無線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng).ppt

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)講義,第十二章、操作系統(tǒng),2007年8月20日,內(nèi)容提要,WSN 操作系統(tǒng)概述 TINYOS 操作系統(tǒng) MANTIS 操作系統(tǒng) SOS 操作系統(tǒng) 三種操作系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)比較 WSN OS最新研究進(jìn)展 主要參考文獻(xiàn),WSN 操作系統(tǒng)概述 TINYOS 操作系統(tǒng) MANTIS 操作系統(tǒng) SOS 操作系統(tǒng) 三種操作系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)比較 WSN OS最新研究進(jìn)展 主要參考文獻(xiàn),內(nèi)容提要,WSN操作系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo),WSN是應(yīng)用相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)，其硬件節(jié)點功能、結(jié)構(gòu)、組織方式會隨應(yīng)用而不同。由此要求WSN操作系統(tǒng)能夠良好的模塊化設(shè)計，使應(yīng)用/協(xié)議/服務(wù)與硬件資源之間可以隨意搭配 WSN節(jié)點資源非

2、常有限（通信帶寬資源/能量資源/計算資源），操作系統(tǒng)必須能夠高效地使用各種資源 WSN是一個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其操作系統(tǒng)也必然是面向網(wǎng)絡(luò)化開發(fā)的。網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)要求操作系統(tǒng)必須為應(yīng)用提供高效的組網(wǎng)和通信機(jī)制,本章講解的操作系統(tǒng),本章講解三個有代表性的開源的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)： Tiny OS 2.0：美國加州大學(xué)伯克利分校開發(fā) Mantis OS 0.9.5 (Multimodal Networks of In-situ Sensors) ：美國克羅拉多大學(xué)開發(fā) SOS 1.7：美國加州大學(xué)洛杉磯分校開發(fā),內(nèi)容提要,WSN操作系統(tǒng)概述 TINYOS 操作系統(tǒng) MANTIS 操作系統(tǒng) SOS 操作系統(tǒng)

3、三種操作系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)比較 WSN OS最新研究進(jìn)展 主要參考文獻(xiàn),TinyOS 2.0 操作系統(tǒng),事件驅(qū)動，基于組件 使用nesC編寫 支持的平臺：eyesIFXv2、intelmote2、mica2、 mica2dot、micaZ、telosb、tinynode、btnode3 nesC:使用C作為其基礎(chǔ)語言，支持所有的C語言詞法和語法 增加了組件（component）和接口（interface）的關(guān)鍵字定義 定義了接口及如何使用接口表達(dá)組件之間關(guān)系的方法 目前只支持組件的靜態(tài)連接，不能實現(xiàn)動態(tài)連接和配置,組件模型,組件，接口，命令和事件,組件（component） Module組件（模件

4、） Configuration組件（配件） 組件特征 組件內(nèi)變量、函數(shù)可以自由訪問，但組件之間不能訪問和調(diào)用 組件可以提供（provide）和使用（use）接口 接口是一組相關(guān)函數(shù)的集合，它是雙向的并且是組件間的唯一訪問點。接口聲明了一組函數(shù)，稱為命令（command），接口的提供者必須實現(xiàn)它們；接口還聲明了另外一組函數(shù)，稱為事件（event），接口的使用者必須實現(xiàn)它們,組件，接口，命令和事件,接口的特點 Provides未必一定有組件使用，但uses一定要有人提供，否則編譯會提示出錯。在動態(tài)組件配置語言中uses也可以動態(tài)配置 接口可以連接多個同樣的接口，叫做多扇入/扇出 一個module可

5、以同時提供一組相同的接口，又稱參數(shù)化接口，表明該Module可提供多份同類資源，能夠同時給多個組件分享,組件命名規(guī)則,C和P的命名規(guī)則 ：TinyOS 所有的終端程序組件都以字母C或P為結(jié)尾。以C結(jié)尾所命名的組件表示它是一個可用的抽象，而以P結(jié)尾的組件則表示它是私有的。以P結(jié)尾的組件不能被直接的連接，但可以對它做一些封裝以使它變成可用（變成名字以C結(jié)束的） 硬件平臺抽象命名規(guī)則 ：TinyOS 2.0中的硬件抽象通常是三級抽象架構(gòu)，稱作HAA(Hardware Abstraction Architecture)。 HAA的最底層是HPL( Hardware Platform Layer) HA

6、A的中間層是HAL (Hardware Abstraction Layer) HAA的最高層是HIL (Hardware Independent Layer),TinyOS2.0 的任務(wù),基本任務(wù)模型 ：基本任務(wù)模型中任務(wù)的原型聲明如下： task void taskname（）. 用戶使用post關(guān)鍵字拋出任務(wù)，調(diào)用方式如下： result_t ret = post tastname（） 任務(wù)接口模型 ：任務(wù)接口擴(kuò)展了任務(wù)的語法和語義。通常情況下，任務(wù)接口包含一個異步（async）的post命令和一個run事件，這些函數(shù)的具體聲明由接口決定。 實例： Interface TaskParame

7、ter async error_t command postTask(uint16_t param); event void runTask(uint16_t param); 調(diào)用方式: call TaskParameter.postTask(34);/拋出任務(wù),TinyOS2.0調(diào)度器,TinyOS的調(diào)度器實現(xiàn)了任務(wù)和事件的兩級調(diào)度 任務(wù)之間不能互相搶占 ，底層硬件中斷觸發(fā)事件，事件能搶占任務(wù)，事件之間也能互相搶占。命令和事件都可以post任務(wù)。任務(wù)中也可以調(diào)用命令 。 TinyOS 2.x調(diào)度器被實現(xiàn)為一個TinyOS組件。調(diào)度器既支持最基本的任務(wù)模型，也支持任務(wù)接口模型，并且由調(diào)度器負(fù)責(zé)

