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网络传感器的嵌入式操作系统设计方案解析
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2017-11-06
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引言
网络传感器是集传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及通信技术、分布式信息处理技术于一身的资源受限的嵌入式设备，是“普适计算”在微型嵌入式领域的一种重要应用模式。
网络传感器的研究过去一直受限于硬件平台而发展缓慢。随着半导体技术、通信技术、微电子技术和微机械技术的不断进步，低功耗、低价格、多功能的传感器网络系统得到了快速发展，使得制作微小、有弹性、低功耗的传感器节点成为现实。
背景
应用特点
网络传感器应用有其自身的特点，主要有以下几个方面：小尺寸和低功耗、并发密集操作、有限的物理并行性和控制层次、多样化的设计和使用。一方面，传感器资源极其有限，给底层嵌入式程序设计带来较大的限制；另一方面，传感器上运行的应用程序和系统内核通常是紧密结合在一起的，且运行时需要的任务数量、执行时间、执行结果以及内存消耗等是可以较好预计的。
此外，传感器种类繁多，针对不同应用场合需要不同种类的传感器；在军事应用、空间探索等特定应用场合下，更是需要大量的不同种类的传感器协同合作来完成特定应用事件。因而传感器上运行的软件系统如果能够具备相对较好的灵活性、可配置性和可
重用性，将能更好地满足应用需求。
现有嵌入式OS比较
当前存在众多的嵌入式操作系统，其中具有代表性的如Vxwork、WindowsCE，pSOS和Neculeus等，它们的优点是：功能强大；具有丰富的API和嵌入式应用软件；具备良好的实时性能，尤以Vxwork为代表；具备良好的稳定性。缺点是：价格昂贵；源代码不公开，以及由此导致的诸如对设备的支持、应用软件的移植等一系列的问题；另外对于传感器器件来说，这些嵌入式OS都显得过于“庞大”了一些。 uc/os和嵌入式Linux当前正获得越来越广泛的应用。
它们的优点是：执行效率高、占用空间小、可扩展性能好，同时是免费且源代码公开的。uc/os具备良好的实时性能，嵌入式Linux的实时性能有待进一步提高。缺点是：它们都是相对通用的嵌入式操作系统，不能完全适应传感器应用领域的需求，如嵌入式Linux最小仍然需要上百K的ROM和RAM空间才能工作，而uc/os的内核尽管可缩减至几K，但是对于某些传感器应用来说，仍然显得不够精简。
UC Berkeley设计开发了无线传感器网络应用的嵌入式操作系统TinyOS以及系统编程语言nesC。我们在剖析现有嵌入式OS特别是TinyOS的基础之上，设计实现了支持网络传感器的微型嵌入式操作系统γOS，并开发了系统编程语言AntC。
γOS设计
γOS是以网络传感器应用为目标的微型嵌入式操作系统，针对网络传感器的前述应用特点，γOS的设计具备几个特性：支持足够微小的硬件系统，便于传感器设备在检测环境中的任意撒布；支持足够低的系统功耗，保证传感器设备具备足够长的生命期；支持集成可与物理世界交互的传感设备，实现数据的采集和传输；同时兼顾适度灵活的可重用性、可配置性。
γOS还必须解决传感器网络的两个突出问题：
1）由于网络传感器操作的并发密集性，因而必须保证众多不同数据流的并发即时传输；
2）系统必须提供高效的模块化管理策略，具体硬件设备和具体应用组件必须紧密地结合在一起，减小处理和存储开销。为此，γOS的设计重点主要集中在以下几个方面：低能耗的微型内核；微线程的系统架构；组件化的功能设计；支持传感通信的接口。
支持低能耗的微型内核
为了降低能耗，γOS设计了一种相对简单的内核机制，它由两部分组成：系统初始化代码以及一个微小的核心调度组件。系统初始化代码具有平台相关性；核心调度组件实现基于优先级的两级调度机制，它分别由两个调度队列组成：事件队列和任务队列。事件队列优先级高于任务队列的优先级，每个队列内部基于FIFO调度机制。
