每天了解一个物联网操作系统（十二）（Tiny OS操作系统）

Tiny OS的出现是伯克利大学（UCBerkeley）和英特尔（IntelResearch）合作实验室的杰作，用来嵌入智能微尘当中，之后慢慢演变成了一个国际合作项目，即现在的Tiny OS联盟。

Tiny OS是开放源代码的操作系统，专为嵌入式无线传感网络设计，操作系统基于构件（component-based）的架构使得快速的更新成为可能，而这又减小了受传感网络存储器限制的代码长度。Tiny OS是一个具备较高专业性，专门为低功耗无线设备设计的操作系统，主要应用于传感器网络、普适计算、个人局域网、智能家居和智能测量等领域。

Tiny OS是专为物联网而生的操作系统，在物联网的世界里，一个智能终端节点的存储空间往往不足100KB，那么如何在这么小的空间里高效稳定地运行多进程、多任务的程序呢？Tiny OS的诞生为人们提供了一个完美的解决方案。它设计之初的目的是制作一个专属嵌入式无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）的操作系统。

Tiny OS特点

相对于主流操作系统成百上千MB的庞大体积来说，Tiny OS显得十分小巧，只需要几KB的内存空间和几十KB的编码空间就可以运行起来，而且功耗较低，特别适合传感器这种受内存、功耗限制的设备。

Tiny OS本身提供了一系列的组件，包括：网络协议、分布式服务器、传感器驱动及数据识别工具等，使用者可以通过简单方便的编制程序将多个组件连接起来，用来获取和处理传感器的数据并通过无线信号来传输信息。

Tiny OS在构建无线传感器网络时，通过一个基地控制台控制各个传感器子节点，聚集和处理各子节点采集到的信息。Tiny OS只要在控制台发出管理信息，然后由各个节点通过无线网络互相传递，最后达到协同一致的目的。

Tiny OS的特性决定了其在传感器网络中的广泛应用，由于良好的可扩展性和足够小的代码尺寸，Tiny OS在物联网的应用领域中也占有非常重要的地位。Tiny OS作为一个专业性非常强的操作系统，主要有如下几个特点：

1．拥有专属的编程语言

Tiny OS应用程序都是用NesC编写，其中NesC是标准C语言的扩展，在语法上和标准C语言没有区别，它的应用背景是传感器网络这样的嵌入式系统，这类系统的特点是内存有限，且存在任务和中断两类操作，它的编译器一般都是放在Tiny OS的源码工具路径下。

2．开放源代码

所有源码都免费公开，用户可以访问官方网站下载相应的源代码，它由全世界Tiny OS的爱好者共同维护，版本实时更新。

3．基于组件的软件工程

建构Tiny OS提供一系列可重用的组件，一个应用程序可以通过连接配置文件（AWiring Specification）将各种组件连接起来，以完成它所需要的功能。

4．通过Task和Events来管理并发进程

Tasks，一般用在对于时间要求不是很高的应用中，且Tasks之间是平等的，即在执行时是按顺序先后进行的，而不能互相占先执行。一般为了减少Tasks的运行时间，要求每一个Task都很短小，使系统的负担较轻。Tasks支持网络协议的替换。

Events，一般用在对时间要求很严格的应用中，而且它可以占先优于Tasks和其他Events执行，它可以被一个操作的完成或是来自外部环境的事件触发，在Tiny OS中一般由硬件中断处理来驱动事件。

5．支持网络协议组件的替换

除了默认的协议之外，还提供其他协议供用户替换，并且支持客户自定义协议，这对于通信协议分析来说，非常适用于通信协议的研究工作。

6．代码短小精悍

Tiny OS的程序采用的是模块化设计，所以它的程序核心往往都很小，一般来说核心代码和数据大概在400Bytes左右；能够突破传感器存储资源少的限制，这能够让Tiny OS有效地运行在无线传感器网络上并去执行相应的管理工作。