8、協(xié)調(diào)不同的任務(wù)類型。,TinyOS2.0調(diào)度器調(diào)度器組件,TinyOS調(diào)度器的形式說明 如下： module SchedulerBasicP provides interface Scheduler; provides interface TaskBasicuint8_t taskID; uses interface McuSleep; 配件TinySchedulerC封裝 了組件SchedulerBasicP 調(diào)度器必須提供參數(shù)化 的TaskBasic接口 調(diào)度器還必須提供Scheduler接口 TinyOS2.0允許用戶使用自己定義的應(yīng) 用程序（組件）取代系統(tǒng)調(diào)度器,內(nèi)存分配,TinyOS

9、使用了靜態(tài)的內(nèi)存分配和管理機(jī)制 。 TinyOS中的組件在編譯時分配所需要的內(nèi)存 組件之間能共享狀態(tài)（state）的唯一方法是通過函數(shù)調(diào)用 。 組件傳遞參數(shù)使用了兩種方法：值傳送和指針傳送 。 指針傳遞參數(shù)比較危險 推薦做法：在任何時候，每一個指針都有一個明確的所有者，并且只有所有者才能修改相應(yīng)的存儲區(qū)。,TinyOS 通信,消息緩沖區(qū)：TinyOS 2.0中的消息緩沖區(qū)類型是message_t，并且仍采用了靜態(tài)包緩沖策略 。緩沖區(qū)大小可以適合任何節(jié)點的通信接口 ，組件不能直接訪問結(jié)構(gòu)的各域，所有緩沖區(qū)的訪問必須通過接口AMPacket和Packet（定義在opttinyos-2.xtosin

10、tefaces目錄）實現(xiàn)。 通信組件 ：用戶可以使用如下四個主動消息通信組件實現(xiàn)無線消息的收發(fā) （定義在tostinyos-2.xtossystem ） ： AMSenderC，AMReceiverC，AMSnooperC，AMSnoopingReceiverC,并發(fā)模型,TinyOS 一次僅執(zhí)行一個程序。程序運(yùn)行時，有兩個執(zhí)行線程：任務(wù)和事件。事件是由硬件中斷觸發(fā)的，事件之間可以互相搶占 任務(wù)之間不互相搶占，事件可搶占任務(wù)，事件也可互相搶占?？蓳屨歼\(yùn)行的函數(shù)用async 標(biāo)識，同步運(yùn)行的函數(shù)用sync nesC的規(guī)則是：異步函數(shù)調(diào)用的命令和事件也必須是異步的。一個函數(shù)（命令或事件）不是異步就

11、是同步（缺?。＝涌诘亩x指明了命令和事件是異步還是同步 中斷（異步函數(shù)）可以執(zhí)行同步函數(shù)的唯一方法就是post一個任務(wù) 使用原子語句塊來實現(xiàn)對臨界數(shù)據(jù)的訪問,系統(tǒng)啟動和初始化,TinyOS 2.x的啟動序列使用了3個接口： Init：初始化組件和硬件 ，它執(zhí)行的是順序的，同步的操作 ，在初始化完成前不會啟動任何組件 Scheduler：初始化和運(yùn)行任務(wù) ，用于初始化和控制任務(wù)的執(zhí)行 Boot：通知系統(tǒng)已經(jīng)成功的啟動。它定義了一個事件booted（），用它通知系統(tǒng)已經(jīng)被成功的啟動 TinyOS 2.x中的RealMainP（定義opttinyos-2.xtossystem中） 實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)的啟動

12、 序列，MainC封裝 了組件RealMainP,系統(tǒng)啟動和初始化,模塊RealMainP 的定義 module RealMainP provides interface Boot; uses interface Scheduler; uses interface Init as PlatformInit; uses interface Init as SoftwareInit; implementation 系統(tǒng)的啟動過程分為3個獨立的初始化過程：調(diào)度器初始化（Scheduler）,平臺初始化（ PlatformInit）, 和軟件初始化（ SoftwareInit）。 MainC導(dǎo)出Boo

13、t和SoftwareInit接口，用于應(yīng)用程序連接 不直接依賴于硬件資源的組件初始化都應(yīng)該連接到MainC.SoftwareInit,能量管理,TinyOS 2.x中的能量管理分為處理器能量管理和設(shè)備能量管理： 微處理器能量管理 ，TinyOS 2.x使用了一個dirty位，一個芯片相關(guān)的能量狀態(tài)計算函數(shù)和一個能量狀態(tài)重載函數(shù)來管理和控制微處理器的能量狀態(tài) 外設(shè)能量管理 ，TinyOS 2.0定義了2種不同的能量管理模型：顯式能量管理模型和隱式能量管理模型 如下接口用于實現(xiàn)設(shè)備能量管理： StdControl：若一個設(shè)備的開啟或關(guān)閉所花費的時間可以忽略，那么它應(yīng)該提供這個接口； SplitCo

14、ntrol：若一個設(shè)備的開啟或關(guān)閉所花費的時間不可以被忽略，那么它應(yīng)該提供這個接口； AsyncStdControl：由于上述2個接口都是同步接口，所以若想在異步代碼中控制一個設(shè)備的能量狀態(tài)，那么就必須使用該接口,模擬服務(wù),TOSSIM是TinyOS的模擬器，它是一個程序庫 TOSSIM是一個離散的時間模擬器，當(dāng)它運(yùn)行的時候，會從時間隊列中依次取出事件（以時間排序）并且執(zhí)行它們 模擬事件可以是硬件中斷也可以是高層的系統(tǒng)事件（例如包接收事件） ，任務(wù)也可以成為模擬事件 支持兩種編程接口：Python 和C+，這兩種編程接口各有優(yōu)缺點，而且這兩種代碼之間的轉(zhuǎn)換比較簡單。 TOSSIM支持的唯一平臺

