TinyOS系統(tǒng)以其組件結構模型、事件驅動、并發(fā)型等優(yōu)點成為目前最受關注的無線傳感器網絡操作系統(tǒng)。但TinyOS不支持STM32和CC2 520芯片。因此在分析TinyOS基本原理、NesC編程語言實現機制及其編譯過程的基礎上，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芯片驅動的移植。在實現CC2520的基本通信功能基礎上，實現簡單MAC協(xié)議。最后測試了各組件的移植效果。實驗測試結果表明，節(jié)點可以穩(wěn)定可靠地通信。
無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network，WSN)是一種應用相關的網絡。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，是同類產品中性能最高的產品。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的結構化概念和執(zhí)行模型而設計。主要編程模式包括：事件驅動、彈性并發(fā)型和面向組件程序設計等。NesC編譯器進行數據競爭檢測(提高可靠性)、積極的函數內聯(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的組件模型體系結構如圖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級抽象結構，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
由上文所述，將TinyOS移植到STM32核處理器和CC2520上的關鍵問題是硬件抽象層組件的定制和編譯器工具鏈的配置。基于TinyOS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的功能，這些接口或組件組成芯片的驅動。將芯片的結構抽象文件放于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動分開，需要在MCU相關的文件中增加兩個定義；原子操作的開始和結束，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調度器在原子操作中調用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／計數器、觸發(fā)。將與MCU時鐘相關的文件放到Chips／STM32／timer。時鐘的通用功能通過一系列的接口定義實現：
(4)USART
節(jié)點可以通過USART與PC通信，將與USART相關文件放于chips／STM32／UART。本文只通過HplSTM32UartNoDMAP組件的STM32Uart1C配件實現了簡單的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SPI接口。SPI的初始化包括：時鐘信號的相位和極性、NSS模式、數據幀格式、主從模式等。
3．2 CC2520驅動
在tos／chips／cc2520中，定義與CC2520芯片相關的組件，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)數據兩方面的任務。
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，并且關閉電壓調整器，根據Datasheet，延時1100 μs，延時通過接口BusyWait
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)有數據，FIFO引腳輸出高電平；如果接收FIFO緩沖區(qū)為空，FIFO引腳輸出低電平。TinyOS無線模塊組織架構圖如圖2所示。
3．3 修改平臺文件
在tos／platforms下放置平臺相關文件，將物理驅動相關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)驅動文件的位置，由一系列的包含路徑和NesC的參數組成。ncc將“．platform”文件當作perl腳本讀出，并將參數傳遞到NesC預編譯器。
②平臺導入程序PlatformP／PlatformC，通過調用兩個初始化接口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的頭文件“hardware．h”和將芯片與平臺結合的具體代碼。“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、數據段、非初始化數據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，實際應用中這些中斷處理函數可以在其他文件中重定義。比如時鐘中斷處理函數在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，將經過NesC預編譯生成的TinyOS應用程序轉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)的分析和轉換，在這個階段調用TinyOS自帶的編譯器ncc，對．nc源文件進行文法、語法分析，檢測共享數據緩沖區(qū)等。再根據各個組件和接口對其使用的函數和變量進行名字擴展，使其具有全局唯一性。最后把所有的函數和變量都整合到一個主函數main()中，并生成相應的app．c文件。此時生成的已經是普通的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工具轉換成main．hex，以便最后下載到STM32平臺上運行調試。
3．4．2 定制編譯環(huán)境
為使編譯系統(tǒng)能夠尋找到編譯平臺，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為輸出格式轉換器。
以一個簡單的應用程序radioCountTOLEDs為例，在STM32平臺上編譯的結果如圖4所示。
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