Tiny OS组成

Tiny OS的构件包括网络协议、分布式服务器、传感器驱动及数据识别工具。其良好的电源管理源于事件驱动执行模型，该模型也允许时序安排具有灵活性。

Tiny OS操作系统、库和程序服务程序是用NesC写的。关于NesC语言的特点总结如下：

● NesC是一种开发组件式结构程序的语言。

● NesC是一种C语法风格的语言，但是支持Tiny OS的并发模型，以及组织、命名和连接组件成为健壮的嵌入式网络系统的机制。

● NesC应用程序是由有良好定义的双向接口的组件构建的。

● NesC定义了一个基于任务和硬件事件处理的并发模型，并能在编译时检测数据流组件。Tiny OS规范如下：

● 应用程序由一个或多个组件连接而成。

● 一个组件可以提供或使用接口。

● 组件中Command接口由组件本身实现。

● 组件中Event接口由调用者实现。

● 接口是双向的，调用Command接口必须实现其Event接口。

1.Tiny OS实现

● modules：包含应用程序代码和实现接口。

● configurations：配置模块，通过接口向模块提供者配置连接参数。每个NesC应用程序都有一个顶级configuration模块。

2.Tiny OS模型

● Tiny OS只能运行单个由所需的系统模块和自定义模块构成的应用程序。

● 两个线程。

● 任务一次运行完成，非抢占式。

3.Tiny OS硬件事件处理

● 处理硬件中断。

● 一次运行完成，抢占式。

● 用于硬件中断处理的Command和Event必须用async关键字声明。

4.Tiny OS使用NesC编程注意事项

NesC是对C语言的扩展，为体现Tiny OS的结构化概念和执行模型而设计。TinyOS是为传感器网络节点而设计的事件驱动操作系统，是用NesC重新编写的。

● NesC要避免任务排他性访问共享数据。

● NesC要避免所有共享数据访问都通过原子语句。

● NesC在编译过程中要检测数据流，有可能误报，可以用norace关键字声明不检测，但对其使用应格外小心。

Tiny OS运行机理

1．基于组件结构Componented-Based Architecture

Tiny OS提供一系列可重用的组件，一个应用程序可以通过连接配置文件将各种组件连接起来，以完成它所需要的功能。

2．事件驱动结构Event-Driven Architecture

Tiny OS的应用程序都是基于事件驱动模式的，采用事件触发唤醒传感器工作。

3．任务、事件并发模式Tasks And Events Concurrency Model

并发执行模式：Tiny OS将代码分为同步代码和异步代码。同步代码仅由任务（Tasks）来执行，异步代码可由任务和事件（Events，如硬件中断事件、程序中断事件）二者之一来触发执行。

4．分段操作Split-Phase Operations

在Tiny OS中由于Tasks之间不能互相占先执行，所以Tiny OS没有提供任何阻塞操作，为了让一个耗时较长的操作尽快完成，一般来说都是将对这个操作的需求和这个操作的完成分开实现，以便获得较高的执行效率。

Tiny OS开发环境

若要进行Tiny OS的开发研究，要先安装Tiny OS的开发环境，由于NesC的编译器ncc只能运行在UNIX环境下，Tiny OS开发环境有3种安装方式：

● 独立启动的Linux。官方提供rpm包和deb包，一般建议使用Ubuntu 9.04或RHEL5。

● Windows+Cygwin。Cygwin是一个软件集合，支持用于各种版本的Microsoft Windows上，运行UNIX类系统，ncc可以运行在Cygwin上，使用这种方式的人最多。

● VMware+Xubuntu。在TinyOS.net上下载一个包含完整Tiny OS开发环境的Xubuntu虚拟机镜像文件，只要在PC上安装好VMwareplayer即可使用。这个方式最快捷，但由于是虚拟机的方式，所以编译速度比较慢。