15、是micaz，而且還不支持能量檢測。,基于TinyOS2.0系統(tǒng)的編程,回顧組件和接口的概念 組件 ，nesC組件使用的是一個純局部的命名空間，這就是說一個組件除了要聲明它將執(zhí)行的函數(shù)外，還要聲明它所調(diào)用的函數(shù) 。每一個組件都有一個形式說明（specification），這個形式說明是一段代碼，它聲明了組件所提供（執(zhí)行）接口（函數(shù)）和所使用（調(diào)用）的接口（函數(shù)） 接口 ，接口（interface）是相關(guān)函數(shù)的一個集合，用于可以根據(jù)功能的需要定義自己的接口，但在定義接口中的函數(shù)時，必須使用command或event關(guān)鍵字聲明該函數(shù)是命令或是事件，否則編譯時會報錯,模塊,nesC有兩種組件： 配件

16、（configurations），用于將組件連接在一起從而形成一個新的組件 模塊（modules），提供了接口代碼的實現(xiàn)并且分配組件內(nèi)部狀態(tài)，是組件內(nèi)部行為的具體實現(xiàn) 模塊相關(guān)概念： 分段操作 ，分段接口的一個重要的特征就是兩個階段的調(diào)用是相反的：向下調(diào)用是開始操作，向上的signal操作是完成操作。在nesC中，向下調(diào)用的是命令，而向上調(diào)用的是事件，接口指定了這種關(guān)系的兩個方面,分段操作,分段接口實例： interface Read command error_t read(); event void readDone( error_t result, val_t val ); Read接口

17、的提供者需要定義Read函數(shù)和通知Readdone事件，而Rend接口的使用者則需要定義Readdone事件，而且能夠調(diào)用Read命令。,類型化接口,接口可以帶有類型參數(shù) ，接口的類型參數(shù)放在一對尖括號里 ，如果提供者和使用者的接口都帶有類型參數(shù)，那么在連接時，它們的類型必須匹配 ， 例： LocalTime接口帶有一個precision_tag參數(shù)，定義在opttinysos-2.xtoslibtimer目錄中。如下： interface LocalTime async command uint32_t get(); 參數(shù)precision_tag雖然沒有在接口的命令中出現(xiàn)，但它在連接時會被

18、用于類型檢查：該參數(shù)指明了最小的時間間隔,模塊實現(xiàn) 形式說明,module SenseC uses interface Boot; interface Leds; interface Timer; interface Read;/使用接口的聲明 ,模塊實現(xiàn),Implementation / 以下是實現(xiàn)部分 #define SAMPLING_FREQUENCY 100 event void Boot.booted() call Timer.startPeriodic(SAMPLING_FREQUENCY);/調(diào)用了Timer接口的命令 event void Timer.fired() /因為使用

19、了Timer接口，所以必須實現(xiàn)Timer接口中定義的事件 call Read.read();/調(diào)用了Read接口的命令 event void Read.readDone(error_t result, uint16_t data) /因為使用了Read接口，所以必須 /實現(xiàn) Read接口中定義的事件 if (result = SUCCESS) if (data ,任務(wù)，原子語句，enum,任務(wù) 原子語句：在nesC中通過使用原子語句（atomic statements）的方式實現(xiàn)了對臨界數(shù)據(jù)保護(hù) ，例 command bool increment() atomic a+; b = a + 1;

20、 原子代碼塊保證了這些變量可以被原子的寫和讀。注意，這里并沒有保證這個原子的代碼塊不能被搶占。即使使用了原子代碼塊，兩個不涉及任何相同變量的代碼段還是可能互相搶占的。 靈活使用enum可節(jié)省存儲空間,配件和連接,組件之間是完全獨立的，只有通過連接才能綁定到一起 ，配件用于實現(xiàn)此功能。配件的定義與模塊類似 使用了三個操作-, Sleep; Sleep-Sched.McuSleep; 一個直接的連接總是從使用者指向提供者，箭頭的方向決定了調(diào)用關(guān)系 和模塊一樣，配件可以提供和使用接口。但是由于配件沒有代碼實現(xiàn)，所以這些接口的實現(xiàn)必須依賴其他的組件。,導(dǎo)通連接（Pass Through Wiring）

21、,導(dǎo)通連接是指一個配件將兩個組件連接到一起，并且必須使用“=”操作符把使用者連接到提供者操作符。例： generic configuration AMReceiverC(am_id_t amId) provides interface Receive; interface Packet; interface AMPacket; implementation components ActiveMessageC; Receive = ActiveMessageC.ReceiveamId; Packet = ActiveMessageC; AMPacket = ActiveMessageC; ,扇入

22、，扇出，combine函數(shù),接口之間可以是n對k的關(guān)系，這里n是使用者數(shù)，k是提供者數(shù) 扇出（fan-out）同一個調(diào)用者一次調(diào)用了多個函數(shù) 扇入（fan-ins）用來描述多個人調(diào)用同一個函數(shù)。 接口之間是一個n對k的關(guān)系，任何提供者的signal將會引起n個使用者的事件處理函數(shù)，并且任何使用者調(diào)用一個命令將會調(diào)用k個提供者的命令 combine函數(shù) ，它將多個返回值組合后只返回一個值。一個數(shù)據(jù)類型可以有一個相關(guān)的combine函數(shù)。因為一個fan-out總是涉及到調(diào)用N個相同的函數(shù)，調(diào)用者最終得到的返回值是對所有的被調(diào)用者的返回值使用combine函數(shù)之后得到的返回值。,參數(shù)化連接,參數(shù)化接

23、口用于提供同一接口的多個實例。如： configuration ActiveMessageC provides interface SplitControl; interface AMSenduint8_t id; interface Receiveuint8_t id; 參數(shù)化接口本質(zhì)上是一個接口數(shù)組，數(shù)組的索引就是接口的參數(shù)。 nesC還提供了一個unique函數(shù)用于保證參數(shù)不重復(fù),缺省連接，unique()和uniqueCount()函數(shù),nesC提供了缺省連接處理 。如果一個組件連接到了某個接口，那么就按照該連接調(diào)用接口中的函數(shù)。若沒有，則命令（或事件）會執(zhí)行缺省的處理函數(shù) (使用de

