支持網(wǎng)絡(luò)傳感器的嵌入式操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　引言

　　網(wǎng)絡(luò)傳感器是集傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)于一身的資源受限的嵌入式設(shè)備，是“普適計(jì)算”在微型嵌入式領(lǐng)域的一種重要應(yīng)用模式。

　　網(wǎng)絡(luò)傳感器的研究過去一直受限于硬件平臺(tái)而發(fā)展緩慢。隨著半導(dǎo)體技術(shù)、通信技術(shù)、微電子技術(shù)和微機(jī)械技術(shù)的不斷進(jìn)步，低功耗、低價(jià)格、多功能的傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)得到了快速發(fā)展，使得制作微小、有彈性、低功耗的傳感器節(jié)點(diǎn)成為現(xiàn)實(shí)。

　　背景

　　應(yīng)用特點(diǎn)

　　網(wǎng)絡(luò)傳感器應(yīng)用有其自身的特點(diǎn)，主要有以下幾個(gè)方面：小尺寸和低功耗、并發(fā)密集操作、有限的物理并行性和控制層次、多樣化的設(shè)計(jì)和使用。一方面，傳感器資源極其有限，給底層嵌入式程序設(shè)計(jì)帶來較大的限制;另一方面，傳感器上運(yùn)行的應(yīng)用程序和系統(tǒng)內(nèi)核通常是緊密結(jié)合在一起的，且運(yùn)行時(shí)需要的任務(wù)數(shù)量、執(zhí)行時(shí)間、執(zhí)行結(jié)果以及內(nèi)存消耗等是可以較好預(yù)計(jì)的。

　　此外，傳感器種類繁多，針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)合需要不同種類的傳感器;在軍事應(yīng)用、空間探索等特定應(yīng)用場(chǎng)合下，更是需要大量的不同種類的傳感器協(xié)同合作來完成特定應(yīng)用事件。因而傳感器上運(yùn)行的軟件系統(tǒng)如果能夠具備相對(duì)較好的靈活性、可配置性和可重用性，將能更好地滿足應(yīng)用需求。

　　現(xiàn)有嵌入式OS比較

　　當(dāng)前存在眾多的嵌入式操作系統(tǒng)，其中具有代表性的如Vxwork、WindowsCE，pSOS和Neculeus等，它們的優(yōu)點(diǎn)是：功能強(qiáng)大;具有豐富的API和嵌入式應(yīng)用軟件;具備良好的實(shí)時(shí)性能，尤以Vxwork為代表;具備良好的穩(wěn)定性。缺點(diǎn)是：價(jià)格昂貴;源代碼不公開，以及由此導(dǎo)致的諸如對(duì)設(shè)備的支持、應(yīng)用軟件的移植等一系列的問題;另外對(duì)于傳感器器件來說，這些嵌入式OS都顯得過于“龐大”了一些。 uc/os和嵌入式Linux當(dāng)前正獲得越來越廣泛的應(yīng)用。

　　它們的優(yōu)點(diǎn)是：執(zhí)行效率高、占用空間小、可擴(kuò)展性能好，同時(shí)是免費(fèi)且源代碼公開的。uc/os具備良好的實(shí)時(shí)性能，嵌入式Linux的實(shí)時(shí)性能有待進(jìn)一步提高。缺點(diǎn)是：它們都是相對(duì)通用的嵌入式操作系統(tǒng)，不能完全適應(yīng)傳感器應(yīng)用領(lǐng)域的需求，如嵌入式Linux最小仍然需要上百K的ROM和RAM空間才能工作，而uc/os的內(nèi)核盡管可縮減至幾K，但是對(duì)于某些傳感器應(yīng)用來說，仍然顯得不夠精簡(jiǎn)。

　　UC Berkeley設(shè)計(jì)開發(fā)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的嵌入式操作系統(tǒng)TinyOS以及系統(tǒng)編程語言nesC。我們?cè)谄饰霈F(xiàn)有嵌入式OS特別是TinyOS的基礎(chǔ)之上，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了支持網(wǎng)絡(luò)傳感器的微型嵌入式操作系統(tǒng)γOS，并開發(fā)了系統(tǒng)編程語言AntC。

　　γOS設(shè)計(jì)

　　γOS是以網(wǎng)絡(luò)傳感器應(yīng)用為目標(biāo)的微型嵌入式操作系統(tǒng)，針對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳感器的前述應(yīng)用特點(diǎn)，γOS的設(shè)計(jì)具備幾個(gè)特性：支持足夠微小的硬件系統(tǒng)，便于傳感器設(shè)備在檢測(cè)環(huán)境中的任意撒布;支持足夠低的系統(tǒng)功耗，保證傳感器設(shè)備具備足夠長(zhǎng)的生命期;支持集成可與物理世界交互的傳感設(shè)備，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和傳輸;同時(shí)兼顧適度靈活的可重用性、可配置性。

