Tutorial实验手册

TinyOSTinyOS是一种专门为嵌入式无线传感器网络所涉及的开源操作系统，它为用户在无线传感器网络有限的资源中能够进行快速的创新和扩展提供了强大的基于组件的架构。

TinyOS 的组件库包括了网络协议，发送服务、传感器驱动和数据采集工具等组件，这些组件都可以在用户的应用程序中被调用。

在这里，TinyOS并不是一个传统意义上的操作系统，它还是一个专门为嵌入式系统所设计的编程框架和用于传感器网络编程的组件库，能够使得基于TinyOS的应用程序足够的小。

同时，TinyOS不支持文件系统，仅仅支持静态内存分配，扩展了一个简单的任务模型并提供了最小设备和网络的抽象。

TinyOS采用了基于组件的编程模型（nesC语言）。

与其他操作系统一样，TinyOS通过层的方式对它自身的软件组件进行组织和管理，处于较低层的组件就越接近与硬件，处于较高层的组件则较接近于应用程序。

一个完整的TinyOS系统应用程序就是由这些组件搭建而成，每一个组件都是一个独立的实体。

在TinyOS的编程中包含了三个概念：命令、事件和任务。

其中，命令和事件是组件之间交互通信的关键机制，任务则是用于传递组件外的消息。

下面将分别介绍这些概念：命令通常是向另一个组件请求服务时所发送的指令，举一个简单的例子就是要求传感器开始进行数据的采集。

与之相对比的是，事件通常是一个组件在完成自身的服务后向外发送的信号。

在传统的操作系统理论中，命令相当于是自上而下的调用而事件相当于回调。

TinyOS编程概览TinyOS操作系统，组件库和所有的应用程序都使用nesC语言进行编程，nesC是一个新型基于组件的结构化编程语言，主要用于进行传感器网络的嵌入式程序开发。

它采用类似于C语言的语法进行编程，因为TinyOS最初是使用汇编和C语言编写的，但是经过长期的使用，研究人员发现汇编和C语言并不能有效、方便地支持面向传感器网络的应用。

因此他们对C语言进行了一定扩展，提出了支持组件化编程的nesC语言，把组件化/模块化思想和基于事件驱动的模型结合在了一起。

TinyOS系统、库及应用程序都是用nesC语言写的语言写的，其目前主要用于诸如传感器网络等嵌入式系统，它具有类似于C 语言的语法，并能与其他软组件链接在一起从而形成一个鲁棒的网络嵌入式系统。

nesC的主要目标是帮助应用程序设计者建立可易于组合成完整、并发式系统的组件，并能够在编译时执行广泛的检查。

TinyOS定义了许多在n esC中所表达的重要概念。

首先，nesC应用程序要建立在定义良好、具有双向接口的组件之上。

其次，nesC定义了并发模型，该模型是基于任务及硬件事件句柄的，在编译时会进行数据争用的检测。

NesC语言在设计中的基本思想主要包括两点。

（1）程序构造机制和组合机制分离：整个程序由多个组件(component)导通(wiring)而成。

组件定义了两种范围，一个是为其接口定义的范围，另一个是为其实现定义的范围。

组件可以以任务(task)形式存在，并具有内在并发性。

线程控制可以通过组件的接口(interface)传递给组件本身。

这些线程可能源于一个任务或者一个硬件中断。

（2）组件的行为规范由一组接口来定义。

接口由组件提供或被使用。

组件提供给用户的功能由它实现的接口体现，而被组件使用的接口则体现了来自于别的提供了该接口的组件提供的功能。

下面将详细介绍nesC语言中的一些关键的组成部分。

1.组件和接口任何一个nesC应用程序都是有一个或多个组件链接起来，从而形成一个完整的可执行程序的。

而接口是一系列声明的有名函数的集合，同时也是连接不同组件的纽带，这条纽带是唯一的，同时也是双向的。

它实际上是组件的提供者（provider）和使用者(user)之间的一条信息传递通道，接口声明了一组函数，称为命令（command），接口的提供者必须实现它们；还声明了另外一组函数，称为事件（event），接口的使用者必须实现它们。

使用接口可以表达组件之间复杂的交互，例如在某些事件中注册感兴趣的操作，而后当事件发生时回调这些操作。

这一点至关重要，因为在TinyOS中，运行时间长的命令都是非阻塞的。

接口由interface 类型定义，其语法如下所示：nesC-file:includes-listopt interface….Interface:Interface identifier { declaration-list}Storage-class-specifier如语法规范所示，在接口标示符后面的声明列表(declaration-list)中给予了相应接口的定义。

