支持網絡傳感器的嵌入式操作系統設計

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。
背景
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。
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。
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。
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。
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。
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。現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
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。
典型應用
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。
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。
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。