【转】TinyOS移植技术分析及在CC2430平台的应用 02 Hardware, command, 传感器, 收发器, 操作系统

samwalton

1．3 TinyOS的运行机制
        在TinyOS的总体框架中，物理层硬件层为框架的最底层，在该层中，传感器、射频收发器以及时钟等硬件均能触发事件(event)发生，交由上层组件处理；软件层中相对下层的组件也能出发事件并交由上层处理，而上层会发出命令(command)交下层处理。为协调各组件间任务的有序处理，需要操作系统采取一定的调度模式。
        TinyOS采用的是事件驱动的两级调度：任务(task)和硬件事件处理句柄(Hardware Event Handlers)。TinyOS使用两种机制支持任务，task和post。task声明必须为无参数的函数声明，执行中的任务都具有原子操作性，任务完成前彼此之间不能被抢占。硬件事件处理句柄被执行去响应硬件中断，可以抢占任务的运行和其他硬件事件处理句柄。TinyOS的任务调度队列只采用最简单的FIFO算法，内核使用一个循环队列来管理任务列表，默认任务列表大小为8。这个任务队列实际上是一个函数指针的数组，提交一个任务即是向队列里插入一个函数指针。任务提交(post)到FIFO队列中等待，当任务队列头索引号等于尾索引号时，表明任务队列为空，系统进入休眠状态并等待，直到新的事件发生。如果新事件向队列中提交了任务，则处理器返回执行状态，TinyOS规定当且仅当任务已经推入队列且没有被执行时post表达式才返回fail，否则将继续休眠。当被事件触发后，TinyOS将中发出信号的事件关联的所有任务将被迅速处理，当这个时间和所有任务被处理完成后，未被使用的CPU将再次被置于睡眠状态而不是积极寻找下一个活跃事件，从而大幅降低了功耗。
   
    2 TinyOS的编译过程分析
        TinyOS的编译系统采用GNU Make，首先将TinyOS应用程序预编译，形成一个“*．C”文件，然后将这个文件传递给与硬件平台相对应的编译器。TinyOS的编译系统放于support／make文件夹中，包含各个平台的配置文件“*．target”和在这个平台上建立应用程序的“*．rul es”文件。所以TinyOS的编译系统可以分为两个部分：使用nesC编译的公用部分和针对具体平台的部分。目前TinyOS支持AVR的Mica系列节点，还有基于MSP430芯片的Telos系列及基于PXA27芯片的Imote，而对于CC2430目前还在开发中。假设目标平台是MICA，其编译过程如图2所示。

   
        具体进行编译操作时，编译文件根据“TOSMAKE_PATH”变量中所列的路径搜索“*．target”文件。“*．target”文件通常设置一些平台相关变量和提供编译平台的名称，并通过调用“TOSMake_include_platform”指向具体的“*．rules”文件。“*．rules”文件由平台所配备的微处理器决定，因此通常几个平台共用一个“*．rules”文件。如果以命令行的形式给定一个虚拟平台，编译系统会自动寻找“*．ex tra”文件。
   
    3 TinyOS操作系统在CC2430上的移植
    3．1 CC2430的特点
        CC2430单片机是TI公司生产的一款专用于IEEE 802．15．4和ZigBee协议通信的片上系统解决方案。它延用了以往CC2420芯片的架构，在单个芯片上整合了ZigBee射频前端、内存和微控制器。它使用1个8位MCU(8051)，具有128 kB可编程闪存和8 kB的RAM，还包含模拟数字转换器(ADC)、几个定时器(Timer)、AES128协同处理器、看门狗定时器(Watchdog Timer)、32 kHz晶振的休眠模式定时器、通电复位电路(Pow er on Reset)、掉电检测电路(Brownout Detection)，以及21个可编程I／O引脚。CC2430芯片采0．18 μmCMOS工艺生产；在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27 mA或25 mA。CC2430非常适合那些要求能耗非常低的应用，因为它具有休眠模式以及转换到主动模式的超短时间的特性。而无线传感器网络研究的一个核心问题就是节能，因为传感器节点经常需要布置在环境恶劣的无人区，所以能耗问题就成为一个关键问题。由于CC2430的低能耗特性，使其经常作为传感器节点的硬件平台。
    3．2 移植过程分析
        TinyOS核心代码经nesC预编译后形成的C文件可以被GCC理解编译。而GCC适用的平台包括telos系列，mica系列和intelmote2系列。但是一些平台如Motorola HCS08，Intel MCS51则不适用于GCC编译。所以将TinyOS移植到CC2430上的关键问题是，如何使GCC支持MCS-51系列的交叉编译及支持CC2430硬件组件的编写。
        在Windows和Linux两大主要平台上有许多8051编译器，其中使用最广泛并且经常进行更新的有2种：KEIL和Small Device C Complier(SDCC)。由于SDCC是一个新兴的开源项目，因此在移植过程中经常会出现许多问题，使一些模块无法正常工作。而且在调试中，SDCC只是简单地驻留在0地址，当单步执行代码时也没有任何调试信息。相比于SDCC，KEIL提供了一套良好的开发调试环境，因此，最终选用KEIL开发工具进行TinyOS的移植工作。
        具体流程如下：
        (1)根据TinyOS上层组件接口的要求，用nesC语言编写硬件表达层和硬件抽象层文件。
        (2)使用TinyOS的NCC编译器将编写的应用程序编译成app．preMangle．c文件。
        (3)将app．preMangle．c文件通过perl语言编写的脚本将其原语法转换为CC2430开发环境Keil支持的语法，生成app．c。
        (4)利用KEIL开发工具将app．c编译、连接，生成app．hex，再通过SmartRF04 Flash Programmer下载到目标板。