声明列表必须由命令或者事件的函数(Storage-class-specifier)组成。

下面，给出一个简单接口定义的例子：如图所示，组件MultiHopEngineM使用了接口Send和组件RadioCRCPacket实现了接口Send，两者通过接口连通起来。

接口代码如下interface Send {command void send(TOS_Msg *m);event void sendDone();}从上面例子可以看出：接口Send包括一个命令send和一个事件sendDone。

提供接口Send的组件RadioCRCPacket需要实现send命令函数，而使用此接口的组件MultiHopEngineM需要实现sendDone事件函数。

同时，一个组件可以使用或提供多个接口以及同一个接口的多个实例。

在nesC中有两种类型的组件，分别称为模块（module）和配置（configuration）。

模块提供应用程序代码，实现一个或多个接口；配置则是用来将其它组件装配起来的组件，将各个组件所使用的接口与其它组件提供的接口连接在一起。

这种行为称为导通（wiring）。

每个nesC 应用程序都由一个顶级配置所描述，其内容就是将该应用程序所用到的所有组件导通起来，形成一个有机整体。

下图为necC的组件类型：图：nesC组件类型2.模块及其组成模块（modules）是主要用C语言来实现的语言规范，他实际上是组件的逻辑功能实体，主要包括命令、事件、任务等的具体实现。

模块的语法定义：Module:module identifier specification module-implementationModule-implementation:implementation {translation-unit}如语法定义所示，translation-unit是一系列C语言声明和定义。

模块中translation-unit的顶层声明属于模块的组件实现范围。

如下面就是一个简单模块的例子。

module BlinkM {provides interface StdControl;uses interface Timer;uses interface Leds;}implementation {bool state;command result_t StdControl.init() {state = FALSE;call Leds.init();return SUCCESS;}command result_t StdControl.start() {return call Timer.start(1000);}command result_t StdControl.stop() {return call Timer.stop();}event result_t Timer.fired() {state = !state;if (state) call Leds.redOn();else call Leds.redOff();return SUCCESS;}}在程序体的2~4行，声明了这个模块所使用和提供的接口名称，然后在implementation 之后，是一系列的C语言声明和定义，可以是：任意标准C语言的声明；定义、任务的声明；定义、命令或事件的实现。

3.配置(Configuration)及其组成配置通过连接一系列其他组件来实现一个组件规范，它主要定义了组件间是怎样相互连接以及如何与配置的规范连接在一起。

配置的语法定义：Configuration:Configuration identifier specification configuration-implementationConfiguration-implementation:Implementation {component-list connection-list}如配置的语法定义所示，component-list中列出来的用来实现此配置的组件列表，connection-list定义了这些组件是怎样互相连接以及如何与配件的规范连接在一起的。

如下是一个简单的配置文件：configuration Blink {}implementation {components Main, BlinkM, TimerC, LedsC;Main.StdControl->BlinkM.StdControl;BlinkM.Timer->TimerC;BlinkM.Leds->LedsC;}配置在implementation之后定义了四个组件Main、BlinkM、TimerC和LedsC，并利用“->”符号将组件中的元素（接口、命令、事件等）联系在了一起，以完成相互之间的调用。

而配置的具体工作原理以及它是如何与模块共同工作的，我们将在后面的小节里为大家详细讲解。

nesC项目文件规范nesC的所有源文件，包括interface、module 和配置，其文件后缀（扩展名）都是“.nc”。

文件名中末尾为M的文件表示Module，如TimerM等。

每一个标准的nesC的应用程序项目都至少包含了4个文件，如：makefile、ponet、program.nc和programM.nc文件。

在makefile文件中，通常包含的内容如下：include ponentinclude $(TOSROOT)/apps/MakeXbowlocalinclude $(MAKERULES)在ponet文件中，定义了顶层的组件名称和传感器板的名称，它将在编译时告诉编译器使用何种内置组件来与传感器板进行数据的通讯。

在MoteWorks中，每一种传感器板都有与之相对应的组件来驱动。

文件内容如下（采用MTS310传感器板，项目名称MyApp）：COMPONENT=MyAppSENSORBOARD=mts310program.nc和programM.nc分别为配置和模块文件。

它们构成了整个项目的核心。

MoteWorks的安装与介绍1.MoteWorks介绍MoteWorks是第一款用于工业可开放源代码的，基于标准平台和支持OEM 设备与系统开发的软件平台。