STM32和CC2520的TinyOS移植與驅(qū)動分析

摘要：TinyOS系統(tǒng)以其組件結(jié)構(gòu)模型、事件驅(qū)動、并發(fā)型等優(yōu)點成為目前最受關(guān)注的無線傳感器網(wǎng)絡操作系統(tǒng)。但TinyOS不支持STM32和CC2 520芯片。因此在分析TinyOS基本原理、NesC編程語言實現(xiàn)機制及其編譯過程的基礎(chǔ)上，介紹了基于STM32和CC2520的TinyOS移植方法，完成了STM32的I／O組件、Timer組件、USART組件、SPI組件和CC2520芯片驅(qū)動的移植。在實現(xiàn)CC2520的基本通信功能基礎(chǔ)上，實現(xiàn)簡單MAC協(xié)議。最后測試了各組件的移植效果。實驗測試結(jié)果表明，節(jié)點可以穩(wěn)定可靠地通信。
關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡；TinyOS；STM32；CC2520；移植；驅(qū)動

引言
    無線傳感器網(wǎng)絡(Wireless Sensor Network，WSN)是一種應用相關(guān)的網(wǎng)絡。需要對某些操作系統(tǒng)進行移植。本文采用TinyOS作為軟件平臺，成功移植了Radio、Timer、USART、SPI和General I／O等5個底層模塊。測試結(jié)果表明，移植的5個底層模塊能夠正常工作。

1 MCU和無線模塊介紹
    STM32系列按性能分成兩個系列：STM32F103“增強型”系列和STM32F101“基本型”系列，時鐘頻率達到72 MHz，是同類產(chǎn)品中性能最高的產(chǎn)品。本項目采用芯片STM32F103RBT6。CC2520選用第二代ZigBee／IEEE 802．15．4無線電頻率(RF)收發(fā)器。

2 TinyOS操作系統(tǒng)和NesC分析
2．1 NesC介紹
    NesC是專門為網(wǎng)絡嵌入式系統(tǒng)設計的編程語言，是對C的擴展，它基于TinyOS的結(jié)構(gòu)化概念和執(zhí)行模型而設計。主要編程模式包括：事件驅(qū)動、彈性并發(fā)型和面向組件程序設計等。NesC編譯器進行數(shù)據(jù)競爭檢測(提高可靠性)、積極的函數(shù)內(nèi)聯(lián)(降低資源消耗)等整體程序分析，簡化了應用程序的開發(fā)。
2．2 TinyOS分析
    TinyOS(Tiny Micro Threading Operating System)是由加州大學伯克利分校開發(fā)的開源的傳感器網(wǎng)絡操作系統(tǒng)，其本身是由NesC語言編寫。TinyOS的組件模型體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。上層組件對下層組件發(fā)命令，下層組件向上層組件發(fā)信號通知事件，最底層的硬件抽象組件直接和硬件打交道。

    TinyOS的硬件抽象層通常是3級抽象結(jié)構(gòu)，稱作HAA(Hardware Abstraction Architecture)。整個硬件抽象層分為硬件表示層(HPL)、硬件適配層(HAL)和硬件接口層(HIL)。
    硬件表示層(Hardware Presentation Layer，HPL)是對硬件平臺的功能性描述，主要通過存儲單元和I／O映射端口訪問硬件和通過硬件中斷來實現(xiàn)以下功能：能量管理、控制硬件、硬件中斷開閉、提供硬件中斷服務程序等。
    在HPL上的是硬件適配層(Hardware Adaptation Layer，HAL)，該層是整個硬件抽象層的核心，利用HPL提供的原始接口建立硬件描述資源，并通過狀態(tài)來反映硬件的使用情況以實現(xiàn)對硬件的仲裁控制，提高系統(tǒng)性能。
    硬件抽象層的最高層是硬件接口層(Hardware Interface Layer，HIL)，該層把HAL層提供的接口轉(zhuǎn)換成硬件獨立的接口，隱藏了平臺之間的差異，并向上層提供統(tǒng)一的硬件API接口。