24、fault關(guān)鍵字標(biāo)識)，盡量不要使用缺省連接處理 unique()：保證每一個相同的接口必須有不同的參數(shù)ID ，它將把所有的對unique()調(diào)用變換成整數(shù)標(biāo)志符。unique函數(shù)需要一個字符串關(guān)鍵字作為參數(shù)。例AMQueueEntryP.Send - AMQueueP.Sendunique(UQ_AMQUEUE_SEND) uniqueCount()：該函數(shù)是用來計算調(diào)用unique的客戶總數(shù)目，這樣就可以使組件能夠分配正確的狀態(tài)總數(shù),通用組件（Generic Components）,通用組件不是單一實例的，它在配件內(nèi)能被實例化 通用組件與非通用組件原型定義的最大差別有兩點： 在關(guān)鍵字com

25、ponent（表示module或configuration）之前有一個generic關(guān)鍵字，它表示該組件是通用組件 通用組件在組件名字后必須帶有參數(shù)列表，從這方面來看類似于函數(shù)的定義。若該通用組件不需要參數(shù)，那么該參數(shù)列表為空 目前通用組件支持如下三種類型的參數(shù)： 類型（types）參數(shù)：這些參數(shù)可以作為類型化接口的參數(shù)，聲明時使用typedef 數(shù)值常數(shù)(numeric constants)參數(shù) 字符串常數(shù)（constant strings）參數(shù),通用組件（Generic Components）,使用通用組件時需要在配件中使用關(guān)鍵字new實例化一個通用組件，這個實例是配件所私有的。用戶每使用

26、一次new便被會創(chuàng)建一個實例。在使用關(guān)鍵字new實例化通用組件的時候，系統(tǒng)使用了代碼拷貝的方式生成新的實例。例如： configuration ExampleVectorC implementation components new BitVectorC(10); 上面的語句使用new關(guān)鍵字創(chuàng)建了一個大小為10的BitVectorC組件,通用模塊和通用配件,通用模塊帶有三種參數(shù)，如果參數(shù)是一個類型，那么必須用typedef關(guān)鍵字聲明。例如通用模塊VirtualizeTimerC（opttinyos-2.x toslib timer），如下： generic module VirtualizeT

27、imerC(typedef precision_tag, int max_timers) provides interface Timer as Timeruint8_t num; uses interface Timer as TimerFrom; implementation 在上面這個例子中生成了一個VirtualizeTimerC代碼的拷貝，并且分配了uniqueCount(UQ_TIMER_ MILLI)個毫秒精度的定時器。 通用配件構(gòu)成了更高層次的虛擬化和抽象。使用通用配件與使用通用模塊的方法是一樣的,內(nèi)容提要,WSN操作系統(tǒng)概述 TINYOS 操作系統(tǒng) MANTIS 操作系統(tǒng) S

28、OS 操作系統(tǒng) 三種操作系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)比較 WSN OS最新研究進(jìn)展 主要參考文獻(xiàn),Mantis操作系統(tǒng),輕量級的基于搶占的多線程無線傳感器網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng) 類Unix編程環(huán)境，編程語言為c語言 整個內(nèi)核占用的RAM小于500個字節(jié) 適合于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中處理復(fù)雜任務(wù)（例如加密解密，數(shù)據(jù)融合，定位，時間同步等）的需求 目前支持MICA系列的節(jié)點和MANTIS課題組研發(fā)的namph節(jié)點。,Mantis OS系統(tǒng)介紹,應(yīng)用程序線程和底層操作系統(tǒng)API相互獨立，所以MOS通過提供不同平臺的API就可以實現(xiàn)對多個平臺的支持 MOS系統(tǒng)由內(nèi)核 （kernal/scheduler）， 網(wǎng)絡(luò)棧，通信層 （COM

29、M）以及其 他組件構(gòu)成（如 dev驅(qū)動層）,Mantis OS內(nèi)核和調(diào)度器,提供了類似于UNIX風(fēng)格的調(diào)度器 和POSIX 服務(wù) 基于優(yōu)先級的多線程調(diào)度和在同一優(yōu)先級中進(jìn)行輪轉(zhuǎn)調(diào)度的服務(wù) 時間片可配置 ，缺省為10ms 支持互斥信號量和計數(shù)信號量 邏輯上把RAM可以分成兩部分：一部分在編譯時分配給全局變量，其他部分以堆的形式管理。 內(nèi)核的主要全局?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是線程表，每一個線程占一個條目 系統(tǒng)在以下情況下會引發(fā)上下文切換：調(diào)度器接收到一個來自硬件定時器的中斷，系統(tǒng)調(diào)用和信號量操作。定時器中斷是唯一一個被內(nèi)核處理的硬件中斷 沒有軟件中斷,內(nèi)核和調(diào)度器線程表的定義,內(nèi)核的主要全局?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是線程表，每一

30、個線程占一個條目 typedef struct thread_s stackval_t *sp; 線程當(dāng)前的堆棧指針 stackval_t *stack; 堆棧基指針 uint16_t stackSize; 堆棧的大小 void (*func)(void); 指向線程開始函數(shù)的指針 uint8_t state; 目前線程的狀態(tài) uint8_t suspend_state; 當(dāng)前線程的掛起狀態(tài) uint8_t priority; 線程的優(yōu)先級 uint32_t st; 線程的睡眠時間 uint8_t port; 端口號（只用于網(wǎng)絡(luò)接收） struct thread_s *next; 指向線程列表

