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[導讀]支持網(wǎng)絡傳感器的嵌入式操作系統(tǒng)設(shè)計

摘要:簡要闡述了普適計算環(huán)境下網(wǎng)絡傳感器應用的一些特點,針對這些特點設(shè)計了一個以網(wǎng)絡傳感器應用為目標的微型嵌入式操作系統(tǒng)γOS。闡述了γOS的幾個特點:支持低能耗的微內(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等。應用γOS機制,建立了一個典型應用平臺,在該平臺上簡單分析了γOS的性能。
關(guān)鍵詞:普適計算、嵌入式操作系統(tǒng)、組件化、γOS

    引言

    網(wǎng)絡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)域的一種重要應用模式。

    網(wǎng)絡傳感器的研究過去一直受限于硬件平臺而發(fā)展緩慢。隨著半導體技術(shù)、通信技術(shù)、微電子技術(shù)和微機械技術(shù)的不斷進步,低功耗、低價格、多功能的傳感器網(wǎng)絡系統(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

    應用特點
    網(wǎng)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(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(xié)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(tǒng)如果能夠具備相對較好的靈活性、可配置性和可重用性,將能更好地滿足應用需求。

    現(xiàn)有嵌入式OS比較
    當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(wěn)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(shè)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(yōu)點是:執(zhí)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(tǒng),不能完全適應傳感器應用領(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)絡應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)絡傳感器應用為目標的微型嵌入式操作系統(tǒng),針對網(wǎng)絡傳感器的前述應用特點,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)絡的兩個突出問題:
     1)由于網(wǎng)絡傳感器操作的并發(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)度機制,它分別由兩個調(diào)度隊列組成:事件隊列和任務隊列。事件隊列優(yōu)先級高于任務隊列的優(yōu)先級,每個隊列內(nèi)部基于FIFO調(diào)度機制。

   
    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。

    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,但并不等待任務的執(zhí)行。事件優(yōu)先級高,可搶占任務執(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 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(zhí)行,即一個任務必須執(zhí)行完之后才能執(zhí)行下一個任務。但任務可以被事件處理函數(shù)搶占。

    組件狀態(tài) 用以表示組件當前的工作狀態(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?,F(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)不同應用配置不同的功能組件,以實現(xiàn)特定的目標。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)相應的應用需求選擇預先靜態(tài)配置方式或者動態(tài)加載方式。

   
    圖3 γOS組件示意圖

    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)絡通信所必要的協(xié)議機制,支持ARP,IP,ICMP,TCP,UDP等協(xié)議,并且提供了簡易的應用層接口和設(shè)備驅(qū)動層接口。AntIP的設(shè)計借鑒了uip的設(shè)計思想。

    典型應用

   
    圖4 硬件平臺示意圖

    γOS是以網(wǎng)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(shù)據(jù)采集方面的應用,設(shè)計了一套較典型的網(wǎng)絡圖像傳感器系統(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(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)絡傳感器在普適計算環(huán)境下的應用特點,介紹了一個以網(wǎng)絡傳感器為應用目標的嵌入式操作系統(tǒng)γOS的設(shè)計和幾個特點,并建立了一個典型應用平臺,最后簡要給出了γOS在該平臺上的性能。

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