3 基于STM32和CC2520平臺的TinyOS實現(xiàn)
    由上文所述，將TinyOS移植到STM32核處理器和CC2520上的關(guān)鍵問題是硬件抽象層組件的定制和編譯器工具鏈的配置?；赥inyOS開源代碼的約定，主要修改代碼放置在／tos／chips／STM32和tos／platforms／STM32p103。
3. 1 修改芯片文件
    每個芯片都通過多個接口或組件提供它所實現(xiàn)的功能，這些接口或組件組成芯片的驅(qū)動。將芯片的結(jié)構(gòu)抽象文件放于tos／chips。如果芯片有子系統(tǒng)則建立子目錄，如：tos／chips／STM32／timer。需要改寫的TinyOS和MCU相關(guān)模塊如下所述。
3．1．1 STM32核處理器
    為了同其他外圍設備的驅(qū)動分開，需要在MCU相關(guān)的文件中增加兩個定義；原子操作的開始和結(jié)束，在頭文件hardware．h中定義；低功耗工作模式，由組件MCUSleepC定義。具體可以參考其他MCU文件編寫。
    TinyOS通過一些接口管理MCU的狀態(tài)，決定MCU何時進入低功耗狀態(tài)。MCUSleepC組件向上層提供McuSleep和McuPowerState接口。TinyOS調(diào)度器在原子操作中調(diào)用McuSleep．sleep()，保證在進入低功耗狀態(tài)前處于開中斷狀態(tài)。在sleep狀態(tài)，可以關(guān)閉一些高耗能的模塊，比如：高頻時鐘、PLL等。
3. 1．2 修改I／O、LED燈、Timer、USART、SPI組件
    (1)通用I／O接口
    HIL層組件通過3個接口描述MCU可以控制的通用輸入輸出引腳。General I／O接口描述輸入輸出引腳被清零或置位狀態(tài)、設置為輸入或輸出模式。GpioInterrupt接口描述單個引腳觸發(fā)的中斷，可以對每一個引腳分別配置為上升沿觸發(fā)或者下降沿觸發(fā)中斷。GpioCapture接口描述捕獲單個引腳發(fā)生的事件，可以對每一個引腳分別配置為上升沿觸發(fā)或者下降沿觸發(fā)。
    (2)LED燈
    TinyOS最多可獨立支持平臺上3個LED燈。TinyOS通過PlatformLedsC組件直接訪問3個LED燈，LedC和LedP組件再通過裝配PlatformLedsC組件，向上層組件提供Led接口，相當于General I／O接口的使用。在PlatformLedsC組件中，可以對每種開發(fā)板指定相應的LED引腳。
    (3)Timer
    MCU時鐘通常有3種常見的功能：控制、時鐘／計數(shù)器、觸發(fā)。將與MCU時鐘相關(guān)的文件放到chips／STM32／timer。時鐘的通用功能通過一系列的接口定義實現(xiàn)：
   
    (4)USART
    節(jié)點可以通過USART與PC通信，將與USART相關(guān)文件放于chips／STM32／uart。本文只通過HplSTM32UartNoDmaP組件的STM32Uart1C配件實現(xiàn)了簡單的USART功能。串口的初始化包括：波特率、字長、奇偶校驗位、流控制、打開串口時鐘和配置串口發(fā)送接收引腳等。
    (5)SPI
    由于CC2520通過SPI接口和MCU通信，所以必須實現(xiàn)SPI接口。SPI的初始化包括：時鐘信號的相位和極性、NSS模式、數(shù)據(jù)幀格式、主從模式等。
3．2 CC2520驅(qū)動
    在tos／chips／cc2520中，定義與CC2520芯片相關(guān)的組件，這里面的組件直接對芯片進行操作。在tos／platforms／cc2520文件夾中定義CC2520和MCU交互的接口。CC2520通過SPI接口與STM32完成設置和收發(fā)數(shù)據(jù)兩方面的任務。
    CC2520工作流程如下：應用程序中使用SplitControl接口，該接口最終連接到CCDriverLayerP上，在SoftwareInit．init中對CC2520使用的和MCU相連的引腳進行初始配置。
    首先，復位CC2520，并且關(guān)閉電壓調(diào)整器，根據(jù)Datasheet，延時1100 μs，延時通過接口BusyWait<T32khz，uint16_t>。延時完成后，開啟電壓調(diào)整器，并延時200μs后使能CC2520。完成后，申請SPI資源，該資源接口連接在CC2520DriverLayerP上，資源申請允許后，在CC25 20DriverLayerP中捕獲到SpiResource．granted事件，然后開始通過SPI接口初始化CC2520，調(diào)用startOscillator。之后，調(diào)用initRadio對CC2520的寄存器進行相應配置。
    而在接收模式時，CC2520收到物理幀的SFD字段后，會在SFD引腳輸出高電平，直到接收完該幀。如果啟用了地址識別，在地址識別后，SFD引腳立即轉(zhuǎn)為輸出低電平。FIFO和FIFOP引腳標識FIFO緩存區(qū)的狀態(tài)。如果接收FIFO緩存區(qū)有數(shù)據(jù)，F(xiàn)IFO引腳輸出高電平；如果接收FIFO緩沖區(qū)為空，F(xiàn)IFO引腳輸出低電平。TinyOS無線模塊組織架構(gòu)圖如圖2所示。