31、中的下一個線程 thread_t;,線程,線程的狀態(tài)有五種：空閑狀態(tài)，運(yùn)行狀態(tài)，就緒狀態(tài)，阻塞狀態(tài)，休眠狀態(tài) 阻塞狀態(tài)又分為二種：阻塞空閑狀態(tài)和阻塞休眠狀態(tài) 線程設(shè)置了5個優(yōu)先級：內(nèi)核優(yōu)先級，休眠優(yōu)先級，高優(yōu)先級（能搶占所有其他的優(yōu)先級的線程），正常優(yōu)先級，空閑優(yōu)先級。系統(tǒng)缺省定義的最大線程個數(shù)為6 內(nèi)核為每一個優(yōu)先級維護(hù)一個含有頭指針和尾指針的就緒列表 Idle線程是空閑優(yōu)先級的線程，所以只有當(dāng)其他的所有線程都處于阻塞狀態(tài)時才被運(yùn)行。idle線程可以檢測cpu的使用情況，并且調(diào)整內(nèi)核參數(shù)以節(jié)省能量。,內(nèi)核相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義,內(nèi)核為每一個優(yōu)先級維護(hù)一個含有頭指針和尾指針的就緒列表 typedef

32、 struct thread_t *head; thread_t *tail; tlist_t; 信號量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義如下： typedef struct int8_t val; /該字節(jié)用于作為互斥信號量或計數(shù)信號量 tlist_t q; /頭指針和尾指針 mos_sem_t； 在任何時刻，任何一個線程或是屬于就緒列表，或是屬于信號量列表 指示當(dāng)前正在運(yùn)行線程的全局?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，定義如下： thread_t* _current_thread,系統(tǒng)啟動過程,整個MOS系統(tǒng)是從主函數(shù)main（）開始運(yùn)行的 Main（）函數(shù)中生成了一個新線程：pre_start（）。這個新生成線程主要的任務(wù)是初始化系統(tǒng)

33、，例如串口，傳感器等 pre_start（）中又調(diào)用了start（）函數(shù)，而start（）是用戶程序的開始執(zhí)行函數(shù)，所有的用戶程序都應(yīng)該以start（）函數(shù)開始。 調(diào)度器啟動函數(shù)mos_sched_start()的定義如下： void mos_sched_start(void) running = TRUE; kernel_timer_init();/初始化硬件定時器，這些定時器用于控制休眠時間和時間片大小的 sleep_timer_init(); ENABLE_INTS();/一旦中斷使能了，調(diào)度器便會開始調(diào)度線程和把時間分片 dispatcher(); /開始調(diào)度第一個線程 idle_lo

34、op(); /若無線程可調(diào)度，調(diào)度器進(jìn)入空閑狀態(tài) ,網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧和通信層（COMM層）,整個網(wǎng)絡(luò)棧有四層組成 應(yīng)用層，網(wǎng)絡(luò)層，MAC 層和物理層 第三層及三層以上 由網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧提供，它可被作為一個或多個用戶級線程執(zhí)行 ，提供零拷貝服務(wù) 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的不同層可以執(zhí)行在不同的線程中，或者網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧中所有的層可以執(zhí)行在同一個線程中 MAC 和物理層由通信層（COMM層）提供 COMM層為通信設(shè)備的驅(qū)動程序定義了統(tǒng)一接口，這些設(shè)備包括串口，無線通信設(shè)備等，它實現(xiàn)了異步的I/O操作 ，也管理數(shù)據(jù)包緩沖和同步設(shè)備驅(qū)動程序 COMM層也實現(xiàn)了零拷貝操作和零輪詢 ，高層的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議或用戶線程可以使用COMM層提供的統(tǒng)

35、一接口函數(shù)與通信設(shè)備交互,設(shè)備驅(qū)動層（DEV層）,設(shè)備驅(qū)動層（dev層）涵蓋了同步IO設(shè)備的驅(qū)動程序（如傳感器，外部存儲器等）和異步通信設(shè)備的驅(qū)動程序（如無線電，串口等），每一個設(shè)備都為上層用戶提供了 POSIX風(fēng)格的系統(tǒng)調(diào)用函數(shù) MOS使用了一個靜態(tài)表來存儲每一個設(shè)備的函數(shù)指針 每一個設(shè)備都使用一個互斥信號量，幫助多個使用者互斥地使用設(shè)備 設(shè)備的狀態(tài)： DEV_MODE_OFF， DEV_MODE_IDLE， DEV_MODE_ON,能量管理,提供了標(biāo)準(zhǔn)的接口用來控制外部設(shè)備的能量狀態(tài) ，可以使用dev_mode()函數(shù)來設(shè)定底層設(shè)備的能量狀態(tài) ，三種不同的能量設(shè)備狀態(tài)：開啟，關(guān)閉和空閑 M

36、OS的微處理器能量管理與線程調(diào)度是緊密結(jié)合的，并且它支持2個級別的節(jié)能 ： 當(dāng)調(diào)度器就緒隊列空閑了，調(diào)度器會隱式的使微處理器進(jìn)入空閑狀態(tài) ，此時消耗更少的能量 當(dāng)系統(tǒng)中所有的線程都通過調(diào)用了函數(shù)mos_thread_ sleep()要求進(jìn)入休眠狀態(tài)時，調(diào)度器就會使處理器進(jìn)入更節(jié)能的休眠狀態(tài) ，此狀態(tài)下，只有一個定時器處于運(yùn)行狀態(tài)以便在休眠周期到的時候能喚醒相應(yīng)的進(jìn)程。,Mantis OS模擬器,提供了原型環(huán)境，用于在真正配置網(wǎng)絡(luò)前測試傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序 MANTIS允許程序員在虛擬傳感器節(jié)點和真實的傳感器節(jié)點上測試同一個程序 MANTIS把虛擬環(huán)境和真實的網(wǎng)絡(luò)結(jié)合在一起，例如允許虛擬節(jié)點和物理