　　γOS還必須解決傳感器網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)突出問題：

　　1)由于網(wǎng)絡(luò)傳感器操作的并發(fā)密集性，因而必須保證眾多不同數(shù)據(jù)流的并發(fā)即時(shí)傳輸;

　　2)系統(tǒng)必須提供高效的模塊化管理策略，具體硬件設(shè)備和具體應(yīng)用組件必須緊密地結(jié)合在一起，減小處理和存儲(chǔ)開銷。為此，γOS的設(shè)計(jì)重點(diǎn)主要集中在以下幾個(gè)方面：低能耗的微型內(nèi)核;微線程的系統(tǒng)架構(gòu);組件化的功能設(shè)計(jì);支持傳感通信的接口。

　　支持低能耗的微型內(nèi)核

　　為了降低能耗，γOS設(shè)計(jì)了一種相對(duì)簡(jiǎn)單的內(nèi)核機(jī)制，它由兩部分組成：系統(tǒng)初始化代碼以及一個(gè)微小的核心調(diào)度組件。系統(tǒng)初始化代碼具有平臺(tái)相關(guān)性;核心調(diào)度組件實(shí)現(xiàn)基于優(yōu)先級(jí)的兩級(jí)調(diào)度機(jī)制，它分別由兩個(gè)調(diào)度隊(duì)列組成：事件隊(duì)列和任務(wù)隊(duì)列。事件隊(duì)列優(yōu)先級(jí)高于任務(wù)隊(duì)列的優(yōu)先級(jí)，每個(gè)隊(duì)列內(nèi)部基于FIFO調(diào)度機(jī)制。

　　圖1　γOS的內(nèi)核調(diào)度示意圖

　　此外，為了降低能耗，在借鑒TinyOS的能耗管理算法的基礎(chǔ)之上，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了能耗控制組件：動(dòng)態(tài)電源管理DPM組件和動(dòng)態(tài)電壓調(diào)整DVS組件。

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　　微線程的系統(tǒng)架構(gòu)

　　圖2　微線程的系統(tǒng)架構(gòu)

　　如圖2所示，γOS的通過組件來實(shí)現(xiàn)基于事件驅(qū)動(dòng)模式的微線程系統(tǒng)架構(gòu)，采用事件觸發(fā)去喚醒相應(yīng)的功能組件工作。每個(gè)功能組件可以由以下幾個(gè)部分組成：事件處理函數(shù)　用以實(shí)現(xiàn)對(duì)底層硬件中斷的處理，如MCU外部中斷、定時(shí)器中斷等，它可以向核心調(diào)度組件提交任務(wù)，但并不等待任務(wù)的執(zhí)行。事件優(yōu)先級(jí)高，可搶占任務(wù)執(zhí)行，可以傳遞。它提供了一個(gè)簡(jiǎn)明的方法用于抽象軟硬件之間的邊界，使得支持硬件中斷變得非常簡(jiǎn)單。

　　命令　用以執(zhí)行對(duì)底層組件的操作，是非阻塞的，且必須向調(diào)用者返回命令執(zhí)行的結(jié)果(成功或失敗)。

　　任務(wù)　用于表示組件中計(jì)算相對(duì)集中的一組操作。任務(wù)不具有搶占性，任務(wù)與任務(wù)之間是原子化的，以先進(jìn)先出的方式執(zhí)行，即一個(gè)任務(wù)必須執(zhí)行完之后才能執(zhí)行下一個(gè)任務(wù)。但任務(wù)可以被事件處理函數(shù)搶占。

　　組件狀態(tài)　用以表示組件當(dāng)前的工作狀態(tài)，可以被自己的功能函數(shù)或其他組件所參考。

　　利用微線程的系統(tǒng)架構(gòu)，γOS可有效降低上下文切換代價(jià);同時(shí)，通過引入原子語句來處理任務(wù)和事件，甚至事件和事件之間的并發(fā)操作，實(shí)現(xiàn)微線程異步通訊機(jī)制，有效地避免阻塞、輪詢和數(shù)據(jù)資源競(jìng)爭(zhēng)。

　　組件化的功能設(shè)計(jì)

　　在特定應(yīng)用場(chǎng)合下，需要大量的不同種類的傳感器協(xié)同合作來完成特定應(yīng)用事件，因而傳感器上運(yùn)行的軟件系統(tǒng)具備相對(duì)較好的靈活性和可配置性。

