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

　　引言

　　網(wǎng)絡(luò)傳感器是集傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(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)點成為現(xiàn)實。

　　背景

　　應(yīng)用特點

　　網(wǎng)絡(luò)傳感器應(yīng)用有其自身的特點，主要有以下幾個方面：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)計帶來較大的限制;另一方面，傳感器上運行的應(yīng)用程序和系統(tǒng)內(nèi)核通常是緊密結(jié)合在一起的，且運行時需要的任務(wù)數(shù)量、執(zhí)行時間、執(zhí)行結(jié)果以及內(nèi)存消耗等是可以較好預(yù)計的。

　　此外，傳感器種類繁多，針對不同應(yīng)用場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。因而傳感器上運行的軟件系統(tǒng)如果能夠具備相對較好的靈活性、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;具備良好的實時性能，尤以Vxwork為代表;具備良好的穩(wěn)定性。缺點是：價格昂貴;源代碼不公開，以及由此導(dǎo)致的諸如對設(shè)備的支持、應(yīng)用軟件的移植等一系列的問題;另外對于傳感器器件來說，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)點是：執(zhí)行效率高、占用空間小、可擴(kuò)展性能好，同時是免費且源代碼公開的。uc/os具備良好的實時性能，嵌入式Linux的實時性能有待進(jìn)一步提高。缺點是：它們都是相對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，但是對于某些傳感器應(yīng)用來說，仍然顯得不夠精簡。

　　UC Berkeley設(shè)計開發(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。我們在剖析現(xiàn)有嵌入式OS特別是TinyOS的基礎(chǔ)之上，設(shè)計實現(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

　　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)，針對網(wǎng)絡(luò)傳感器的前述應(yīng)用特點，γOS的設(shè)計具備幾個特性：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)備具備足夠長的生命期;支持集成可與物理世界交互的傳感設(shè)備，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和傳輸;同時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，減小處理和存儲開銷。為此，γOS的設(shè)計重點主要集中在以下幾個方面：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;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)計了一種相對簡單的內(nèi)核機(jī)制，它由兩部分組成：系統(tǒng)初始化代碼以及一個微小的核心調(diào)度組件。系統(tǒng)初始化代碼具有平臺相關(guān)性;核心調(diào)度組件實現(xiàn)基于優(yōu)先級的兩級調(diào)度機(jī)制，它分別由兩個調(diào)度隊列組成：事件隊列和任務(wù)隊列。事件隊列優(yōu)先級高于任務(wù)隊列的優(yōu)先級，每個隊列內(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)計實現(xiàn)了能耗控制組件：動態(tài)電源管理DPM組件和動態(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的通過組件來實現(xiàn)基于事件驅(qū)動模式的微線程系統(tǒng)架構(gòu)，采用事件觸發(fā)去喚醒相應(yīng)的功能組件工作。每個功能組件可以由以下幾個部分組成：事件處理函數(shù)　用以實現(xiàn)對底層硬件中斷的處理，如MCU外部中斷、定時器中斷等，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)先級高，可搶占任務(wù)執(zhí)行，可以傳遞。它提供了一個簡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單。

　　命令　用以執(zhí)行對底層組件的操作，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)　用于表示組件中計算相對集中的一組操作。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，即一個任務(wù)必須執(zhí)行完之后才能執(zhí)行下一個任務(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;同時，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)資源競爭。

　　組件化的功能設(shè)計

　　在特定應(yīng)用場合下，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，因而傳感器上運行的軟件系統(tǒng)具備相對較好的靈活性和可配置性。

　　為此，γOS提供了對組件化的功能設(shè)計方式的支持。γOS可分解為一個核心調(diào)度組件和若干功能組件。現(xiàn)有的功能組件主要包括：能耗控制組件如動態(tài)電源管理 DPM組件和動態(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)動組件，網(wǎng)卡驅(qū)動組件和XML分析器組件等。

　　根據(jù)不同應(yīng)用配置不同的功能組件，以實現(xiàn)特定的目標(biāo)。γOS支持靜態(tài)配置和動態(tài)加載兩種方式。靜態(tài)配置組件最少可只包括一個核心調(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組件實現(xiàn)對傳感器通信的接口支持，主要有支持傳感器節(jié)點間的對等(Peer-To-Peer)通信和組播通信模式，支持傳感器節(jié)點與PC間的對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，并且提供了簡易的應(yīng)用層接口和設(shè)備驅(qū)動層接口。AntIP的設(shè)計借鑒了uip的設(shè)計思想。

　　典型應(yīng)用

　　圖4　硬件平臺示意圖

　　γOS是以網(wǎng)絡(luò)傳感器應(yīng)用為目標(biāo)的，它可以運行在多種目標(biāo)傳感器上。我們采用γOS機(jī)制，針對圖像數(shù)據(jù)采集方面的應(yīng)用，設(shè)計了一套較典型的網(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，我們簡要闡述了網(wǎng)絡(luò)傳感器在普適計算環(huán)境下的應(yīng)用特點，介紹了一個以網(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)計和幾個特點，并建立了一個典型應(yīng)用平臺，最后簡要給出了γOS在該平臺上的性能。