基于CC2430的TinyOS移植

0引言无线传感器网络（wireless sensor network, WSN）由部署在监测区域内大量廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个网络系统，其目的是协作的感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者，被誉为21世纪最具影响技术之一。

传感器节点通常是一个微型的资源受限的嵌入式系统，因此要求一个小型高效的操作系统管理组织硬件并完成软件功能。

TinyOS 是美国加州大学伯克利分校针对无线传感器网络开发的嵌入式操作系统，核心程序很小，对硬件要求很低，它的事件驱动机制，主动消息机制，组件化结构等特点使它在研究中得到广泛应用。

目前TinyOS支持的平台主要集中在Atmel公司的AVR 系列和TI公司的MSP430系列单片机。

本文首先简要介绍了NesC和TinyOS的特点，详细分析TinyOS的编译原理，最后给出了TinyOS2.0基于以8051为核处理器的CC2430芯片的移植，便于以后更加深入的开发和应用无线传感器网络。

1NesC和TinyOS简介TinyOS由NesC语言编程和实现，NesC是一种类C语言。

TinyOS的组件化分层架构方式实现了应用的可裁减性，针对某个应用只需要编译用到的组件。

一个具体的应用程序通常有一个顶层配置文件（configuration），完成组件（component）之间接口的连接，将组件装配成一个具体的应用程序。

组件（component）分为配件（configuration）和模件（module）。

配件的实现具体描述了不同组件之间接口，命令或事件的连接。

顶层配置文件是配件的一种。

模件的实现具体描述了命令和事件函数。

接口（interface）是组件间的一个双向通道，表明接口具有的功能和事件通知能力，由一组命令和事件函数的声明组成。

接口的提供者（provider）必须实现接口的命令，接口的调用者（user）必须实现接口的事件。

一个接口可以被多个组件调用和提供。

配件、模件及接口之间的关系如图1所示。

图1配件、模件及接口之间的关系基于CC2430的TinyOS移植The Port of TinyOS Based CC2430鲁玺梦华北电力大学控制科学与工程学院北京102206【摘要】本文首先介绍了NesC和TinyOS的特点，特别说明了TinyOS的三层硬件抽象结构。

然后给出了TinyOS的运行机制。

最后以Chipcon公司的CC2430为平台，详细介绍了TinyOS的移植。

【关键词】TinyOS CC2430mcs51移植【中图分类号】TP311.54【文献标志码】A收稿日期：2009－10－12作者简介：鲁玺梦（1985-），女，硕士研究生，研究方向为无线传感器网络。

Journal of Shandong Electric Power Coll e ge 第13卷第1期TinyOS应用程序建立在树型结构的硬件抽象平台（HAA）上。

硬件抽象功能由三层组件实现。

每层组件都有明确的功能并为上层组件提供接口。

这种树型结构使TinyOS源代码具有良好的可用性和移植性。

硬件抽象结构如图2所示。

图2TinyOS硬件抽象结构图硬件表示层（HPL，Hardware Presentation Layer）通过寄存器或I/O寻址直接访问硬件资源，同样硬件可以触发中断申请服务。

通过内部通信机制，HPL隐藏了硬件复杂的细节，为系统提供更具可读性的接口。

例如，网络节点MCU （microcontroller）通常有两个USART进行串口通信。

它们具有相同的功能，但必须通过不同的寄存器访问，产生不同的中断向量。

HPL组件可以通过一个相容的接口隐藏这些不同。

HPL组件的状态由具体硬件状态决定，每个HPL组件都应该包括下列功能：1）为有效的进行能量管理，需有初始化，开启和停止硬件的命令；2）对于控制硬件操作的寄存器的读取（get）设置（set）命令；3）用标志位区分各命令；4）开启和关断中断的命令；5）硬件中断的服务程序，HPL组件的中断服务程序只进行临界操作。

硬件适应层（HAL，Hardware Adaptation Layer）是硬件抽象结构的核心，它使用HPL组件提供的原始接口将硬件资源的复杂性进一步隐藏。

与HPL 不同，HAL组件具有状态性，可以进行仲裁和资源控制。

出于传感器网络高效性的考虑，HAL对具体的设备类别和平台进行抽象，给出了硬件具有的特定功能。

HAL组件通常以Alarm，ADC channel，EEPROM命名，上层组件可以通过丰富，定制化的接口访问，同时也使编译时的接口检测更加高效。

硬件接口层（HIL，Hardware Interface Layer）将HAL提供的针对具体平台的抽象转化为独立于平台的接口。

这些接口隐藏了硬件平台的不同，提供典型的硬件服务，使应用开发更加简化。

TinyOS的三层硬件抽象结构有很大的灵活性。

具体的应用程序可以将HAL和HIL组件结合使用，提高代码执行效率，称为硬件抽象结构的垂直分解。

为了提高硬件资源抽象在不同平台上的重用率，还可以将硬件抽象结构水平分解。

例如，TinyOS中的chip文件夹下，定义了许多独立的硬件芯片抽象：microcontroller，radio-chip，flash-chip 等。

每个芯片抽象都提供独立的HIL组件接口，可以将各个不同的芯片结合起来组成具体平台。

但各个平台与芯片抽象间的通用接口会增加代码量，不利于代码的高效执行。

2TinyOS的编译原理TinyOS的编译系统采用GNU Make，首先将TinyOS应用程序预编译，形成一个“*.C”文件，然后将这个文件传递给合适的编译器或工具。