37、節(jié)點共存，并且在原型環(huán)境中還可以互相通信 MANTIS的虛擬節(jié)點可以使用MANTIS API以外的API MOS可以在X86（Linux 或Windows）平臺上作為一個應(yīng)用程序運(yùn)行 (稱為 XMOS) XMOS 不能完美的模擬傳感器節(jié)點,Mantis OS模擬器,Mantis OS 編程,C語言作為編程語言 MOS系統(tǒng)在初始化完畢后會自動調(diào)用start（）函數(shù)從而啟動應(yīng)用程序運(yùn)行 可以使用MOS_thread_new ()生成新的子線程,使用無交互后臺程序命令,提供了一種與連接在串口上的傳感器節(jié)點交互的方式 ,用戶也可以定義自己的命令 用來生成新線程的函數(shù)，其原形如下： uint8_t mo

38、s_thread_new (void(*function_start)(void), uint16_t stack_size, uint8_t priority) start函數(shù)里生成一個新的command daemon 線程 使用MOS_register_function函數(shù)可以注冊用戶定制的函數(shù)： bool mos_register_function (char *name, void(*func_pointer)(void),設(shè)備層（ Device Layer）,設(shè)備層提供了與硬件設(shè)備交互的通用接口 設(shè)備的驅(qū)動被定義在MANTIS/src/MOS/dev中，設(shè)備列表定義在MANTIS/s

39、rc/MOS/dev /include/dev.h中 通過調(diào)用以下函數(shù)使用設(shè)備： dev_read (DEV_NAME, (uint8_t *)buf, bytes_to_read) dev_write (DEV_NAME, (uint8_t *)buf, bytes_to_write) dev_ioctl (DEV_NAME, REQUEST, PARAMETERS.) dev_open(DEV_NAME) dev_close(DEV_NAME),設(shè)備層使用新設(shè)備,為了使用新設(shè)備，需要做以下工作： 把設(shè)備的驅(qū)動程序（.c文件）放到MANTIS/src/MOS/dev中，并且將它的頭文件放在相

40、應(yīng)的子目錄中 創(chuàng)建新設(shè)備所需要的每一個函數(shù) 為dev_open() ，dev_close()這兩個函數(shù)增加一個信號量 最后，把init調(diào)用放在main.c中，init應(yīng)該能夠初始化該設(shè)備的mutex信號量，并且執(zhí)行與該設(shè)備相關(guān)的其它初始化,使用通信層,COMM掩蓋了創(chuàng)建緩沖區(qū)和底層不同硬件通信設(shè)備接口的細(xì)節(jié)，以方便用戶使用 調(diào)用comm_send發(fā)送數(shù)據(jù)包時，需要把指向包緩沖區(qū)的指針作為參數(shù) ，COMM層將阻塞這個發(fā)送進(jìn)程，并把這個指針傳遞給具體的設(shè)備驅(qū)動程序，由低層的驅(qū)動程序完成數(shù)據(jù)的發(fā)送，發(fā)送完成后，被阻塞的線程會繼續(xù)運(yùn)行。 接收緩沖區(qū)是由COMM層自己管理的，設(shè)備的驅(qū)動程序可以申請緩沖區(qū)

41、，并把收到的數(shù)據(jù)包放入該緩沖區(qū)。 應(yīng)用程序線程調(diào)用com_recv時，它將會被阻塞，直到設(shè)備填滿了緩沖區(qū)，同時會返回指向填滿數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的指針，使用完該緩沖區(qū)后必需調(diào)用com_free_buf（聲明為靜態(tài)存儲的除外）來釋放緩沖區(qū),使用通信層使用comBuf,接收數(shù)據(jù)包時按下列方法使用comBuf： 1包含源文件： #include com.h 2創(chuàng)建一個comBuf指針，該指針指向的緩沖區(qū)將在com_recv()函數(shù)中分配，如下： static comBuf *recv_pkt; 3使設(shè)備進(jìn)入監(jiān)聽模式，這里需要使能接收中斷以便開始接收數(shù)據(jù)，如下： com_mode(IFACE_NAME, IF_

42、LISTEN); 4最后將接收到的數(shù)據(jù)放到緩沖區(qū)的負(fù)載部分，從而完成接收，如下： recv_pkt = com_recv(IFACE_NAME); 發(fā)送操作中，除了需分配靜態(tài)comBuf*（或使用剛使用完的com_recv()中）之外，其他方面與接收操作相同,休眠和定時,休眠使用mos_thread_sleep函數(shù)使線程進(jìn)入休眠狀態(tài)，其原型如下： void mos_thread_sleep (uint32_t sleeptime) 使用計時器時鐘 ，可以使用realtimer來實現(xiàn)計時操作，它是底層硬件定時器的抽象 #include “realtime.h” /包含頭文件 real_timer

43、_init(); /初始化為CTC模式 uint32_t time; time = *real_timer_get_ticks(); /獲得計時值 調(diào)用real_timer_clear()可以重啟計時器，將運(yùn)行的值重新設(shè)為0即可,使用定時器Alarms,Alarm用來實現(xiàn)節(jié)點上的定時器功能，使用alarm過程如下 ： 提供alarm的頭文件，如下： #include clock.h 下一步需要實例化alarm 實例化mos_alarm_t 結(jié)構(gòu)（windows平臺或linux平臺） 下一步需要設(shè)定回調(diào)函數(shù)，當(dāng)alarm觸發(fā)（溢出）時該函數(shù)將被調(diào)用 設(shè)定mos_alarm_t的其他參數(shù)，不同平臺

44、的使用方法也不同 使用mos_remove_alarm函數(shù)移除一個alarm ： mos_remove_alarm ( switch (msg-type) /下面實現(xiàn)了對不同消息的處理 case MSG_INIT: s-pid = msg-did; / 初始化模塊具體的狀態(tài)，如定時器等 return SOS_OK; /其他消息的處理 case MSG_FINAL: / 釋放模塊占用的資源 return SOS_OK; default: return -EINVAL; return SOS_OK; ,模塊交互（ Module Interaction）,在下面的幾種情形下，模塊間會發(fā)生交互： 模塊

