網(wǎng)絡(luò)傳感器的嵌入式操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案解析

　引言
　　網(wǎng)絡(luò)傳感器是集傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)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(jì)算”在微型嵌入式領(lǐng)域的一種重要應(yīng)用模式。
　　網(wǎng)絡(luò)傳感器的研究過(guò)去一直受限于硬件平臺(tái)而發(fā)展緩慢。隨著半導(dǎo)體技術(shù)、通信技術(shù)、微電子技術(shù)和微機(jī)械技術(shù)的不斷進(jìn)步，低功耗、低價(jià)格、多功能的傳感器網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)成為現(xiàn)實(shí)。
　　背景
　　應(yīng)用特點(diǎn)
　　網(wǎng)絡(luò)傳感器應(yīng)用有其自身的特點(diǎn)，主要有以下幾個(gè)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(jì)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(jì)帶來(lái)較大的限制；另一方面，傳感器上運(yùn)行的應(yīng)用程序和系統(tǒng)內(nèi)核通常是緊密結(jié)合在一起的，且運(yùn)行時(shí)需要的任務(wù)數(shù)量、執(zhí)行時(shí)間、執(zhí)行結(jié)果以及內(nèi)存消耗等是可以較好預(yù)計(jì)的。
　　此外，傳感器種類繁多，針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)合需要不同種類的傳感器；在軍事應(yīng)用、空間探索等特定應(yīng)用場(chǎng)合下，更是需要大量的不同種類的傳感器協(xié)同合作來(lái)完成特定應(yīng)用事件。因而傳感器上運(yùn)行的軟件系統(tǒng)如果能夠具備相對(duì)較好的靈活性、可配置性和可
　　重用性，將能更好地滿足應(yīng)用需求。
　　現(xiàn)有嵌入式OS比較
　　當(dāng)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(diǎn)是：功能強(qiáng)大；具有豐富的API和嵌入式應(yīng)用軟件；具備良好的實(shí)時(shí)性能，尤以Vxwork為代表；具備良好的穩(wěn)定性。缺點(diǎn)是：價(jià)格昂貴；源代碼不公開(kāi)，以及由此導(dǎo)致的諸如對(duì)設(shè)備的支持、應(yīng)用軟件的移植等一系列的問(wèn)題；另外對(duì)于傳感器器件來(lái)說(shuō)，這些嵌入式OS都顯得過(guò)于“龐大”了一些。 uc/os和嵌入式Linux當(dāng)前正獲得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。
　　它們的優(yōu)點(diǎn)是：執(zhí)行效率高、占用空間小、可擴(kuò)展性能好，同時(shí)是免費(fèi)且源代碼公開(kāi)的。uc/os具備良好的實(shí)時(shí)性能，嵌入式Linux的實(shí)時(shí)性能有待進(jìn)一步提高。缺點(diǎn)是：它們都是相對(duì)通用的嵌入式操作系統(tǒng)，不能完全適應(yīng)傳感器應(yīng)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(duì)于某些傳感器應(yīng)用來(lái)說(shuō)，仍然顯得不夠精簡(jiǎn)。
　　UC Berkeley設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的嵌入式操作系統(tǒng)TinyOS以及系統(tǒng)編程語(yǔ)言nesC。我們?cè)谄饰霈F(xiàn)有嵌入式OS特別是TinyOS的基礎(chǔ)之上，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了支持網(wǎng)絡(luò)傳感器的微型嵌入式操作系統(tǒng)γOS，并開(kāi)發(fā)了系統(tǒng)編程語(yǔ)言AntC。
　　γOS設(shè)計(jì)
　　γOS是以網(wǎng)絡(luò)傳感器應(yīng)用為目標(biāo)的微型嵌入式操作系統(tǒng)，針對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳感器的前述應(yīng)用特點(diǎn)，γOS的設(shè)計(jì)具備幾個(gè)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(cè)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(zhǎng)的生命期；支持集成可與物理世界交互的傳感設(shè)備，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和傳輸；同時(shí)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(luò)的兩個(gè)突出問(wèn)題：
　　1）由于網(wǎng)絡(luò)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(shí)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(yīng)用組件必須緊密地結(jié)合在一起，減小處理和存儲(chǔ)開(kāi)銷。為此，γOS的設(shè)計(jì)重點(diǎn)主要集中在以下幾個(gè)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(jì)；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(jì)了一種相對(duì)簡(jiǎn)單的內(nèi)核機(jī)制，它由兩部分組成：系統(tǒng)初始化代碼以及一個(gè)微小的核心調(diào)度組件。系統(tǒng)初始化代碼具有平臺(tái)相關(guān)性；核心調(diào)度組件實(shí)現(xiàn)基于優(yōu)先級(jí)的兩級(jí)調(diào)度機(jī)制，它分別由兩個(gè)調(diào)度隊(duì)列組成：事件隊(duì)列和任務(wù)隊(duì)列。事件隊(duì)列優(yōu)先級(jí)高于任務(wù)隊(duì)列的優(yōu)先級(jí)，每個(gè)隊(duì)列內(nèi)部基于FIFO調(diào)度機(jī)制。