3．3 修改平臺文件
    在tos／platforms下放置平臺相關(guān)文件，將物理驅(qū)動相關(guān)的組件連接起來組成具體平臺。創(chuàng)建一個平臺需要完成5個部分：
    ①“．platform”文件告知編譯系統(tǒng)驅(qū)動文件的位置，由一系列的包含路徑和NesC的參數(shù)組成。ncc將“．platform”文件當作perl腳本讀出，并將參數(shù)傳遞到NesC預編譯器。
    ②平臺導入程序PlatformP／PlatformC，通過調(diào)用兩個初始化接口platformC．Init和MainC．softwarelnit來激活MCU、傳感器和射頻等硬件模塊及相關(guān)軟件。platformC．Init通常完成時鐘校準和引腳設置，保證硬件在可操作狀態(tài)。
    ③與硬件具體功能相關(guān)的頭文件“hardware．h”和將芯片與平臺結(jié)合的具體代碼。“hardware．h”包含了其他硬件子系統(tǒng)的頭文件，并被主文件“MainC．nc”所包含。
    ④修改鏈接腳本文件，仿照其他平臺文件在tos／platforms文件夾下建立tos．x文件，設置rom和ram的起始地址和大小。設置中斷向量表、代碼段、數(shù)據(jù)段、非初始化數(shù)據(jù)段和其他段的放置位置。
    ⑤定義中斷向量表，在tos／platforms／STM32-p103／vectors文件夾下新建STM32-vector．c文件，用于放置中斷向量表，按照STM32提供的中斷配置中斷向量表，并初始化默認中斷處理函數(shù)，實際應用中這些中斷處理函數(shù)可以在其他文件中重定義。比如時鐘中斷處理函數(shù)在McuSleepC．nc中重定義。
3．4 修改編譯工具鏈
3．4．1 配置交叉開發(fā)工具鏈
    STM32支持的編譯器有很多，比如：ARM—NONE—EABI—GCC、KEIL、IAR等。本文采用ARM—NONE—EABI—GCC編譯器。NesC程序的編譯主要分兩步，首先調(diào)用ncc編譯器把NesC預編譯成C文件(即預編譯過程)；然后通過一個腳本程序，將經(jīng)過NesC預編譯生成的TinyOS應用程序轉(zhuǎn)換成可以下載到開發(fā)板的hex格式文件；最后送入J—Flash ARM下載器下載到硬件。修改后的編譯工具鏈如圖3所示。

    下面對這個過程進行詳細的介紹。
    第一步：源組件文件(．nc源文件)的分析和轉(zhuǎn)換，在這個階段調(diào)用TinyOS自帶的編譯器ncc，對．nc源文件進行文法、語法分析，檢測共享數(shù)據(jù)緩沖區(qū)等。再根據(jù)各個組件和接口對其使用的函數(shù)和變量進行名字擴展，使其具有全局唯一性。最后把所有的函數(shù)和變量都整合到一個主函數(shù)main()中，并生成相應的app．c文件。此時生成的已經(jīng)是普通的C語言程序。以上這個替換過程是由ncc的核心程序nescl．exe完成的。
    第二步：在生成app．c文件后，ncc調(diào)用arm—none—eabi—gcc的交叉編譯器工具對該C文件進行編譯、鏈接生成可執(zhí)行文件main．exe，然后通過arm—none—eabi—objcopy工具轉(zhuǎn)換成main．hex，以便最后下載到STM32平臺上運行調(diào)試。
3．4．2 定制編譯環(huán)境
    為使編譯系統(tǒng)能夠?qū)ふ业骄幾g平臺，在工程主文件夾下增加環(huán)境定制文件“setup．sh”，定制工程目錄、編譯工具、解釋工具等路徑。在／support／make目錄增加“STM32-p103．target”文件。定制STM32的MAKE系統(tǒng)。在make文件中指定用arm—none—eabi—gcc為編譯器，arm-none-eabi-objcopy為輸出格式轉(zhuǎn)換器。
    以一個簡單的應用程序radioCountToLeds為例，在STM32平臺上編譯的結(jié)果如圖4所示。

    可以通過TinyOS自帶的工具生成各個組件的連線關(guān)系，只需要在make命令后面添加docs選項。

4 測試
    TinyOS自帶的radioCountToLeds測試程序，需用通用I／O接口、Timer、Leds、SPI和無線模塊(CC2520)驅(qū)動等組件。為了查看USART模塊驅(qū)動，也為了便于跟蹤程序執(zhí)行流程，在源程序中加入了串口輸出代碼，結(jié)果如圖5所示。

    本實驗通過一個節(jié)點每一秒定時廣播數(shù)據(jù)包，定時器中斷觸發(fā)時發(fā)送一個16位的數(shù)據(jù)，并把此數(shù)加1。其他節(jié)點接收此數(shù)據(jù)，并根據(jù)接收數(shù)據(jù)的低3位是否為1來分別控制3個Led燈閃爍。通過觀察節(jié)點上Led燈的有規(guī)律閃爍，能夠證明各模塊成功移植。

結(jié)語
    本文簡單介紹了NesC語言的特點和TinyOS系統(tǒng)架構(gòu)，重點介紹了TinyOS的編譯機制，并在此基礎(chǔ)上詳細說明了將TinyOS內(nèi)核程序移植到以STM32核處理器和CC2520無線模塊芯片為核心的開發(fā)板上的具體方法。通過測試發(fā)現(xiàn)，各個模塊能夠正常穩(wěn)定工作。但無線模塊協(xié)議棧還不夠完善，功能還不全面，仍需要進一步的研究。