TinyOS 的编译系统放于support/make文件夹中，包含各个平台的配置文件“*.target”和在这个平台上建立应用程序的“*.rules”文件。

TinyOS的编译系统可以分为两个部分：使用nesC编译的公用部分和针对具体平台部分。

nesC预编译器由ncc和nescc两个工具组成，均由PERL语言编写，具有强大的文法分析能力。

解释执行时，nesC预编译器将应用程序源代码生成C文件。

该文件可以被针对具体硬件平台的编译器接受。

编译过程如图3所示。

图3TinyOS编译过程TinyOS核心代码经nesC预编译后形成的C 文件可以被GCC理解编译。

GCC适用的平台包括telos系列，mica系列和intelmote2系列。

但是一些平台如Motorola HCS08，Intel MCS51则不适用于GCC编译。

具体进行编译操作时，编译文件根据“TOSMAKE_PATH”变量中所列的路径搜索“*. target”文件。

“*.target”文件通常设置一些平台相关变量和提供编译平台的名称，并通过调用“TOSMake_include_platform”指向具体的“*.rules”文件。

“*.rules”文件由平台所配备的微处理器决定，因此通常几个平台共用一个“*.rules”文件。

如47果以命令行的形式给定一个虚拟的平台，编译系统会自动寻找“*.extra”文件。

3基于CC2430芯片的TinyOS实现由上文所述，将TinyOS移植到8051核处理器的CC2430上的关键问题是硬件抽象层组件的定制和编译器工具链解耦。

基于TinyOS开源代码的约定，除核心程序外的其余项目开发放在contrib 文件中。

因此将代码放于cygwin/opt/tinyos-2.x-contrib/ncepu。

3.1CC2430芯片特点CC2430在单个芯片上整合了一个增强型工业标准8位MCU（8051），运行时钟32MHz，具有32/ 64/128KB可编程闪存和8KBRAM，还包括8路输入8—14位模拟数字转换器（ADC），一个普通16位定时器和两个8位定时器，32KHz晶振休眠定时器，21个可编程I/O引脚，两个支持多种串行通信协议的USART，符合IEEE802.15.4标准的2.4GHz RF无线收发机和一个符合IEEE802.15.4规范的MAC计时器。

Chipcon公司推出的CC2430芯片成本非常低廉，在无线传感器领域具有很强的市场竞争力。

3.2修改芯片文件每个芯片都通过多个接口或组件提供它所实现的功能，也就是说这些接口或组件组成芯片的驱动。

将芯片的结构抽象文件放于ncepu/tos/chips。

如果芯片有子系统（如MCU芯片组功能），则建立子目录，如chips/mcs51/timer。

需要改写的TinyOS模块如图4所示。

图4TinyOS需要改写的模块示意图3.2.1mcs51核处理器为了同其他外围设备的驱动区分开，需要在MCU相关的文件中增加两个定义：1）原子操作的开始和结束，在头文件hardware.h中定义；2）低功耗工作模式，由组件MCUSleepC定义。

参考atm128hardware文件定义mcs51hardware. h，其中增加nesC编译需要的宏定义：_nesc_enable_ interrupt/_nesc_disable_interrupt/_nesc_atomic_start/ _nesc_atomic_end。

代码如下：//设置端口位及端口输入输出方向，并检查端口是否已被设置；#define SET_BIT(port,bit)((port)|=_BV(bit))#define CLR_BIT(port,bit)((port)&=~_BV(bit)) #define READ_BIT(port,bit)(((port)&_BV(bit))!=0) #define FLIP_BIT(port,bit)((port)^=_BV(bit))#define MAKE_IO_PIN_OUTPUT(dir_reg,pin) dir_reg|=_BV(pin)#define MAKE_IO_PIN_INPUT(dir_reg,pin)dir_reg &=~_BV(pin)#define IS_IO_PIN_OUTPUT(dir_reg,pin)dir_reg| _BV(pin)#define IS_IO_PIN_INPUT(dir_reg,pin)!(dir_reg &_BV(pin))//定义msc51中断；#define MCS51_INTERRUPT(signame)\void signame()__attribute((interrupt,spontaneous,C)) //支持原子操作，原子操作开始时关中断，原子操作结束后开中断；typedef uint8_t__nesc_atomic_t;inline void__nesc_disable_interrupt(){EA=0;} inline void__nesc_enable_interrupt(){EA=1;} inline__nesc_atomic_t__nesc_atomic_start(void) __attribute((spontaneous)){__nesc_atomic_t tmp=EA;EA=0;return tmp;}inline void__nesc_atomic_end(__nesc_atomic_t oldSreg)__attribute__((spontaneous)){EA=oldSreg;}TinyOS通过一些接口管理MCU的状态，决定MCU何时进入低功耗状态。