—從軟件定義的角度重新理解操作系統(tǒng)—

我們正處于軟件定義的時(shí)代，軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）、軟件定義汽車（SDV）、軟件定義無線電（SDR），軟件定義戰(zhàn)爭等概念耳熟能詳。更有專家預(yù)言，未來軟件會(huì)定義一切。細(xì)心的朋友就會(huì)發(fā)現(xiàn)，軟件定義的每個(gè)領(lǐng)域都有操作系統(tǒng)（OS）影子，例如軟件定義網(wǎng)絡(luò)離不開網(wǎng)絡(luò)OS，軟件定義汽車離不開汽車OS，軟件定義無線電離不開SCA（本質(zhì)上就是一個(gè)OS）。那就讓我們一探究竟，OS到底與軟件定義有什么關(guān)系。

1.何謂軟件定義？

軟件定義的本質(zhì)是軟硬件解耦，通過修改或升級(jí)軟件的方式重構(gòu)系統(tǒng)功能來快速響應(yīng)需求變化。

軟件定義背后的邏輯是系統(tǒng)不僅滿足用戶當(dāng)前確定性的需求，而且還能滿足用戶未來可變潛在的需求。就像手機(jī)一樣，傳統(tǒng)功能機(jī)只能提供打電話、發(fā)短信功能，每人都必須使用和適應(yīng)它。現(xiàn)在是一個(gè)智能手機(jī)時(shí)代，一部手機(jī)在手，天下我有。

平臺(tái)化和智能化是軟件定義技術(shù)的兩個(gè)主流發(fā)展方向。

那什么是平臺(tái)化呢？用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)約束軟、硬件平臺(tái)的構(gòu)建，利用生態(tài)的力量共同打造平臺(tái)。平臺(tái)支撐上層應(yīng)用，由龐大生態(tài)共同構(gòu)建的平臺(tái)才能催生應(yīng)用的繁榮。

在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，Andriod和iOS手機(jī)平臺(tái)就是當(dāng)今最成功的平臺(tái)級(jí)解決方案。

怎么理解智能化？這里的智能包括兩個(gè)層面的含義。

第一層是指狹義的智能，特指人工智能，模仿人類的認(rèn)知體系為機(jī)器賦能；第二層是指廣義的智能，泛指系統(tǒng)功能的多樣性、可變換性，可以滿足用戶的千人千面的需求。

智能手機(jī)未必就“智能”，只是可以滿足用戶的各種需求而已。

2.為什么談“軟件定義”避不開操作系統(tǒng)？

軟件定義的核心是API（Application Program Interface）。API之上一切皆可編程，其本質(zhì)是軟硬件解耦。

由誰來提供API？由誰實(shí)現(xiàn)軟硬件解耦？答案是“操作系統(tǒng)”。

如下圖所示，在一個(gè)軟件定義系統(tǒng)三層架構(gòu)的系統(tǒng)中，操作系統(tǒng)是平臺(tái)的一部分，是連接硬件平臺(tái)與上層應(yīng)用及用戶的中間橋梁。

圖1 軟件定義系統(tǒng)三層架構(gòu)

偉大的古希臘物理學(xué)家阿基米德曾說過“給我一個(gè)支點(diǎn)，我可以撬動(dòng)整個(gè)地球”。操作系統(tǒng)之于軟件定義系統(tǒng)就是一個(gè)支點(diǎn)，它的作用是充分發(fā)揮硬件載體的價(jià)值，催生無限繁榮的應(yīng)用生態(tài)。

圖2 OS是軟件定義系統(tǒng)的支點(diǎn)

3.操作系統(tǒng)的進(jìn)化邏輯

操作系統(tǒng)定義是“控制和管理整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件和軟件資源，并合理的組織和調(diào)度計(jì)算機(jī)的工作和資源的分配，以提供給用戶和其它應(yīng)用軟件方便的接口和環(huán)境，它是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中最基本的系統(tǒng)軟件?！? 對(duì)以上定義進(jìn)行簡單的解讀： 1）負(fù)責(zé)計(jì)算機(jī)軟硬件資源調(diào)度 2）為上層的應(yīng)用、用戶提供接口 3）是系統(tǒng)軟件，而不是應(yīng)用軟件 操作系統(tǒng)的核心的職能是資源調(diào)度與管理，為用戶及應(yīng)用軟件提供一致的API。

在主機(jī)計(jì)算時(shí)代，操作系統(tǒng)的調(diào)度的對(duì)象是CPU及相關(guān)附屬資源，IBM OS/360是現(xiàn)代操作系統(tǒng)雛形，提供了標(biāo)準(zhǔn)接口連接外部設(shè)備。

