TinyOs NesC

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基于组件的模型
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基于组件的模型
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配件和模块
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配件和模块

组件有两种：配件和模块

模块（module）：提供一个或多个接口的实现
配件（configuration）：把其他的组件装配起来，即把组件 使用的接口连接到其提供者

任何一个nesC应用程序都是通过把一个或多个组件进 行连接，从而成为一个可执行的、完整的程序
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任何一个使用nesC编写的应用程序都是由一个或多个 组件连接而成，从而成为一个可执行的、完整的程序 。
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接口
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接口

接口：函数原型的集合 接口是连接不同组件的纽带
接口和接口文件是一一对应的
接口名在TinyOS 操作系统中具有唯一性
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接口示例：

接口中的函数原型分为命令（command）和事件（ event）两种
interface Y;
} ……
}
……
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组件
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组件和接口


一个nesC语言编写的程序由一个或多个组件连接 而成。 一个组件（component）由两部分组成：
1）规范说明 包含要用到的接口名字 2）组件的实现
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组件定义格式示例
域
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组件


上层组件对命令的调用，使用关键字call
底层组件在通知事件时，使用关键字signal 来完成对事件 的通知
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接口

接口是双向的：提供或使用。

组件提供的接口：
描述本组件提供给上一层调用者的功能

组件使用的接口：
描述本组件本身工作时需要的功能

一个组件可以使用（use）或提供（provide）多 个接口或者同一接口的多个实例。
组件的接口说明举例：
module PReaderC { provides interface StdControl; provides interface AMSend;

应用程序采用事件触发去唤醒传感器工作。 事件相当于不同组件之间传递状态信息的信号。
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TinyOS的技术特点

轻量级线程（lightweight thread）

轻量级线程---任务
任务之间是平等的，不能相互抢占，按先入先出队列进行调 度
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TinyOS的技术特点

两级调度方式

任务一般用在对于时间要求不是很高的应用中
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无线传感器网络的特点

传感器网络的特点：

应用多样性、硬件功能有限、资源受限、节点微型化 、分布式任务协作。

单个传感器节点有两个很突出的特点：


并发性密集
传感器节点模块化程度很高

必须针对这些特点来设计WSN操作系统。
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WSN操作系统的设计目标

要求WSN操作系统能够良好的模块化设计，使应 用服务与硬件资源之间可以随意搭配

任务都很短小

事件一般用在对于时间的要求很严格的应用中，且它可以优 先于任务执行

由硬件中断处理来驱动事件
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内容提要
1. 2. 3. 4.
WSN操作系统 TinyOS简介 主要技术
TinyOS的编程语言
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TinyOS的编程语言

TinyOS最初是用汇编和C语言编写的，后来改用支 持组件化编程的nesC语言。
(10) 常量名全部是大写字母， 并用下划线连接两个字词。推荐使用enum 枚举 类型定义整型常量， 而不是使用#define 宏定义方式。
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编译应用程序

make 工具 例如， 在apps/Blink 目录下， 运行以下命令:
$ make antc5
$ make antc5 install $ make antc5 reinstall
Biblioteka Baidu
WSN操作系统 TinyOS简介 主要技术
编程规范
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TinyOS简介

TinyOS是一个开源的嵌入式操作系统，它是由加州大学 的伯利克分校开发出来的，主要应用于无线传感器网络方 面。 基于组件的架构，能够快速实现各种应用。 目前已经成为无线传感器网络领域事实上的标准平台 支持的平台：ntelmote2、mica、tinynode。
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组件
interface AMSend { command result_t send(uint16_t address ， uint8_t length ， TOS_MsgPtr msg); event result_t sendDone(TOS_MsgPtr msg， result_t success); }

在模块中声明任务的语法： task void taskname(){……}
说明：
taskname：任务名称。 void任务必须空返回
不能带有任何参数

派遣一个任务去执行，语法： post taskname();

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一个组件可以在命令、事件或者任务里派遣一个任务 一个任务可以安全地调用命令和触发事件
uses interface Timer<TMilli>;
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uses interface Read<uint16_t>;
组件的接口说明举例：
module A1 {
uses interface X;
uses interface Y;
module A1 {
uses {
等价于：
}
interface X;

命令是要由提供该接口的组件所实现的函数
事件是要在使用该接口的组件中实现
interface SendMsg {
command result_t send(uint16_t address ， uint8_t length ，TOS_MsgPtr msg); event result_t sendDone(TOS_MsgPtr msg， result_t success); }
TinyOS与NesC
1
TinyOS操作系统概述
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内容提要
1. 2. 3. 4.
WSN操作系统 TinyOS简介 主要技术
编程规范
3
无线传感器网络及其操作系统

有人认为没有必要设计一个专门的操作系统，可以直接在 硬件上设计应用程序，但在实际过程中会碰到许多问题：

应用开发难度会加大 软件的重用性差，降低了开发效率。

连接的箭头是 可以对称倒反的

“->”和“<-”作用相同 User组件.接口->Provider组件.接口 等同于 Provider组件.接口<- User组件.接口
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任务
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任务

到目前为止，所有代码都是同步(sync)的。它以单一 的前后执行顺序运行，没有任何形式的抢占
⑴ 当同步代码开始运行后，直到完成前它不会释放CPU给 其他的同步代码

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接口连接
组件及连接举例：


模块组件 （BlinkC.nc）
配置组件(BlinkAppC.nc)
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接口连接

当一个组件只含有一个接口的时候，可以省略接 口的名字。

LedsC组件只包含一个接口leds BnC.leds -> LedsC.leds
等同于
BnC.leds -> LedsC
⑵ 如果一段同步代码运行时间很长， 它会阻止其他同步代 码运行，从而不利于系统的反应
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任务