　　為此，γOS提供了對(duì)組件化的功能設(shè)計(jì)方式的支持。γOS可分解為一個(gè)核心調(diào)度組件和若干功能組件?，F(xiàn)有的功能組件主要包括：能耗控制組件如動(dòng)態(tài)電源管理 DPM組件和動(dòng)態(tài)電壓調(diào)整DVS組件，AntIP協(xié)議(支持微型嵌入式TCP/IP協(xié)議)組件，USB驅(qū)動(dòng)組件，網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)組件和XML分析器組件等。

　　根據(jù)不同應(yīng)用配置不同的功能組件，以實(shí)現(xiàn)特定的目標(biāo)。γOS支持靜態(tài)配置和動(dòng)態(tài)加載兩種方式。靜態(tài)配置組件最少可只包括一個(gè)核心調(diào)度組件，而其他的功能組件可根據(jù)相應(yīng)的應(yīng)用需求選擇預(yù)先靜態(tài)配置方式或者動(dòng)態(tài)加載方式。

　　圖3　γOS組件示意圖

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　　支持傳感通信的接口

　　γOS通過AntIP組件實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器通信的接口支持，主要有支持傳感器節(jié)點(diǎn)間的對(duì)等(Peer-To-Peer)通信和組播通信模式，支持傳感器節(jié)點(diǎn)與PC間的對(duì)等通信模式和支持基于事件的異步通信處理模式。

　　AntIP是一個(gè)適用于8/16位機(jī)的微型嵌入式TCP/IP協(xié)議棧，它盡管去掉了許多全功能協(xié)議棧中不常用的功能，但仍然保留了網(wǎng)絡(luò)通信所必要的協(xié)議機(jī)制，支持ARP，IP，ICMP，TCP，UDP等協(xié)議，并且提供了簡(jiǎn)易的應(yīng)用層接口和設(shè)備驅(qū)動(dòng)層接口。AntIP的設(shè)計(jì)借鑒了uip的設(shè)計(jì)思想。

　　典型應(yīng)用

　　圖4　硬件平臺(tái)示意圖

　　γOS是以網(wǎng)絡(luò)傳感器應(yīng)用為目標(biāo)的，它可以運(yùn)行在多種目標(biāo)傳感器上。我們采用γOS機(jī)制，針對(duì)圖像數(shù)據(jù)采集方面的應(yīng)用，設(shè)計(jì)了一套較典型的網(wǎng)絡(luò)圖像傳感器系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由主控模塊、存儲(chǔ)模塊、USBhost模塊、以太網(wǎng)模塊、攝像頭模塊和串口模塊(預(yù)留接口)組成，采用的芯片分別為Philips公司的 P89C60X2(80C51芯片)、USB控制芯片SL811HS、RAM芯片62256和NIC芯片RTL8019AS。

　　平臺(tái)部分初始化代碼(AntC語言)如下：

　　useSL811HS

　　useCamera

　　useRTL8019

　　classPlatform

　　{

　　publicstaticintInit()

　　{

　　RTL8019.Init();

　　if(SL811HS.UsbInit()==FALSE)

　　return-1;

　　if(Camera.CameraInit()==FALSE)

　　return-1;

　　if(Camera.CameraStart()==FALSE)

　　return-1;

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　　AntIP.Init();

　　return1;

　　}

　　publicstaticvoidStart()

　　{

　　postAntIP.Run;

　　}

　　publicstaticvoidmain()

　　{

　　Init();

　　Start();

　　}

　　  }

　　該部分代碼做了網(wǎng)卡模塊、USB模塊以及攝像頭模塊的初始化工作。

　　結(jié)語

　　采用γOS的網(wǎng)絡(luò)圖像傳感器的各模塊的代碼量及所需數(shù)據(jù)空間大小如表1所示。從該表中可看出γOS的核心代碼量基本接近TinyOS的核心代碼量。

　　表1　模塊代碼量與所需數(shù)據(jù)空間

　　在這篇文章中，我們簡(jiǎn)要闡述了網(wǎng)絡(luò)傳感器在普適計(jì)算環(huán)境下的應(yīng)用特點(diǎn)，介紹了一個(gè)以網(wǎng)絡(luò)傳感器為應(yīng)用目標(biāo)的嵌入式操作系統(tǒng)γOS的設(shè)計(jì)和幾個(gè)特點(diǎn)，并建立了一個(gè)典型應(yīng)用平臺(tái)，最后簡(jiǎn)要給出了γOS在該平臺(tái)上的性能。