支持網絡傳感器的嵌入式操作系統設計
發布時間：2010-9-29 13:16
發布者：conniede
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一 引言 網絡傳感器是集傳感器技術、嵌入式計算技術、現代網絡及通信技術、分布式信息處理技術于一身的資源受限的嵌入式設備，是“普適計算”在微型嵌入式領域的一種重要應用模式。 網絡傳感器的研究過去一直受限于硬件平臺而發展緩慢。隨著半導體技術、通信技術、微電子技術和微機械技術的不斷進步，低功耗、低價格、多功能的傳感器網絡系統得到了快速發展，使得制作微小、有彈性、低功耗的傳感器節點成為現實。 二 背景 1 應用特點 網絡傳感器應用有其自身的特點，主要有以下幾個方面：小尺寸和低功耗、并發密集操作、有限的物理并行性和控制層次、多樣化的設計和使用。一方面，傳感器資源極其有限，給底層嵌入式程序設計帶來較大的限制；另一方面，傳感器上運行的應用程序和系統內核通常是緊密結合在一起的，且運行時需要的任務數量、執行時間、執行結果以及內存消耗等是可以較好預計的。 此外，傳感器種類繁多，針對不同應用場合需要不同種類的傳感器；在軍事應用、空間探索等特定應用場合下，更是需要大量的不同種類的傳感器協同合作來完成特定應用事件。因而傳感器上運行的軟件系統如果能夠具備相對較好的靈活性、可配置性和可重用性，將能更好地滿足應用需求。 1.1 現有嵌入式OS比較 當前存在眾多的嵌入式操作系統，其中具有代表性的如Vxwork、WindowsCE，pSOS和Neculeus等，它們的優點是：功能強大；具有豐富的API和嵌入式應用軟件；具備良好的實時性能，尤以Vxwork為代表；具備良好的穩定性。缺點是：價格昂貴；源代碼不公開，以及由此導致的諸如對設備的支持、應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當前正獲得越來越廣泛的應用。 它們的優點是：執行效率高、占用空間小、可擴展性能好，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的實時性能有待進一步提高。缺點是：它們都是相對通用的嵌入式操作系統，不能完全適應傳感器應用領域的需求，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的內核盡管可縮減至幾K，但是對于某些傳感器應用來說，仍然顯得不夠精簡。 UC Berkeley設計開發了無線傳感器網絡應用的嵌入式操作系統TinyOS以及系統編程語言nesC。我們在剖析現有嵌入式OS特別是TinyOS的基礎之上，設計實現了支持網絡傳感器的微型嵌入式操作系統γOS，并開發了系統編程語言AntC。 1.2 γOS設計 γOS是以網絡傳感器應用為目標的微型嵌入式操作系統，針對網絡傳感器的前述應用特點，γOS的設計具備幾個特性：支持足夠微小的硬件系統，便于傳感器設備在檢測環境中的任意撒布；支持足夠低的系統功耗，保證傳感器設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備，實現數據的采集和傳輸；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絡的兩個突出問題： 1)由于網絡傳感器操作的并發密集性，因而必須保證眾多不同數據流的并發即時傳輸； 2)系統必須提供高效的模塊化管理策略，具體硬件設備和具體應用組件必須緊密地結合在一起，減小處理和存儲開銷。為此，γOS的設計重點主要集中在以下幾個方面：低能耗的微型內核；微線程的系統架構；組件化的功能設計；支持傳感通信的接口。 1.3 支持低能耗的微型內核 為了降低能耗，γOS設計了一種相對簡單的內核機制，它由兩部分組成：系統初始化代碼以及一個微小的核心調度組件。系統初始化代碼具有平臺相關性；核心調度組件實現基于優先級的兩級調度機制，它分別由兩個調度隊列組成：事件隊列和任務隊列。事件隊列優先級高于任務隊列的優先級，每個隊列內部基于FIFO調度機制。 圖1 γOS的內核調度示意圖 此外，為了降低能耗，在借鑒TinyOS的能耗管理算法的基礎之上，設計實現了能耗控制組件：動態電源管理DPM組件和動態電壓調整DVS組件。 1.4 微線程的系統架構 圖2 微線程的系統架構 如圖2所示，γOS的通過組件來實現基于事件驅動模式的微線程系統架構，采用事件觸發去喚醒相應的功能組件工作。每個功能組件可以由以下幾個部分組成：事件處理函數 用以實現對底層硬件中斷的處理，如MCU外部中斷、定時器中斷等，它可以向核心調度組件提交任務，但并不等待任務的執行。事件優先級高，可搶占任務執行，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： 用以執行對底層組件的操作，是非阻塞的，且必須向調用者返回命令執行的結果(成功或失敗)。 任務： 用于表示組件中計算相對集中的一組操作。任務不具有搶占性，任務與任務之間是原子化的，以先進先出的方式執行，即一個任務必須執行完之后才能執行下一個任務。但任務可以被事件處理函數搶占。 組件狀態 用以表示組件當前的工作狀態，可以被自己的功能函數或其他組件所參考。 利用微線程的系統架構，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和事件，甚至事件和事件之間的并發操作，實現微線程異步通訊機制，有效地避免阻塞、輪詢和數據資源競爭。 1.5 組件化的功能設計 在特定應用場合下，需要大量的不同種類的傳感器協同合作來完成特定應用事件，因而傳感器上運行的軟件系統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計方式的支持。γOS可分解為一個核心調度組件和若干功能組件�，F有的功能組件主要包括：能耗控制組件如動態電源管理DPM組件和動態電壓調整DVS組件，AntIP協議(支持微型嵌入式TCP/IP協議)組件，USB驅動組件，網卡驅動組件和XML分析器組件等。 根據不同應用配置不同的功能組件，以實現特定的目標。γOS支持靜態配置和動態加載兩種方式。靜態配置組件最少可只包括一個核心調度組件，而其他的功能組件 可根據相應的應用需求選擇預先靜態配置方式或者動態加載方式。 圖3 γOS組件示意圖 1.6 支持傳感通信的接口 γOS通過AntIP組件實現對傳感器通信的接口支持，主要有支持傳感器節點間的對等(Peer-To-Peer)通信和組播通信模式，支持傳感器節點與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位機的微型嵌入式TCP/IP協議棧，它盡管去掉了許多全功能協議棧中不常用的功能，但仍然保留了網絡通信所必要的協議機制，支持ARP，IP，ICMP，TCP，UDP等協議，并且提供了簡易的應用層接口和設備驅動層接口。AntIP的設計借鑒了uip的設計思想。 2 典型應用 圖4 硬件平臺示意圖 γOS是以網絡傳感器應用為目標的，它可以運行在多種目標傳感器上。我們采用γOS機制，針對圖像數據采集方面的應用，設計了一套較典型的網絡圖像傳感器系統。該系統主要由主控模塊、存儲模塊、USBhost模塊、以太網模塊、攝像頭模塊和串口模塊(預留接口)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; AntIP.Init(); return1; } publicstaticvoidStart() { postAntIP.Run; } publicstaticvoidmain() { Init(); Start(); } } 該部分代碼做了網卡模塊、USB模塊以及攝像頭模塊的初始化工作。 三 結語 采用γOS的網絡圖像傳感器的各模塊的代碼量及所需數據空間大小如表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據空間 在這篇文章中，我們簡要闡述了網絡傳感器在普適計算環境下的應用特點，介紹了一個以網絡傳感器為應用目標的嵌入式操作系統γOS的設計和幾個特點，并建立了一個典型應用平臺，最后簡要給出了γOS在該平臺上的性能。 |
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