20世紀(jì)70年代初，由貝爾實(shí)驗(yàn)室研發(fā)UNIX操作系統(tǒng)是一個(gè)現(xiàn)代意義上的通用操作系統(tǒng)，解決了跨平臺(tái)移植問題，能為不同廠商、不同種類的計(jì)算機(jī)提供一致標(biāo)準(zhǔn)的API。

在個(gè)人計(jì)算時(shí)代，以個(gè)人PC機(jī)為載體，以微軟Windows和開源Linux為代表，操作系統(tǒng)繼續(xù)強(qiáng)化跨平臺(tái)移植能力，逐步適應(yīng)CPU、內(nèi)存、聲卡、顯卡等硬件資源調(diào)度，并推出新型用戶界面及應(yīng)用模式。

在移動(dòng)計(jì)算時(shí)代，以手機(jī)為載體，以谷歌Android和蘋果iOS為代表，操作系統(tǒng)對(duì)下所管理的對(duì)象延伸到攝像頭、GPS、慣導(dǎo)等各種傳感器，對(duì)上支撐了龐大的應(yīng)用生態(tài)，改變了人類的生活方式。軟件定義的時(shí)代從“軟件定義手機(jī)”逐步開啟。

在萬物互聯(lián)時(shí)代，打通了人、機(jī)、物之間的連接。軟件定義一切、一切皆可編程是這個(gè)時(shí)代的基本特征。操作系統(tǒng)所管理的硬件平臺(tái)無論是種類上還是形態(tài)上都發(fā)生了根本性的變化。

從種類上，硬件資源包括CPU、DSP、FPGA、GPU、NPU等各種異構(gòu)資源；從形態(tài)上，開始向“無形”資源延伸，把數(shù)據(jù)、知識(shí)、時(shí)間、網(wǎng)絡(luò)等資源也納入到操作系統(tǒng)所調(diào)度的范疇。遵循向下管理資源、向上支撐應(yīng)用的原則和理念，從此操作系統(tǒng)的概念開始擴(kuò)展和泛化。

基于此背景下，梅宏院士首次提出“泛在操作系統(tǒng)（Ubiquitous OS）”的概念。目前，智慧城市操作系統(tǒng)（Urban OS）、機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS）、汽車操作系統(tǒng)都是屬于泛在操作系統(tǒng)的范疇。

4.操作系統(tǒng)的路在何方？

人工智能與操作系統(tǒng)相互賦能。

當(dāng)今時(shí)代是智能化的時(shí)代，人工智能為各個(gè)領(lǐng)域賦能。操作系統(tǒng)為AI應(yīng)用提供基礎(chǔ)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)硬件平臺(tái)的資源虛擬化及調(diào)度，充分發(fā)揮硬件所能提供的計(jì)算能力。

未來應(yīng)用的發(fā)展一定是輕量化、多樣性，調(diào)用盡可能少的API實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大的功能。

面向新的應(yīng)用及用戶需求，凝練行業(yè)領(lǐng)域的共性，將應(yīng)用的共性部分逐步沉淀到操作系統(tǒng)層。這時(shí)操作系統(tǒng)就附加上了行業(yè)領(lǐng)域的屬性。顯而易見，未來的操作系統(tǒng)將會(huì)越來越突顯人工智能的能力，高效地管理數(shù)據(jù)、知識(shí)等無形資源。

百度李彥宏說過，“未來的操作系統(tǒng)是基于人工智能深度學(xué)習(xí)框架的系統(tǒng)”。百度DuerOS就是一款融入人工智能的對(duì)話式智能操作系統(tǒng)。

圖3 人工智能與操作系統(tǒng)

操作系統(tǒng)也可以被軟件定義。

美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）在2015年開始啟動(dòng)一項(xiàng)資源自適應(yīng)軟件系統(tǒng)（BRASS）的研究，其核心思想是開發(fā)一個(gè)能經(jīng)受未來100年技術(shù)變革而能自適應(yīng)的軟件技術(shù)體系，該軟件技術(shù)體系能自行對(duì)所在硬件資源生態(tài)系統(tǒng)的變化做出安全、動(dòng)態(tài)式的響應(yīng)。這就需要一個(gè)能被軟件或代碼自行定義的“操作系統(tǒng)”。

雖然軟件定義操作系統(tǒng)在一定程度上可以擴(kuò)展操作系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域和范圍，但是由于計(jì)算資源的多樣性、行業(yè)領(lǐng)域的廣泛性、用戶需求差異性，筆者認(rèn)為：大一統(tǒng)的普適操作系統(tǒng)遙不可及，我們將長期處于根據(jù)應(yīng)用場景定制的多樣性泛在操作系統(tǒng)階段。

審核編輯：劉清