网络传感器是集传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及通信技术、分布式信息处理技术于一身的资源受限的嵌入式设备，是“普适计算”在微型嵌入式领域的一种重要应用模式。
网络传感器的研究过去一直受限于硬件平台而发展缓慢。随着半导体技术、通信技术、微电子技术和微机械技术的不断进步，低功耗、低价格、多功能的传感器网络系统得到了快速发展，使得制作微小、有弹性、低功耗的传感器节点成为现实。
背景
应用特点
网络传感器应用有其自身的特点，主要有以下几个方面：小尺寸和低功耗、并发密集操作、有限的物理并行性和控制层次、多样化的设计和使用。一方面，传感器资源极其有限，给底层嵌入式程序设计带来较大的限制；另一方面，传感器上运行的应用程序和系统内核通常是紧密结合在一起的，且运行时需要的任务数量、执行时间、执行结果以及内存消耗等是可以较好预计的。
此外，传感器种类繁多，针对不同应用场合需要不同种类的传感器；在军事应用、空间探索等特定应用场合下，更是需要大量的不同种类的传感器协同合作来完成特定应用事件。因而传感器上运行的软件系统如果能够具备相对较好的灵活性、可配置性和可
重用性，将能更好地满足应用需求。
现有嵌入式OS比较
当前存在众多的嵌入式操作系统，其中具有代表性的如Vxwork、WindowsCE，pSOS和Neculeus等，它们的优点是：功能强大；具有丰富的API和嵌入式应用软件；具备良好的实时性能，尤以Vxwork为代表；具备良好的稳定性。缺点是：价格昂贵；源代码不公开，以及由此导致的诸如对设备的支持、应用软件的移植等一系列的问题；另外对于传感器器件来说，这些嵌入式OS都显得过于“庞大”了一些。 uc/os和嵌入式Linux当前正获得越来越广泛的应用。
它们的优点是：执行效率高、占用空间小、可扩展性能好，同时是免费且源代码公开的。uc/os具备良好的实时性能，嵌入式Linux的实时性能有待进一步提高。缺点是：它们都是相对通用的嵌入式操作系统，不能完全适应传感器应用领域的需求，如嵌入式Linux最小仍然需要上百K的ROM和RAM空间才能工作，而uc/os的内核尽管可缩减至几K，但是对于某些传感器应用来说，仍然显得不够精简。
UC Berkeley设计开发了无线传感器网络应用的嵌入式操作系统TinyOS以及系统编程语言nesC。我们在剖析现有嵌入式OS特别是TinyOS的基础之上，设计实现了支持网络传感器的微型嵌入式操作系统γOS，并开发了系统编程语言AntC。
γOS设计
γOS是以网络传感器应用为目标的微型嵌入式操作系统，针对网络传感器的前述应用特点，γOS的设计具备几个特性：支持足够微小的硬件系统，便于传感器设备在检测环境中的任意撒布；支持足够低的系统功耗，保证传感器设备具备足够长的生命期；支持集成可与物理世界交互的传感设备，实现数据的采集和传输；同时兼顾适度灵活的可重用性、可配置性。
γOS还必须解决传感器网络的两个突出问题：
1）由于网络传感器操作的并发密集性，因而必须保证众多不同数据流的并发即时传输；
2）系统必须提供高效的模块化管理策略，具体硬件设备和具体应用组件必须紧密地结合在一起，减小处理和存储开销。为此，γOS的设计重点主要集中在以下几个方面：低能耗的微型内核；微线程的系统架构；组件化的功能设计；支持传感通信的接口。
支持低能耗的微型内核
为了降低能耗，γOS设计了一种相对简单的内核机制，它由两部分组成：系统初始化代码以及一个微小的核心调度组件。系统初始化代码具有平台相关性；核心调度组件实现基于优先级的两级调度机制，它分别由两个调度队列组成：事件队列和任务队列。事件队列优先级高于任务队列的优先级，每个队列内部基于FIFO调度机制。
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