的個人計算機、移動智能終端不同，泛在計算領域的設備專用性、特異性、受限性突出，通常要求操作系統可定制、柔性化、可演化，同時要具有低能耗、低時延、高可靠、實時性等性質，這對操作系統的體系結構提出了重大挑戰。當泛在設備無縫嵌入、融入各種物體中并變得無處不在時，加之顧及“人在回路”帶來的復雜影響，新型泛在操作系統的運行機理、交互方式、管理機制等都將發生相應變化——場景相關的數據、知識與智能的因素凸顯，操作系統需要具備環境感知、自我管理、群體協同的能力，以適應所處的泛在計算場景。

應用構造與軟件定義。泛在操作系統要支持方便地構造可感知環境、泛在互聯、多維認知、自然交互的應用，需要新型的對數據、知識、智能和安全支持更好的程序設計模型、語言與運行機制。對人機物融合場景與計算環境各種實現感知、運算、通信、執行、服務等能力的異構資源進行合理有效抽象，需要領域特定的程序設計模型，以更好適應從硬件等“有形”資源虛擬化向數據、知識等“無形”資源虛擬化延伸；并且，通過軟件定義途徑滿足跨組織域的資源管控與配置需求，支持泛在應用的構造。凝練應用共性，需要提供對領域知識和人工智能（AI）模型等的封裝庫，支持以低代碼甚至無代碼化的方式開發泛在應用，降低特定場景和領域的軟件開發門檻；還需要提供合適的泛在應用運行時（runtime），方便在泛在環境下加載和管理由各種語言編寫的泛在應用。

可信與安全保障。萬物互聯導致系統前所未有的開放，系統的可靠性和安全性保障面臨著空前的挑戰。從單個泛在計算終端的角度，需要具有內構安全機制，具備識別“自己（正常）”和“非己（惡意）”行為的免疫機制，保護系統自身的數據安全（security）和隱私（privacy）。從整個人機物融合泛在系統的角度，需要建立類社會化運作的系統化的安全與信任機制，應對多方多元互信的挑戰，保證整個人機物融合系統的安全可靠可信運行。

可以預見，人機物融合泛在計算的新藍海蘊含著新的發展機遇，將帶來巨大的創新空間。由于人機物融合泛在計算的領域性、專用性突出，泛在操作系統本質上屬于領域和行業專用平臺，而行業應用場景的多樣性意味著圍繞行業構建生態成為可能。因此，未來的泛在操作系統將不會存在像?Windows?和?Android?那樣的絕對領先者，而將呈現多個操作系統生態共存的多元化格局。泛在操作系統既有傳統操作系統面臨的老問題，又有新場景和新需求帶來的新問題，這無疑為操作系統的基礎研究及新型操作系統的研發帶來了難得的歷史性機遇。 

對我國發展操作系統的若干認識與思考

我國在傳統操作系統原賽道上的跟隨追趕

由于起步晚、基礎差，我國操作系統發展長期處于跟隨狀態。在主機計算時代，我國操作系統發展的主要任務是面向國家戰略急需，填補系統軟件方面的空白，自力更生為國產計算機提供配套。從個人計算時代開始，國際上操作系統從專用化走向通用化，并開啟了商業化之路；市場領先的主流操作系統在全世界范圍形成了壟斷和主導之勢，也極大影響了我國的操作系統發展。改革開放后，我國操作系統的發展逐漸和國際主流接軌，跟隨學習國際主流商業和開源操作系統，走兼容創新之路：20?世紀?90?年代之前，主要跟隨、學習?Unix；進入?21?世紀后，開始轉向基于開源?Linux?操作系統內核進行深度定制和二次開發。在移動操作系統領域，國內廠商基本是以?Android?開源項目（Android Open Source Project）為基礎進行二次開發。在網絡化操作系統方面，國內廠商研制了多個云操作系統，并在應用規模和性能表現等方面達到了國際先進水平。

總體來說，在面向傳統計算平臺的傳統操作系統原賽道上，我國仍處于跟隨、追趕狀態；由于不掌握操作系統生態的主導權，大規模發展面臨諸多困難。然而，出于國家安全和產業發展自主可控的需要，原賽道上以“國產替代”為目標的競爭策略仍是必要的，需要繼續努力。同時，面向人機物融合、萬物互聯的新藍海，也需要積極開展在新型操作系統新賽道上的研發布局。

