STM32和CC2520的TinyOS移植與驅(qū)動(dòng)分析

摘要：TinyOS系統(tǒng)以其組件結(jié)構(gòu)模型、事件驅(qū)動(dòng)、并發(fā)型等優(yōu)點(diǎn)成為目前最受關(guān)注的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)。但TinyOS不支持STM32和CC2 520芯片。因此在分析TinyOS基本原理、NesC編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)機(jī)制及其編譯過(guò)程的基礎(chǔ)上，介紹了基于STM32和CC2520的TinyOS移植方法，完成了STM32的I／O組件、Timer組件、USART組件、SPI組件和CC2520芯片驅(qū)動(dòng)的移植。在實(shí)現(xiàn)CC2520的基本通信功能基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單MAC協(xié)議。最后測(cè)試了各組件的移植效果。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，節(jié)點(diǎn)可以穩(wěn)定可靠地通信。
關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；TinyOS；STM32；CC2520；移植；驅(qū)動(dòng)

引言
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)是一種應(yīng)用相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)。需要對(duì)某些操作系統(tǒng)進(jìn)行移植。本文采用TinyOS作為軟件平臺(tái)，成功移植了Radio、Timer、USART、SPI和General I／O等5個(gè)底層模塊。測(cè)試結(jié)果表明，移植的5個(gè)底層模塊能夠正常工作。

1 MCU和無(wú)線模塊介紹
STM32系列按性能分成兩個(gè)系列：STM32F103“增強(qiáng)型”系列和STM32F101“基本型”系列，時(shí)鐘頻率達(dá)到72 MHz，是同類(lèi)產(chǎn)品中性能最高的產(chǎn)品。本項(xiàng)目采用芯片STM32F103RBT6。CC2520選用第二代ZigBee／IEEE 802．15．4無(wú)線電頻率(RF)收發(fā)器。

2 TinyOS操作系統(tǒng)和NesC分析
2．1 NesC介紹
NesC是專(zhuān)門(mén)為網(wǎng)絡(luò)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的編程語(yǔ)言，是對(duì)C的擴(kuò)展，它基于TinyOS的結(jié)構(gòu)化概念和執(zhí)行模型而設(shè)計(jì)。主要編程模式包括：事件驅(qū)動(dòng)、彈性并發(fā)型和面向組件程序設(shè)計(jì)等。NesC編譯器進(jìn)行數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)檢測(cè)(提高可靠性)、積極的函數(shù)內(nèi)聯(lián)(降低資源消耗)等整體程序分析，簡(jiǎn)化了應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)。
2．2 TinyOS分析
TinyOS(Tiny Micro Threading Operating System)是由加州大學(xué)伯克利分校開(kāi)發(fā)的開(kāi)源的傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，其本身是由NesC語(yǔ)言編寫(xiě)。TinyOS的組件模型體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。上層組件對(duì)下層組件發(fā)命令，下層組件向上層組件發(fā)信號(hào)通知事件，最底層的硬件抽象組件直接和硬件打交道。

TinyOS的硬件抽象層通常是3級(jí)抽象結(jié)構(gòu)，稱(chēng)作HAA(Hardware Abstraction Architecture)。整個(gè)硬件抽象層分為硬件表示層(HPL)、硬件適配層(HAL)和硬件接口層(HIL)。
硬件表示層(Hardware Presentation Layer，HPL)是對(duì)硬件平臺(tái)的功能性描述，主要通過(guò)存儲(chǔ)單元和I／O映射端口訪問(wèn)硬件和通過(guò)硬件中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)以下功能：能量管理、控制硬件、硬件中斷開(kāi)閉、提供硬件中斷服務(wù)程序等。
在HPL上的是硬件適配層(Hardware Adaptation Layer，HAL)，該層是整個(gè)硬件抽象層的核心，利用HPL提供的原始接口建立硬件描述資源，并通過(guò)狀態(tài)來(lái)反映硬件的使用情況以實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件的仲裁控制，提高系統(tǒng)性能。
硬件抽象層的最高層是硬件接口層(Hardware Interface Layer，HIL)，該層把HAL層提供的接口轉(zhuǎn)換成硬件獨(dú)立的接口，隱藏了平臺(tái)之間的差異，并向上層提供統(tǒng)一的硬件API接口。

3 基于STM32和CC2520平臺(tái)的TinyOS實(shí)現(xiàn)
由上文所述，將TinyOS移植到STM32核處理器和CC2520上的關(guān)鍵問(wèn)題是硬件抽象層組件的定制和編譯器工具鏈的配置。基于TinyOS開(kāi)源代碼的約定，主要修改代碼放置在／tos／chips／STM32和tos／platforms／STM32p103。
3. 1 修改芯片文件
每個(gè)芯片都通過(guò)多個(gè)接口或組件提供它所實(shí)現(xiàn)的功能，這些接口或組件組成芯片的驅(qū)動(dòng)。將芯片的結(jié)構(gòu)抽象文件放于tos／chips。如果芯片有子系統(tǒng)則建立子目錄，如：tos／chips／STM32／timer。需要改寫(xiě)的TinyOS和MCU相關(guān)模塊如下所述。
3．1．1 STM32核處理器
為了同其他外圍設(shè)備的驅(qū)動(dòng)分開(kāi)，需要在MCU相關(guān)的文件中增加兩個(gè)定義；原子操作的開(kāi)始和結(jié)束，在頭文件hardware．h中定義；低功耗工作模式，由組件MCUSleepC定義。具體可以參考其他MCU文件編寫(xiě)。
TinyOS通過(guò)一些接口管理MCU的狀態(tài)，決定MCU何時(shí)進(jìn)入低功耗狀態(tài)。MCUSleepC組件向上層提供McuSleep和McuPowerState接口。TinyOS調(diào)度器在原子操作中調(diào)用McuSleep．sleep()，保證在進(jìn)入低功耗狀態(tài)前處于開(kāi)中斷狀態(tài)。在sleep狀態(tài)，可以關(guān)閉一些高耗能的模塊，比如：高頻時(shí)鐘、PLL等。