45、間消息傳遞。 對一個函數(shù)的直接調(diào)用，這個函數(shù)被另一個模塊所注冊。 模塊調(diào)用內(nèi)核函數(shù)ker-*實現(xiàn)對系統(tǒng)內(nèi)核的調(diào)用 SOS中的消息都是異步的，模塊發(fā)出一個消息后，該消息便被放入了消息隊列。SOS主調(diào)度循環(huán)從優(yōu)先級隊列中取得消息并將消息傳遞給目標(biāo)模塊的消息處理程序 模塊之間的直接函數(shù)調(diào)用用于實現(xiàn)模塊間需要同步運(yùn)行的操作。SOS使用了函數(shù)注冊和訂閱機(jī)制實現(xiàn)了直接函數(shù)調(diào)用,模塊交互,模塊A調(diào)用通過消息調(diào)用模塊B 模塊A直接調(diào)用模塊B,Module A,Module B,Module A,Module B,函數(shù)注冊,static mod_header_t mod_header SOS_MODULE_HE

46、ADER = .mod_id = TREE_ROUTING_PID, /模塊的id號 .state_size = sizeof(tree_route_state_t), /模塊狀態(tài)占有的空間 .num_timers = 2, /使用了2個定時器 .num_sub_func = 0, / 沒有訂閱其他函數(shù) .num_prov_func = 1, /提供了一個函數(shù)供其他函數(shù)訂閱 .code_id = ehtons(TREE_ROUTING_PID),/代碼ID .platform_type = HW_TYPE， .processor_type = MCU_TYPE, .module_handler

47、 = tree_routing_module, /模塊的消息處理函數(shù) .funct = 0 = tr_get_hdr_size, Cvv0, TREE_ROUTING_PID, MOD_GET_HDR_SIZE_FID, , ;,函數(shù)注冊,模塊頭中的.funct指明了Tree_routing模塊提供給其他模塊的函數(shù)的信息 第一個參數(shù)是該模塊提供給其他模塊的函數(shù)名 第二個參數(shù)是函數(shù)的原型信息 第三個參數(shù)和第四個參數(shù)分別是模塊ID和函數(shù)ID 原型信息編碼了基類型信息和是否含有動態(tài)內(nèi)存的參數(shù),函數(shù)訂閱 動態(tài)訂閱,兩種方法：一種是靜態(tài)的，另一種是動態(tài)的 靜態(tài)訂閱是指模塊在編譯時指定它要調(diào)用的函數(shù) st

48、atic mod_header_t mod_header SOS_MODULE_HEADER = /省略 .num_sub_func = 1, /訂閱了一個函數(shù) .num_prov_func = 0, /沒有提供給其他模塊可訂閱的函數(shù) /省略 .funct = 0 = error_8, Cvv0, TREE_ROUTING_PID, MOD_GET_HDR_SIZE_FID, ;,函數(shù)訂閱動態(tài)訂閱,動態(tài)函數(shù)訂閱 ：使用動態(tài)函數(shù)訂閱時，只需在模塊頭中指明原型信息，并且模塊ID和函數(shù)ID均使用系統(tǒng)預(yù)定義的運(yùn)行時ID static mod_header_t mod_header SOS_MODULE

49、_HEADER = /省略 .num_timers = 1, .num_sub_func = 2, .num_prov_func = 0, /其他部分的定義 .funct = 0 = error_16, Svv0, RUNTIME_PID, RUNTIME_FID, 1 = error_8, cCC2, RUNTIME_PID, RUNTIME_FID, , ; 其中：#define RUNTIME_FID 255 #define RUNTIME_PID NULL_PID,函數(shù)訂閱動態(tài)訂閱,用戶還需要在程序中顯式的使用內(nèi)核函數(shù)ker_fntable_subscribe()實現(xiàn)對函數(shù)的訂閱，得到

50、函數(shù)指針，該函數(shù)的原型如下： int8_t ker_fntable_subscribe(sos_pid_t sub_pid, sos_pid_t pub_pid, uint8_t fid, uint8_t table_index) 第一個參數(shù)是訂閱者模塊ID， 第二個參數(shù)是提供者模塊ID， 第三個參數(shù)是被訂閱函數(shù)的ID， 第四個參數(shù)是函數(shù)記錄的索引 成功訂閱函數(shù)后，用戶使用SOS_CALL(fnptrptr,type, args.)來調(diào)用被訂閱到的函數(shù),模塊與內(nèi)核交互,通過系統(tǒng)調(diào)用獲得內(nèi)核服務(wù) 跳轉(zhuǎn)表把系統(tǒng)調(diào)用重定向到服務(wù)提供者 內(nèi)核的升級獨立于模塊 系統(tǒng)調(diào)用開銷- 12 個時鐘周期,Data

51、 Collector Module,系統(tǒng)跳轉(zhuǎn)表,優(yōu)先級 調(diào)度器,SOS 內(nèi)核,硬件,系統(tǒng)調(diào)用,中斷服務(wù),系統(tǒng)消息,硬件API,模塊插入（Module Insertion）,模塊插入過程如下 ： 運(yùn)行于節(jié)點上的分布協(xié)議監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)中的新模塊。 當(dāng)監(jiān)聽到一個模塊的廣播后，它檢查該模塊的版本是否比運(yùn)行在自己節(jié)點上的模塊更新，或者節(jié)點對這個模塊感興趣并且有空閑的程序空間可以容納這個模塊。 當(dāng)上述的2種情況之一成立，則分布協(xié)議開始下載模塊并立即檢查數(shù)據(jù)包頭中的元數(shù)據(jù)。元數(shù)據(jù)中包含了模塊ID，所需的內(nèi)存空間大?。ㄓ糜诖鎯δK的局部狀態(tài)），模塊版本信息（用于區(qū)分模塊的新舊）。 若SOS內(nèi)核不能為模塊分配用于存儲