數字化轉型為操作系統發展帶來新空間

當前，我國正在大力推進數字中國建設和數字經濟發展。2021?年?10?月?18?日，習近平總書記在中共中央政治局就推動我國數字經濟健康發展進行的第?34?次集體學習時強調，數字經濟發展速度之快、輻射范圍之廣、影響程度之深前所未有，正在成為重組全球要素資源、重塑全球經濟結構、改變全球競爭格局的關鍵力量；要充分發揮海量數據和豐富應用場景優勢，促進數字技術和實體經濟深度融合，賦能傳統產業轉型升級，催生新產業新業態新模式，不斷做強做優做大我國數字經濟。

推動各行各業數字化轉型，這對人機物融合泛在計算提供了巨大的市場空間，對萬物互聯相關的新技術及數字信息基礎設施帶來迫切需求。數據顯示，2019?年我國數字經濟規模達?35.8?萬億元，占國內生產總值（GDP）的?36.2%，對?GDP?增長貢獻率為?67.7%；2020?年數字經濟總體規模達?39.2?萬億元。2017?年規模以上工業企業生產設備數字化率、數字化設備聯網率分別達到?44.8%?和?39%；2020?年6?月全國制造企業生產設備數字化率達?48.7%；2020年，規模以上工業企業數字化設備聯網率提升至43.5%。數字化轉型已成為不可逆的發展趨勢，其重要表征正是面向萬物互聯的人機物融合泛在計算。

積極尋求在泛在操作系統新賽道的發展優勢

泛在操作系統是人機物融合泛在計算生態的核心，是數字化轉型的基礎性平臺，更是智能化綜合性數字信息基礎設施的“基礎”。筆者以為，我們需要把握機遇，加快布局，積極尋求在泛在操作系統新賽道的發展優勢。具體可從?3?個方面部署。

加強基礎研究和人才培養。探究人機物融合泛在計算的建模理論和泛在操作系統的基本原理、機理及構造方法學，探究和梳理對未來以數據、知識、智能為核心要素的新型操作系統技術體系，探討構建相應的編程模型、系統平臺、開發方法和支撐工具體系。結合基礎研究，加強泛在操作系統生態相關的研發人才培養體系建設，做好教材和課程建設，打牢系統軟件人才培養的基礎；發揮國家科研項目和評價體系的引導作用，鼓勵更多的高校、科研院所選題聚焦系統軟件；深化產學研合作，加快科研成果到企業產品的雙向互動。

基于開源構建發展生態。軟件開源、硬件開放甚至數據開放已成為不可逆的趨勢。因此，需要從傳統的封閉開發模式轉變為開源開發模式，通過開源社區聚集企業、高校和個人力量，協同推進操作系統技術的迭代創新；需要廣泛匯聚芯片、終端、系統軟件、開發工具、行業軟件等從業者共同參與，形成智能化綜合性數字信息基礎設施協同創新技術生態，通過全生態整合、全棧優化、軟硬件協同為泛在操作系統發展提供健康環境。

發揮行業優勢支撐生態發展。結合智能制造、智慧農業、智慧城市、數字社會等國家戰略，深耕行業領域需求，發揮行業領域優勢，發展面向行業、領域、場景的多個泛在操作系統生態，與相關行業領域相互支撐、協同發展。

2021?年?9?月，國家自然科學基金委員會信息科學部正式啟動“泛在操作系統及生態構建研究”專項，瞄準國家在操作系統及其生態上的重大戰略需求，探索面向泛在計算場景的操作系統新理論及其軟件定義新方法。2021?年?11?月，工業和信息化部發布了“‘十四五’軟件和信息技術服務業發展規劃”，對泛在操作系統發展做出部署，明確提出要“大力支持開展‘軟件定義’及泛在操作系統平臺相關理論和技術研究”。筆者團隊在提出泛在操作系統研究方向后，即開展了對制造業數字化轉型的研發實踐，依托浙江省北大信息技術高等研究院，研發了面向工業物聯場景的泛在操作系統“矽璓”（XiUOS），幫助促進工業領域人機物的深度互聯和融合計算，并取得初步應用效果。

由于國家的高度重視和產學研各界的共同努力，我國新時期操作系統發展的良好局面正在形成。相信通過開放合作、協同創新、尊重規律、尊重市場，在全球化的大背景下，追求創新發展和卓越引領，一定可以譜寫出我國操作系統發展的壯麗新篇章。

（作者：梅宏，高可信軟件技術教育部重點實驗室（北京大學）、北京大數據先進技術研究院；曹東剛，高可信軟件技術教育部重點實驗室（北京大學）、浙江省北大信息技術高等研究院；謝濤，高可信軟件技術教育部重點實驗室（北京大學）；《中國科學院院刊》供稿）

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