TinyOS移植技術(shù)分析及在CC2430平臺的應用

具體進(jìn)行編譯操作時(shí)，編譯文件根據“TOSMAKE_PATH”變量中所列的路徑搜索“*．target”文件。“*．target”文件通常設置一些平臺相關(guān)變量和提供編譯平臺的名稱(chēng)，并通過(guò)調用“TOSMake_include_platform”指向具體的“*．rules”文件。“*．rules”文件由平臺所配備的微處理器決定，因此通常幾個(gè)平臺共用一個(gè)“*．rules”文件。如果以命令行的形式給定一個(gè)虛擬平臺，編譯系統會(huì )自動(dòng)尋找“*．ex tra”文件。

3 TinyOS操作系統在CC2430上的移植
3．1 CC2430的特點(diǎn)
CC2430單片機是TI公司生產(chǎn)的一款專(zhuān)用于IEEE 802．15．4和ZigBee協(xié)議通信的片上系統解決方案。它延用了以往CC2420芯片的架構，在單個(gè)芯片上整合了ZigBee射頻前端、內存和微控制器。它使用1個(gè)8位MCU(8051)，具有128 kB可編程閃存和8 kB的RAM，還包含模擬數字轉換器(ADC)、幾個(gè)定時(shí)器(Timer)、AES128協(xié)同處理器、看門(mén)狗定時(shí)器(Watchdog Timer)、32 kHz晶振的休眠模式定時(shí)器、通電復位電路(Pow er on Reset)、掉電檢測電路(Brownout Detection)，以及21個(gè)可編程I／O引腳。CC2430芯片采0．18 μmCMOS工藝生產(chǎn)；在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27 mA或25 mA。CC2430非常適合那些要求能耗非常低的應用，因為它具有休眠模式以及轉換到主動(dòng)模式的超短時(shí)間的特性。而無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )研究的一個(gè)核心問(wèn)題就是節能，因為傳感器節點(diǎn)經(jīng)常需要布置在環(huán)境惡劣的無(wú)人區，所以能耗問(wèn)題就成為一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。由于CC2430的低能耗特性，使其經(jīng)常作為傳感器節點(diǎn)的硬件平臺。
3．2 移植過(guò)程分析
TinyOS核心代碼經(jīng)nesC預編譯后形成的C文件可以被GCC理解編譯。而GCC適用的平臺包括telos系列，mica系列和intelmote2系列。但是一些平臺如Motorola HCS08，Intel MCS51則不適用于GCC編譯。所以將TinyOS移植到CC2430上的關(guān)鍵問(wèn)題是，如何使GCC支持MCS-51系列的交叉編譯及支持CC2430硬件組件的編寫(xiě)。
在Windows和Linux兩大主要平臺上有許多8051編譯器，其中使用最廣泛并且經(jīng)常進(jìn)行更新的有2種：KEIL和Small Device C Complier(SDCC)。由于SDCC是一個(gè)新興的開(kāi)源項目，因此在移植過(guò)程中經(jīng)常會(huì )出現許多問(wèn)題，使一些模塊無(wú)法正常工作。而且在調試中，SDCC只是簡(jiǎn)單地駐留在0地址，當單步執行代碼時(shí)也沒(méi)有任何調試信息。相比于SDCC，KEIL提供了一套良好的開(kāi)發(fā)調試環(huán)境，因此，最終選用KEIL開(kāi)發(fā)工具進(jìn)行TinyOS的移植工作。
具體流程如下：
(1)根據TinyOS上層組件接口的要求，用nesC語(yǔ)言編寫(xiě)硬件表達層和硬件抽象層文件。
(2)使用TinyOS的NCC編譯器將編寫(xiě)的應用程序編譯成app．preMangle．c文件。
(3)將app．preMangle．c文件通過(guò)perl語(yǔ)言編寫(xiě)的腳本將其原語(yǔ)法轉換為CC2430開(kāi)發(fā)環(huán)境Keil支持的語(yǔ)法，生成app．c。
(4)利用KEIL開(kāi)發(fā)工具將app．c編譯、連接，生成app．hex，再通過(guò)SmartRF04 Flash Programmer下載到目標板。
3．3 TinyOS在CC2430上的移植過(guò)程
3．3．1 組件編寫(xiě)
