線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的nesC嵌入式編程語言

引 言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是目前國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)之一，它是由大量廉價(jià)的傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過有線／無線通信方式自組織形成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，相互協(xié)作地感知周圍的數(shù)據(jù)。由于無線傳感器節(jié)點(diǎn)是一種典型的資源受限的嵌入式系統(tǒng)，需要一個(gè)微型的操作系統(tǒng)來組織和管理硬件，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用軟件的功能。TinyOS是美國加州大學(xué)伯克利分校針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計(jì)的一個(gè)基于事件驅(qū)動的微型操作系統(tǒng)，最初是用匯編和C語言實(shí)現(xiàn)的。由于C語言不能有效、方便地滿足面向傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用開發(fā)，其目標(biāo)代碼比較長，經(jīng)進(jìn)一步研究設(shè)計(jì)出了支持組件化的新型編程語言——nesC。其最大的特點(diǎn)是，將組件化／模塊化思想和基于事件驅(qū)動的執(zhí)行模型相結(jié)合?，F(xiàn)TinyOS操作系統(tǒng)和基于TinyOS的應(yīng)用程序都是用nesC語言編寫的，大大提高了應(yīng)用開發(fā)的方便性和應(yīng)用執(zhí)行的可靠性。本文以WSN為背景，通過一個(gè)基于TinyOS的燈閃爍實(shí)例——Blink，詳細(xì)介紹nesC語言的結(jié)構(gòu)以及用該語言如何實(shí)現(xiàn)組件化／模塊化的應(yīng)用程序，為深入研究TinyOS的應(yīng)用開發(fā)提供一種實(shí)現(xiàn)方法。

1 nosC語言結(jié)構(gòu)

nesC是C語言的擴(kuò)展，精通C語言的程序員掌握這種語言相對比較快。與C語言的存儲格式不同，用nesC語言編寫的文件是以“．nc”為后綴。每個(gè)nc文件實(shí)現(xiàn)一個(gè)組件功能(組件化／模塊化)。在nesC程序中，主要定義兩種功能不同的組件——模塊(module)和配件(configuration)。

模塊主要用于描述組件的接口函數(shù)功能以及具體的實(shí)現(xiàn)過程，每個(gè)模塊的具體執(zhí)行都由4個(gè)相關(guān)部分組成：命令函數(shù)、事件函數(shù)、數(shù)據(jù)幀和一組執(zhí)行線程。其中，命令函數(shù)是可直接執(zhí)行，也可調(diào)用底層模塊的命令，但必須有返回值，來表示命令是否完成。返回值有3種可能：成功(見BlinkM．nc代碼部分)、失敗、分步執(zhí)行。事件函數(shù)是由硬件事件觸發(fā)執(zhí)行的，底層模塊的事件函數(shù)跟硬件中斷直接關(guān)聯(lián)，包括外部事件、時(shí)鐘事件、計(jì)數(shù)器事件。一個(gè)事件函數(shù)將事件信息放置在自己的數(shù)據(jù)幀中，后通過產(chǎn)生線程、觸發(fā)上層模塊的事件函數(shù)、調(diào)用底層模塊的命令函數(shù)等方式進(jìn)行相應(yīng)處理，因此節(jié)點(diǎn)的硬件事件會觸發(fā)兩條可能的執(zhí)行方向——模塊間向上的事件函數(shù)調(diào)用和模塊間向下的命令函數(shù)調(diào)用。

配件主要是描述組件不同接口的關(guān)系，完成各個(gè)組件接口之間的相互連接和調(diào)用。相關(guān)執(zhí)行部分主要包含提供給其他組件的接口和配件要使用的接口的組件接口列表和如何將各個(gè)組件接口連接在一起的執(zhí)行連接列表。

模塊和配件的定義格式如下：

在模塊中，關(guān)鍵字“implementation”必須包含實(shí)現(xiàn)模塊提供和使用接口聲明的全部命令和事件。在配件中，關(guān)鍵字“implementation”定義執(zhí)行部分，連接用“->”、“=”、“-”等符號表示，“->”表示位于左邊的組件接口要調(diào)用位于右邊的組件接口。

不管是模塊還是配件，每個(gè)組件都包含了定義和實(shí)現(xiàn)兩部分。被提供者和被使用者都是通過調(diào)用接口來實(shí)現(xiàn)各個(gè)接口的通信和函數(shù)的功能，不同的模塊也可以實(shí)現(xiàn)相同的接口。接口可以是命令和事件，也可以是單獨(dú)定義的一組命令。在應(yīng)用程序中存在多個(gè)配置文件，并且配件之間存在一個(gè)層次關(guān)系，最上面的為頂層配件文件(每個(gè)應(yīng)用程序必須有一個(gè)頂層配件)，定義了Main組件接口與其他組件接口的連接方式以及各個(gè)接口間的調(diào)用關(guān)系。具體框架圖可參見文獻(xiàn)[6]中的關(guān)于nesC的一般結(jié)構(gòu)。

2 nesC應(yīng)用程序的分析

每一個(gè)nesC應(yīng)用程序都是由一個(gè)或多個(gè)組件通過接口鏈接起來，并通過ncc／gcc編譯生成一個(gè)完整的可執(zhí)行程序。下面以TinyOS軟件中的Blink應(yīng)用程序?yàn)槔?，具體介紹nesC應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)。