TinyOS任务调度机制与实时调度构件设计

收稿日期:2007-05-09;修回日期:2007-07-18。

基金项目:国家863计划项目(2005AA1Z2120)。

作者简介:刘奎安(1982-),男,四川自贡人,硕士研究生,主要研究方向:无线传感器网络;　郭文生(1976-),男,辽宁铁岭人,讲师,博士研究生,主要研究方向:无线传感器网络、实时网络技术;　桑楠(1964-),男,四川营山人,教授,主要研究方向:嵌入式实时系统。

文章编号:1001-9081(2007)11-2740-03Tiny OS 任务调度机制与实时调度构件设计刘奎安,郭文生,桑　楠(电子科技大学计算机科学与工程学院,成都610054)(lka10271982@sina .com )摘　要:Tiny OS 是一个开源的构件化操作系统,它采用构件化描述语言nes C 进行开发,主要针对资源非常有限的无线传感器网络节点而设计。

分析了Tiny OS 22.x 的任务调度机制,针对其在实时应用领域的调度缺陷,设计并实现了一种软实时任务调度构件。

根据构件在T OSSI M 仿真器中的验证分析,能有效增强Tiny OS 的实时性能。

关键词:无线传感器;Tiny OS;实时;构件设计;T OSSI M 中图分类号:TP316;TP311 文献标识码:ASchedule m echan is m of T i n yO S and its rea l 2ti m e schedule co m ponen t desi gnL I U Kui 2an,G UO W en 2sheng,S ANG Nan(School of Co m puter Science and Engineering,U niversity of Electronic Science and Technology of China,Chengdu S ichuan 610054,China )Abstract:Tiny OS is an open 2s ource component operating syste m for sens or net w orks nodes that has very li m ited res ources .Tiny OS was i m p le mented in component 2devel op ing language nes C .Thr ough analyzing the schedule mechanis m of Tiny OS 22.x,a s oft real 2ti m e scheduler componentwas designed and i m p le mented for real 2ti m e app licati ons .Si m ulati on results in T OSSI M demonstrate that the s oft real 2ti m e component i m p r oves the real 2ti m e perfor mance of Tiny OS .Key words:wireless sens or net w orks;Tiny OS;real 2ti m e;component design;T OSSI M0　引言无线传感器网络(W ireless Sens or Net w orks,W S N )是由大量体积较小、能源受限,具有一定计算、存储和无线通信能力的传感器节点组成的无结构网络[1,2]。

它综合了传感器、嵌入式、无线网络、分布式信息处理等技术。

由于W S N 自身具备的特征,已广泛应用于国防军事、环境监测、交通管理、医疗卫生等领域。

无线传感器网络作为一个新兴的研究领域,其中存在大量挑战性的研究课题,节点上的操作系统(W irelessSens or Net w orks Operati on Syste m,W S NOS )设计与实现就是其中之一。

目前,国外许多大学、研究机构着手于W S NOS 的研究,开发出了Tiny OS [3]、Magnet 、MANTI S 、Sen OS 等具有典型特征的W S NOS 。

其中,由UC Berkeley 依靠S martdust (智能尘埃)项目开发出的Tiny OS 得到了广泛关注和应用。

Tiny OS 是全新面向W S N 的源码级构件化操作系统,由构件开发语言nes C [4]开发,其内核只需要400字节的内存空间即可运行起来,是一个轻量级操作系统。

但在实时应用中,Tiny OS 简单的F I F O 调度算法就显得不再适用,在任务数较多时重要任务的响应时间无法得到保证。

因此,针对实时应用的实时性需求,本文深入分析了Tiny OS 22.x 调度机制和调度相关的构件,提出了具有软实时性能的任务调度机制,开发了相应的系统调度构件,通过在T OSSI M [5]仿真器中进行仿真分析,此实时系统调度构件能提高Tiny OS 的实时性能。

1　Tiny OS 22.x 的调度机制1.1　Tiny OS 的任务事件驱动的并发模型Tiny OS 采用任务和事件驱动[6]相结合的两级并发模型(如图1)。

图1　Tiny OS 任务事件驱动并发模型示意图任务机制　任务由用户应用程序定义,可以由应用程序或事件处理程序创建。

任务由task 关键字定义,具体定义语法为:task void myTask (){…}。

任务由post 关键字创建,具体语法为:post myTask ()。

创建任务时,Tiny OS 的调度器将任务加入任务队列的队尾。

核心调度策略中的任务调度器把此任务加入任务队列后就立即返回,任务则延迟执行。

在等待执行的任务队列中,各个任务之间采用F I F O 原则进行调第27卷第11期2007年11月计算机应用Computer App licati onsVol .27No .11Nov .2007度,任务间不能相互抢占。

