微型嵌入式操作系统γOS和系统编程语言AntC的应用开发

作者：王鹦鹉，郑扣根，瞿心杭

一 引言

网络传感器是集传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及通信技术、分布式信息处理技术于一身的资源受限的嵌入式设备，是“普适计算”在微型嵌入式领域的一种重要应用模式。

网络传感器的研究过去一直受限于硬件平台而发展缓慢。随着半导体技术、通信技术、微电子技术和微机械技术的不断进步，低功耗、低价格、多功能的传感器网络系统得到了快速发展，使得制作微小、有弹性、低功耗的传感器节点成为现实。

二 背景

1 应用特点

网络传感器应用有其自身的特点，主要有以下几个方面：小尺寸和低功耗、并发密集操作、有限的物理并行性和控制层次、多样化的设计和使用。一方面，传感器资源极其有限，给底层嵌入式程序设计带来较大的限制；另一方面，传感器上运行的应用程序和系统内核通常是紧密结合在一起的，且运行时需要的任务数量、执行时间、执行结果以及内存消耗等是可以较好预计的。

此外，传感器种类繁多，针对不同应用场合需要不同种类的传感器；在军事应用、空间探索等特定应用场合下，更是需要大量的不同种类的传感器协同合作来完成特定应用事件。因而传感器上运行的软件系统如果能够具备相对较好的灵活性、可配置性和可重用性，将能更好地满足应用需求。

1.1 现有嵌入式OS比较

当前存在众多的嵌入式操作系统，其中具有代表性的如Vxwork、WindowsCE，pSOS和Neculeus等，它们的优点是：功能强大；具有丰富的API和嵌入式应用软件；具备良好的实时性能，尤以Vxwork为代表；具备良好的稳定性。缺点是：价格昂贵；源代码不公开，以及由此导致的诸如对设备的支持、应用软件的移植等一系列的问题；另外对于传感器器件来说，这些嵌入式OS都显得过于“庞大”了一些。 uc/os和嵌入式Linux当前正获得越来越广泛的应用。

它们的优点是：执行效率高、占用空间小、可扩展性能好，同时是免费且源代码公开的。uc/os具备良好的实时性能，嵌入式Linux的实时性能有待进一步提高。缺点是：它们都是相对通用的嵌入式操作系统，不能完全适应传感器应用领域的需求，如嵌入式Linux最小仍然需要上百K的ROM和RAM空间才能工作，而uc/os的内核尽管可缩减至几K，但是对于某些传感器应用来说，仍然显得不够精简。

UC Berkeley设计开发了无线传感器网络应用的嵌入式操作系统TinyOS以及系统编程语言nesC。我们在剖析现有嵌入式OS特别是TinyOS的基础之上，设计实现了支持网络传感器的微型嵌入式操作系统γOS，并开发了系统编程语言AntC。

1.2 γOS设计

γOS是以网络传感器应用为目标的微型嵌入式操作系统，针对网络传感器的前述应用特点，γOS的设计具备几个特性：支持足够微小的硬件系统，便于传感器设备在检测环境中的任意撒布；支持足够低的系统功耗，保证传感器设备具备足够长的生命期；支持集成可与物理世界交互的传感设备，实现数据的采集和传输；同时兼顾适度灵活的可重用性、可配置性。

γOS还必须解决传感器网络的两个突出问题：

1）由于网络传感器操作的并发密集性，因而必须保证众多不同数据流的并发即时传输；

2）系统必须提供高效的模块化管理策略，具体硬件设备和具体应用组件必须紧密地结合在一起，减小处理和存储开销。为此，γOS的设计重点主要集中在以下几个方面：低能耗的微型内核；微线程的系统架构；组件化的功能设计；支持传感通信的接口。

1.3 支持低能耗的微型内核

为了降低能耗，γOS设计了一种相对简单的内核机制，它由两部分组成：系统初始化代码以及一个微小的核心调度组件。系统初始化代码具有平台相关性；核心调度组件实现基于优先级的两级调度机制，它分别由两个调度队列组成：事件队列和任务队列。事件队列优先级高于任务队列的优先级，每个队列内部基于FIFO调度机制。