由于TinyOS的組件模式是基于不同抽象層組件的系統，當移植到新的平臺時(shí)，可以通過(guò)添加新的底層硬件的抽象并使用已有的上層組件。為實(shí)現CC2430的基本功能，需要對各功能模塊進(jìn)行移植，文中移植的功能包括Timer定時(shí)器，UART通信，AD采樣，射頻通信等。具體模塊移植方法如下：
(1)通用I／O口。首先要對CC2430的各個(gè)接口進(jìn)行定義，CC2430共有21個(gè)可編程的I／O接口，通過(guò)設置一組寄存器來(lái)控制來(lái)控制這些接口作為通用I／O口或者是用作外部電路。在HplCC2430GeneralIOC文件及相關(guān)頭文件中對各個(gè)引腳進(jìn)行定義。由于需要用到CC2430的UART功能，ADC功能，射頻功能以及Timer定時(shí)器功能，所以需要對相應的寄存器定義。
(2)UART通信。由于需要向上位機發(fā)送數據，所以需要使用CC2430的UART通信功能。CC2430有兩個(gè)UART接口，分別為UART0和UART1。分別對應CC2430兩個(gè)I／O接口。選用的UART1，RX和TX對應P0_4接口和P0_5接口，通過(guò)SerialByteComm接口實(shí)現該功能。在HalCC2430SimpleUartP文件中實(shí)現SerialByteComm接口，該接口有兩個(gè)命令：get和put，分別用來(lái)對U1BUF寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)。在HplCC2430SimpleUartP文件中對CC24 30芯片串口通信所需要的配置的寄存器各位的值以及波特率等硬件信息進(jìn)行設置。
在PlatformSerialC文件中對這些接口進(jìn)行一個(gè)封裝，并對SerialByteComm接口的put操作作一個(gè)判斷，如果UART1的8位寄存器U1CSR的最低位為0，說(shuō)明串口處于空閑狀態(tài)，這是向串口發(fā)送數據，否則串口處于繁忙狀態(tài)，不進(jìn)行任何操作。
通過(guò)這3層組件對SerialByteComm接口的抽象，實(shí)現向串口發(fā)送數據的功能。
(3)數模轉換。通過(guò)傳感器感器采集到的模擬信號，需要通過(guò)AD轉換為數字信號后才能進(jìn)行下一步的處理。CC2430的ADC有最高14 bit的轉換精度，可以采用內部電壓或者外部電壓。ADCL和ADCH兩個(gè)8位寄存器存放采樣到的數據，其中ADCL的有效位是2到7位，所以有效數據是14 bit。通過(guò)對READ接口的抽象實(shí)現該組件。在adc．h頭文件中配置CC2430的寄存器ADCCON1、ADCCON2、ADCCON3，可以設置轉換精度以及采樣到的數據傳輸到芯片的管腳地址。
可以看到這里定義一組宏，對應了寄存器需要的值。這里使用CC2430芯片的單次采樣，由于節點(diǎn)使用了外部傳感器這里將ADC的參考電壓設為外部電壓，精度設為14 bit，將P0_4引腳的電壓值數模轉換后傳入芯片處理器。
(4)定時(shí)器。CC2430有一個(gè)16位定時(shí)器Timer1和兩個(gè)8位定時(shí)器Timer3和Timer4，以及一個(gè)MAC定時(shí)器Timer2。這里完成了Timer1的移植。在HplCC2430Timer1P文件中定制相關(guān)配置，通過(guò)HplCC2430Timer16接口實(shí)現基本的計時(shí)功能。
(5)射頻模塊。傳感器節點(diǎn)采集到數據后需要通過(guò)無(wú)線(xiàn)射頻的方式發(fā)送出去，這就需要使用CC2430的射頻功能。TinyOS通過(guò)SimpleMac接口實(shí)現該功能，SimpleMac接口可以實(shí)現簡(jiǎn)單的數據收發(fā)功能。SimpleMac接口非常適合802．15．4協(xié)議，缺點(diǎn)是不支持數據重傳和路由功能。在文件HPLCC2430RadioP文件及相關(guān)中對CC2430的的寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)，HALCC2430RadioP組建對它進(jìn)行進(jìn)一步的抽象。
3．3．2 編譯過(guò)程修改
為使TinyOS的編譯系統能夠找到目標平臺CC2430，我們需要修改它的編譯環(huán)境?；赥inyOS開(kāi)源代碼的約定，除核心程序外的其余項目開(kāi)發(fā)放在contrib文件中。因此將代碼放于cygwin／opt／tinyos-2．x-contrib／ncepu中。這里需要在此文件夾中添加CC2430的編譯路徑以及具體的編譯方法。