当需要一个组件去做一件事，但此时还有宽裕的时间 ，最好给TinyOS延迟计算的能力

把任务安排在“处理完之前已在等待的事情”之后再执行

任务是一个函数，组件告诉TinyOS稍后再运行而不是 立即运行
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任务

nesC语言把组件化/模块化思想和基于事件驱动的执行模 型结合起来。

nesC：使用C作为其基础语言，支持所有的C语言 词法和语法，其独有的特色如下：

增加了组件（component）和接口（interface） 定义了接口及如何使用接口表达组件之间关系的方法； 目前只支持组件的静态连接，不能实现动态连接和配置。
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内容提要
1. 2. 3. 4.
WSN操作系统 TinyOS简介 技术特点
编程规范
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TinyOS的技术特点

组件化编程（Componented-Based）


提供一系列可重用的组件；
一个应用程序可以通过连接配置文件将各种组件连接起来，以完 成它所需要的功能。

事件驱动模式（Event-Driven）
3. 编写配置组件：MyDelayC.nc

配置组件MyDelayC向上层提供了接口MyDelay
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nesC的命名约定
(1) 所有的nesC 文件的扩展名都是.nc ;并且 nesC 编译器要求文件名与文件内 定义的接口名或组件名相匹配 (2) 接口名或组件名是以大写字母开头的混合形式(指大小写字母混合)



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TinyOS简介

TinyOS的程序采用的是模块化设计


程序核心往往都很小
能够突破传感器存储资源少的限制。
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TinyOS的设计理念

由于WSN的特殊性，研究人员在设计TinyOS系统 时就提出以下几个原则：
1）能在有限的资源上运行 2）允许高度的并发性 3）适应硬件升级 4）支持多样化的应用程序 5）鲁棒性强： 6）支持一系列平台

操作系统必须能够高效地使用各种资源

必须为应用提供高效的组网和通信机制
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现有的WSN操作系统



代表性的开源 WSN操作系统：
Tiny OS 2.1：美国加州大学伯克利分校
Mantis OS 0.9.5 ：美国克罗拉多大学 SOS 1.7：美国加州大学洛杉矶分校
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内容提要
1. 2. 3. 4.
组件装配示意图
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配件和模块

每个nesC应用程序都必须有且只有一个顶层配件连 接内部组件 组件设计分为 模块与配件 的目的：
为了让系统设计者在构建应用程序的时候可以脱离组件的 具体实现。

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连接

配件将内部的各组件对应的接口连接在一起，这个操作称为连 接（wiring），它将接口的提供者与接口的使用者关联起来。 要把一个接口连接到另一个接口时，一定要是同一类接口 连接操作使用“->”来表示 格式：User组件.接口 -> Provider组件.接口 例如 A.a -> B.b 意为 组件A的接口a连接到组件B的接口b A 是接口的使用者(user) ，而 B是接口的提供者 (provider) BlinkC.Boot -> MainC.Boot;
示例：TestDelay
1. 编写接口：MyDelay.nc

定义了命令start和事件fired

命令start用于开启延时功能
事件fired用于通知延时结束事件
2. 编写模块组件：MyDelayM.nc

MyDelayM模块提供接口MyDelay
⑴ 需实现MyDelay接口中的start命令函数，启动延时 ⑵ 用关键字signal指明什么时候发送事件fired
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开发平台
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整体框架

无线传感网节点 基站板


传感器模块
ARM控制平台 扩展模块 M2M模块
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传感器模块

传感器是将物理世 界的信息进行量化 的设备，是 ATOS 平台中采集数据的 基本来源。
温度传感器模块
温湿传感器模块
光照传感器模块
流量传感器模块
雨滴传感器模块
血压传感器
气体压力传感器
三轴加速度传感器
酒精传感器
可燃气体传感器
GPS 传感器
摄像头传感器
继电器模块
人体红外传感器
线性霍尔传感器
超声波传感器
磁场传感器模块
震动传感器
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基站板

基站板（或称为网关板）， 是 ATOS 实验平台中用于采 集节点数据、烧录程序，以 及串口通讯的多功能设备。 有一个传感器模块连接插槽 ，一个射频模块连接插槽。 一个 USB烧录线接口，USB 转串行接口以及一个标准串 口。 基站板还具有三个红、蓝、 黄三个状态指示灯（即 LED 灯）。

假设：

上层路由组件RouteEngineP使用 AMSend 接口； 下层组件ActiveMessageC 提供 AMSend 接口 call AMSend.send(msg, len);// 调用命令
⑴组件RouterEngineP ：
⑵ 底层组件ActiveMessageC：
signal AMSend.sendDone(msg, SUCCESS);//触发事件
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组件和接口

提供了接口的组件必须实现该接口的命令函数

使用了某接口的组件必须实现该接口的事件函数

当一个组件调用(call)了的一个接口的命令 ，须实现该接 口的事件处理函数

一个组件可以使用(use)或提供(provide)多个接口或 者同一接口的多个实例
组件举例：“PeriodicReaderC.nc”
(3) 如果接口和组件相关，除了组件名采用后缀( "C" 或"P" ) 之外， 建议两者 采用相同的命名
(4) 命令、事件、任务和函数都使用小写字母开头的混合形式。
(9) 命令是分阶段作业的起始部分， 而事件是分阶段作业的后续部分，因此事 件的命名应当与命令有关
建议采用命令函数名的过去式， 或者在命令名后面紧跟" Done" 标识。