图1γOS的内核调度示意图

此外，为了降低能耗，在借鉴TinyOS的能耗管理算法的基础之上，设计实现了能耗控制组件：动态电源管理DPM组件和动态电压调整DVS组件。

1.4 微线程的系统架构

图2微线程的系统架构

如图2所示，γOS的通过组件来实现基于事件驱动模式的微线程系统架构，采用事件触发去唤醒相应的功能组件工作。每个功能组件可以由以下几个部分组成：事件处理函数用以实现对底层硬件中断的处理，如MCU外部中断、定时器中断等，它可以向核心调度组件提交任务，但并不等待任务的执行。事件优先级高，可抢占任务执行，可以传递。

它提供了一个简明的方法用于抽象软硬件之间的边界，使得支持硬件中断变得非常简单。

命令： 用以执行对底层组件的操作，是非阻塞的，且必须向调用者返回命令执行的结果（成功或失败）。

任务：用于表示组件中计算相对集中的一组操作。任务不具有抢占性，任务与任务之间是原子化的，以先进先出的方式执行，即一个任务必须执行完之后才能执行下一个任务。但任务可以被事件处理函数抢占。

组件状态用以表示组件当前的工作状态，可以被自己的功能函数或其他组件所参考。

利用微线程的系统架构，γOS可有效降低上下文切换代价；同时，通过引入原子语句来处理任务和事件，甚至事件和事件之间的并发操作，实现微线程异步通讯机制，有效地避免阻塞、轮询和数据资源竞争。

1.5 组件化的功能设计

在特定应用场合下，需要大量的不同种类的传感器协同合作来完成特定应用事件，因而传感器上运行的软件系统具备相对较好的灵活性和可配置性。

为此，γOS提供了对组件化的功能设计方式的支持。γOS可分解为一个核心调度组件和若干功能组件。现有的功能组件主要包括：能耗控制组件如动态电源管理DPM组件和动态电压调整DVS组件，AntIP协议（支持微型嵌入式TCP/IP协议）组件，USB驱动组件，网卡驱动组件和XML分析器组件等。

根据不同应用配置不同的功能组件，以实现特定的目标。γOS支持静态配置和动态加载两种方式。静态配置组件最少可只包括一个核心调度组件，而其他的功能组件

可根据相应的应用需求选择预先静态配置方式或者动态加载方式。

图3γOS组件示意图

1.6 支持传感通信的接口

γOS通过AntIP组件实现对传感器通信的接口支持，主要有支持传感器节点间的对等（Peer-To-Peer）通信和组播通信模式，支持传感器节点与PC间的对等通信模式和支持基于事件的异步通信处理模式。

AntIP是一个适用于8/16位机的微型嵌入式TCP/IP协议栈，它尽管去掉了许多全功能协议栈中不常用的功能，但仍然保留了网络通信所必要的协议机制，支持ARP，IP，ICMP，TCP，UDP等协议，并且提供了简易的应用层接口和设备驱动层接口。AntIP的设计借鉴了uip的设计思想。

2 典型应用

图4硬件平台示意图

γOS是以网络传感器应用为目标的，它可以运行在多种目标传感器上。我们采用γOS机制，针对图像数据采集方面的应用，设计了一套较典型的网络图像传感器系统。该系统主要由主控模块、存储模块、USBhost模块、以太网模块、摄像头模块和串口模块（预留接口）组成，采用的芯片分别为Philips公司的p89c60x2（80C51芯片）、USB控制芯片SL811HS、RAM芯片62256和NIC芯片RTL8019AS。

平台部分初始化代码（AntC语言）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（）;

}

}

该部分代码做了网卡模块、USB模块以及摄像头模块的初始化工作。

三 结语

采用γOS的网络图像传感器的各模块的代码量及所需数据空间大小如表1所示。从该表中可看出γOS的核心代码量基本接近TinyOS的核心代码量。

表1模块代码量与所需数据空间

在这篇文章中，我们简要阐述了网络传感器在普适计算环境下的应用特点，介绍了一个以网络传感器为应用目标的嵌入式操作系统γOS的设计和几个特点，并建立了一个典型应用平台，最后简要给出了γOS在该平台上的性能。

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