52、模塊局部狀態(tài)的內(nèi)存，模塊插入立即失敗退出。 在模塊插入期間會創(chuàng)建一個內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)以模塊ID（包含在元數(shù)據(jù)中）作為索引。這個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲了模塊消息處理函數(shù)的絕對地址，指向用于存儲模塊狀態(tài)的動態(tài)內(nèi)存的指針和模塊的標(biāo)志。 內(nèi)核通過給模塊調(diào)度一個final消息來啟動模塊刪除 ，收到final消息后，內(nèi)核將通過釋放動態(tài)分配的存儲空間，定時器，傳感器驅(qū)動程序和被模塊所擁有的其他的資源,消息調(diào)度,非搶占的優(yōu)先級調(diào)度策略 優(yōu)先級隊列有兩種：高優(yōu)先級和低優(yōu)先級 高優(yōu)先級隊列用于實時性比較高的事件，包括硬件中斷和敏感定時器等 低優(yōu)先級隊列用于調(diào)度大多數(shù)普通的事件 優(yōu)點：改善了系統(tǒng)的中斷響應(yīng)服務(wù)性能 消息也

53、能夠傳遞參數(shù) 使用post_short和post_long這兩個函數(shù)把消息放入相應(yīng)的隊列 系統(tǒng)的主調(diào)度函數(shù)定義在sos-1.7kernelsched.c,消息調(diào)度相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義,SOS中消息結(jié)構(gòu)定義如下： typedef struct Message sos_pid_t did; /消息目標(biāo)模塊的ID sos_pid_t sid; /源模塊的ID uint16_t daddr; /節(jié)點的目的地址 uint16_t saddr; /節(jié)點的源地址 uint8_t type; /模塊消息類型 uint8_t len; /負(fù)載長度 uint8_t *data; /指向?qū)嶋H的數(shù)據(jù)負(fù)載 uint16_t

54、 flag; /表示消息的狀態(tài) uint8_t payloadSOS_MSG_PAYLOAD_LENGTH; /靜態(tài)分配的負(fù)載 struct Message *next; /指針，用于連接下一個消息 PACK_STRUCT Message,消息調(diào)度相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義,優(yōu)先級消息隊列定義如下： typedef struct uint8_t msg_cnt; /隊列中的消息總數(shù) uint8_t lm_cnt; /低優(yōu)先級消息數(shù) uint8_t sm_cnt; /系統(tǒng)消息數(shù) uint8_t hm_cnt; /高優(yōu)先級消息數(shù) Message *hq_head;/高優(yōu)先級隊列 Message *hq_ta

55、il; Message *sq_head;/系統(tǒng)隊列 Message *sq_tail; Message *lq_head;/低優(yōu)先級隊列 Message *lq_tail; mq_t;,消息調(diào)度消息調(diào)度函數(shù)定義,系統(tǒng)的主調(diào)度函數(shù)（定義在sos-1.7kernelsched.c）： void sched(void) ENABLE_GLOBAL_INTERRUPTS(); /使能全局中斷 for(;) SOS_MEASUREMENT_IDLE_END(); DISABLE_GLOBAL_INTERRUPTS(); /關(guān)閉全局中斷 if (int_ready != 0) ENABLE_GLOBAL

56、_INTERRUPTS(); if (true = sched_stalled) continue; handle_callback(); else if( schedpq.msg_cnt != 0 ) ENABLE_GLOBAL_INTERRUPTS(); if (true = sched_stalled) continue; do_dispatch(); /這個函數(shù)實現(xiàn)了真正的消息調(diào)度，它定 else /義在sos-1.7kernelsched.c文件中 SOS_MEASUREMENT_IDLE_START(); atomic_hardware_sleep(); watchdog_rese

57、t(); ,動態(tài)內(nèi)存,模塊需要內(nèi)存存儲狀態(tài)信息 采用了簡單的最佳適應(yīng)固定塊內(nèi)存分配策略 ，塊的大小有三種 空閑的內(nèi)存按照塊的大小組成空閑鏈表常數(shù)時間的內(nèi)存分配和回收開銷 提供了一種用于請求數(shù)據(jù)所有權(quán)改變的機(jī)制 動態(tài)內(nèi)存塊還帶有少量的注釋數(shù)據(jù) ，用于檢測內(nèi)存溢出 運(yùn)行時動態(tài)分配和回收內(nèi)存的方法提高了內(nèi)存的利用率 pkt = (uint8_t*)ker_malloc(hdr_size + sizeof(SurgeMsg), SURGE_MOD_PID),模擬服務(wù),源代碼級的網(wǎng)絡(luò)模擬 UDP很好的模擬了無線信道 模擬框架提供了一種簡單的方式用來支持SOS應(yīng)用程序開發(fā) 無需安裝交叉編譯器 需要定制內(nèi)核

58、 支持用戶定義的拓?fù)浜彤悩?gòu)軟件配置 用于驗證功能的正確性 使用Avrora實現(xiàn)了指令級的模擬 指令周期精確模擬 用于驗證定時信息 參考/avrora/,SOS應(yīng)用程序編寫,編程語言：C，減小了學(xué)習(xí)新的編程語言的難度 可以充分利用C的編譯器，開發(fā)環(huán)境，調(diào)試器和其他的為C所設(shè)計工具 代碼實例請參考課本,WSN操作系統(tǒng)概述 TINYOS 操作系統(tǒng) MANTIS 操作系統(tǒng) SOS 操作系統(tǒng) 三種操作系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)比較 WSN OS最新研究進(jìn)展 主要參考文獻(xiàn),TinyOS，MOS和SOS的設(shè)計實現(xiàn)比較,下面從設(shè)計操作系統(tǒng)必須考慮的幾個方面列舉了這三個系統(tǒng)的設(shè)計考慮,WSN操作系統(tǒng)概述 TINYOS 操作系統(tǒng) MANTIS 操作系統(tǒng) SOS 操作系統(tǒng) 三種操作系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)比較 WSN OS最新研究進(jìn)展 主要參考文獻(xiàn),WSN OS最新研究進(jìn)展,在我們書籍的編寫過程中，操作系統(tǒng)的設(shè)計者也正在努力