基于STM32和CC2520的TinyOS移植方法
TinyOS系統(tǒng)以其組件結(jié)構(gòu)模型、事件驅(qū)動(dòng)、并發(fā)型等優(yōu)點(diǎn)成為目前最受關(guān)注的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(shí)現(xiàn)機(jī)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(dòng)的移植。在實(shí)現(xiàn)CC2520的基本通信功能基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單MAC協(xié)議。最后測(cè)試了各組件的移植效果。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，節(jié)點(diǎn)可以穩(wěn)定可靠地通信。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)是一種應(yīng)用相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)。需要對(duì)某些操作系統(tǒng)進(jìn)行移植。本文采用TinyOS作為軟件平臺(tái)，成功移植了Radio、Timer、USART、SPI和General I／O等5個(gè)底層模塊。測(cè)試結(jié)果表明，移植的5個(gè)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(gè)系列：STM32F103“增強(qiáng)型”系列和STM32F101“基本型”系列，時(shí)鐘頻率達(dá)到72 MHz，是同類產(chǎn)品中性能最高的產(chǎn)品。本項(xiàng)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(luò)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的編程語言，是對(duì)C的擴(kuò)展，它基于TinyOS的結(jié)構(gòu)化概念和執(zhí)行模型而設(shè)計(jì)。主要編程模式包括：事件驅(qū)動(dòng)、彈性并發(fā)型和面向組件程序設(shè)計(jì)等。NesC編譯器進(jìn)行數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)檢測(cè)(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(jiǎn)化了應(yīng)用程序的開發(fā)。
2．2 TinyOS分析
TinyOS(Tiny MICro Threading Operating System)是由加州大學(xué)伯克利分校開發(fā)的開源的傳感器網(wǎng)絡(luò)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(duì)下層組件發(fā)命令，下層組件向上層組件發(fā)信號(hào)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(jí)抽象結(jié)構(gòu)，稱作HAA(Hardware Abstraction Architecture)。整個(gè)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(duì)硬件平臺(tái)的功能性描述，主要通過存儲(chǔ)單元和I／O映射端口訪問硬件和通過硬件中斷來實(shí)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(wù)程序等。
在HPL上的是硬件適配層(Hardware Adaptation Layer，HAL)，該層是整個(gè)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(dú)立的接口，隱藏了平臺(tái)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(tái)的TinyOS實(shí)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(gè)芯片都通過多個(gè)接口或組件提供它所實(shí)現(xiàn)的功能，這些接口或組件組成芯片的驅(qū)動(dòng)。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(shè)備的驅(qū)動(dòng)分開，需要在MCU相關(guān)的文件中增加兩個(gè)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(shí)進(jìn)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(jìn)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(shí)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(gè)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(shè)置為輸入或輸出模式。GpioInterrupt接口描述單個(gè)引腳觸發(fā)的中斷，可以對(duì)每一個(gè)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(gè)引腳發(fā)生的事件，可以對(duì)每一個(gè)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(dú)立支持平臺(tái)上3個(gè)LED燈。TinyOS通過PlatformLedsC組件直接訪問3個(gè)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(dāng)于General I／O接口的使用。在PlatformLedsC組件中，可以對(duì)每種開發(fā)板指定相應(yīng)的LED引腳。
(3)Timer
MCU時(shí)鐘通常有3種常見的功能：控制、時(shí)鐘／計(jì)數(shù)器、觸發(fā)。將與MCU時(shí)鐘相關(guān)的文件放到Chips／STM32／timer。時(shí)鐘的通用功能通過一系列的接口定義實(shí)現(xiàn)：
(4)USART
節(jié)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單的USART功能。串口的初始化包括：波特率、字長(zhǎng)、奇偶校驗(yàn)位、流控制、打開串口時(shí)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(shí)現(xiàn)SPI接口。SPI的初始化包括：時(shí)鐘信號(hào)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(dòng)
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(duì)芯片進(jìn)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(shè)置和收發(fā)數(shù)據(jù)兩方面的任務(wù)。
CC2520工作流程如下：應(yīng)用程序中使用SplitControl接口，該接口最終連接到CCDriverLayerP上，在SOFtwareInit．init中對(duì)CC2520使用的和MCU相連的引腳進(jìn)行初始配置。
首先，復(fù)位CC2520，并且關(guān)閉電壓調(diào)整器，根據(jù)Datasheet，延時(shí)1100 μs，延時(shí)通過接口BusyWait
而在接收模式時(shí)，CC2520收到物理幀的SFD字段后，會(huì)在SFD引腳輸出高電平，直到接收完該幀。如果啟用了地址識(shí)別，在地址識(shí)別后，SFD引腳立即轉(zhuǎn)為輸出低電平。FIFO和FIFOP引腳標(biāo)識(shí)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(tái)文件
在tos／platforms下放置平臺(tái)相關(guān)文件，將物理驅(qū)動(dòng)相關(guān)的組件連接起來組成具體平臺(tái)。創(chuàng)建一個(gè)平臺(tái)需要完成5個(gè)部分：
①“．platform”文件告知編譯系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)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(dāng)作perl腳本讀出，并將參數(shù)傳遞到NesC預(yù)編譯器。
②平臺(tái)導(dǎo)入程序PlatformP／PlatformC，通過調(diào)用兩個(gè)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(shí)鐘校準(zhǔn)和引腳設(shè)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(tái)結(jié)合的具體代碼?！癶ardware．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(tái)文件在tos／platforms文件夾下建立tos．x文件，設(shè)置rom和ram的起始地址和大小。設(shè)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(rèn)中斷處理函數(shù)，實(shí)際應(yīng)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(shí)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(yù)編譯成C文件(即預(yù)編譯過程)；然后通過一個(gè)腳本程序，將經(jīng)過NesC預(yù)編譯生成的TinyOS應(yīng)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(duì)這個(gè)過程進(jìn)行詳細(xì)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(gè)階段調(diào)用TinyOS自帶的編譯器ncc，對(duì)．nc源文件進(jìn)行文法、語法分析，檢測(cè)共享數(shù)據(jù)緩沖區(qū)等。再根據(jù)各個(gè)組件和接口對(duì)其使用的函數(shù)和變量進(jìn)行名字?jǐn)U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(gè)主函數(shù)main()中，并生成相應(yīng)的app．c文件。此時(shí)生成的已經(jīng)是普通的C語言程序。以上這個(gè)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(duì)該C文件進(jìn)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(tái)上運(yùn)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(tái)，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(gè)簡(jiǎn)單的應(yīng)用程序radioCountTOLEDs為例，在STM32平臺(tái)上編譯的結(jié)果如圖4所示。
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