任务机制没有实时调度能力,适用于非抢占、时间要求不严格的应用。

事件驱动机制　事件直接或间接地由硬件中断产生,Tiny OS 接收到事件后,立即执行此事件对应的事件处理函数。

事件处理可以抢占当前运行的任务,应用于时间要求严格的应用中,但是产生事件的中断源极其有限,无法满足多任务的实时应用。

1.2　Tiny OS 22.x 任务调度实现的具体分析Tiny OS 22.x 源码中,任务调度器是由配置构件[7]TinyScheduler C 及其相关模块构件[7]构成。

配置构件TinyScheduler C 的作用是实例化调度器所用到的各个系统模块构件,并通过配线规范[6]将实例化的各个模块构件通过接口[6]组装起来,形成最终系统调度器。

图2　TinyScheduler C 构件模型TinyScheduler C 构件的实现体中与配线相关的语句有:Scheduler =Sched,说明TinyScheduler C 构件提供的Scheduler接口是由Sched 构件提供的;Task Basic =Sched,说明TinyScheduler C 构件提供的Task Basic 接口是由Sched 构件提供的;Sched .McuSleep ->Sleep,说明Sched 中使用到的McuSleep 接口是由Sleep 构件提供的。

在系统调度器中,负责调度功能的模块构件是Sched,该构件中包含了Tiny OS 的任务等待队列的数据结构和队列的操作函数。

描述任务等待队列的数据结构是在其实现体中声明的3个由volatile 修饰的uint8_t (8位无符号整型)的全局变量,分别是m _head 、m _tail 和m _next[NUM _T ASKS ]。

m _head 保存队首任务的任务号,用于调度器取队首任务执行;m _tail 保存队尾任务的任务号,用于调度器向任务队列中加入一个新任务;m_next[i ]数组(i 取值空间为0～NUM _T ASKS -1)用于保存任务i 的下一个任务的任务号。

其中8位无符号整型用于保存任务的任务号,说明Tiny OS 22.x 的系统中能够最大容纳任务数为255个(其中一个值为255作为空任务NO_T ASK 标识被占用),相比Tiny OS 21.x 的最大能容纳7个任务的循环队列得到了改进。

Tiny OS 在静态编译时计算出系统中定义的任务数NUM _T ASKS,并为每个任务分配各自的任务号(任务id,是个8位无符号整型),这样不仅能确定出m_next[NUM _T ASKS ]长度,节省了保存任务队列的内存空间,而且每个任务由系统统一分配不同确定的任务号id,方便了任务的管理。

1.3　Tiny OS 22.x 调度机制的特点从以上分析归纳出Tiny OS 的调度特点:1)任务之间不能相互抢占,所有任务共享一个执行空间,节约了系统运行时的内存开销;2)任务由系统中的一个单向任务队列进行管理,任务调度遵循F I F O 方式,避免了可抢占调度的复杂设计和死锁等问题;3)当任务队列为空且无事件产生时,处理器自动处于睡眠状态,并由随后硬件中断产生的事件唤醒,有利于系统节能;4)事件处理用来响应底层硬件的中断,如MCU 的外部中断、定时器中断等,其触发的事件处理抢占任务的执行,是一种异步、时间响应快的执行方式。

2　Tiny OS 22.x 的实时调度构件的设计与实现2.1　实时改造可行性Tiny OS 是基于构件的操作系统。

具体应用由不同的系统构件和用户应用构件通过接口组装而成。

所以,可以开发出实时调度的系统构件。

当应用需要实时调度时,采用实时调度构件替换Tiny OS 自带的队列调度构件来形成系统的任务调度器。

图3　Tiny OS 开发示意图存在着成熟而优秀的嵌入式实时操作系统提供实时调度算法和实时调度的实现可供改造时参考借鉴,如内核开源的μC /OS 。

无线传感器网络主要针对于具体的应用,在一定程度上简化了实时构件的设计,可以针对具体应用设计不同实时性能的系统构件。

2.2　实时调度构件具体设计与实现根据无线传感器网络的特性,确定实时性能改造原则:低开销原则　由于要考虑任务实时化的系统开销,一定要考虑节点的硬件情况。

兼容性原则　实时调度实现的调度器一定要满足构件化的nes C 编程规范,以便与系统组装构成应用系统。

可靠性原则　因为传感器网络节点上的MCU 多不提供地址保护。

应用在设计时一定要注意不能访问实时任务管理的地址空间,否则会造成系统崩溃。

实用性原则　实时构件设计不需要考虑得太复杂,可以针对具体的应用进行设计。