不论是哪种方式安装，流程基本都是一样的：

（1）安装JDK 1.6，用于WSN基站或WSN网关与PC机的交互。

（2）安装Cygwin，仅当使用上述第二种安装方式时才需要安装。

（3）安装平台交叉编译器，用于将C代码交叉编译成使终端设备可以运行的二进制文件，一般来说有AVR、MSP430、8051、ARM这4种类型。

（4）安装NesC编译工具，Tiny OS都是基于NesC语言写的，所以需要NesC编译工具将其编译成C代码，编译后的C代码就可以交给平台交叉编译工具了。

（5）建立源码文件夹，形成Tiny OS源码树，所有的Tiny OS源代码都在这里，可以通过Git或CVS方式进行版本管理。

（6）安装Graphvizvisualization工具，Tiny OS开发环境包含nesdoc工具，该工具可以自动生成可视化的模块关系图表，帮助开发人员观看源代码。nesdoc工具依赖于Graphvizvisualization。

（7）设置环境变量，主要是将各个工具的路径添加到Shell环境变量中。

Tiny OS开发过程

Tiny OS的编译+下载过程可以分成如下4个阶段：

（1）使用NesC编写程序源代码，源代码的后缀为*.nc，可以用各种支持C高亮的编写器，这里笔者推荐使用Notepad++。

（2）将*.nc的源代码通过NesC编译器ncc编译成标准C文件，这里要注意的是，ncc编译器只能将*.nc文件编译成C代码，并不能直接生成二进制代码，所以在安装开发环境时，必须根据自己的开发平台选择对应的交叉编译工具。

（3）使用与硬件平台相关的C交叉编译工具将标准C文件编译成可执行的二进制文件，如果用的硬件平台是CC2430芯片，它的核心CPU是8051，那么就可以使用各种8051的C编译器，例如Keil或IAR。

（4）通过编程器将二进制可执行文件下载到硬件平台上，如果用的是CC2430芯片，对应的编程器是SmartRF04FlashProgrammer。

Tiny OS的调试是比较麻烦的，因为调试工具都不支持NesC语法，只能先调试NesC编译生成的C文件，然后根据C代码中的注释语句反查NesC源码。

Tiny OS开发平台

国内目前可以购买到的Tiny OS开发平台主要有两种，一种是Crossbow公司的WSN开发套件，另一种是亿道电子的XSBase-WSN开发套件。

Crossbow本身就是Tiny OS联盟的成员之一，其所有产品都可以在Tiny OS源码的Platform目录下可以找到，可以算得上是Tiny OS技术商用化的代表。在国内也有一家Crossbow代理，其开发平台的做工非常不错，产品覆盖面也比较广。

亿道电子的XSBase-WSN套件是笔者目前正在使用的开发平台，它使用的是较先进的CC2430芯片安装unix系统，同时支持Tiny OS和Z-stack两种开发方式，硬件移植得也非常稳定，所有的Tiny OS测试用例都能正常运行，而且还带了大量的中文教材、使用手册和实验用例，所以作为WSN的验证开发平台性价比更高。其中值得一提的是，该产品搭建了一整套的解决方案框架，实现了异构网络之间的互联互通，可以在任何地方通过GPRS手机上网，访问节点上的物理数据，开发者可以迅速地在这个框架下做二次开发。

Tiny OS的研究项目

目前有多个采用Tiny OS进行的研究项目，如UCLA（加州大学洛杉矶分校）的ShahinFarshchi在进行一项以Tiny OS为基础的无线神经接口研究。这样的系统在100Hz/通道的采样频率下可传感、放大、传输神经信号，系统小巧、成本低、重量轻、功率小。系统要求一个接收器接收、解调、显示传输的神经信号，在每秒8bit的采样率下，系统的速度可达5600kb/s。该速度可保证8个EEG通道，或1个速度为5.6KB/s采样通道的可靠传输。研究者目前的奋斗目标是提高该基于Tiny OS的传感网络的数据传输速度，设计与被测对象连接的前端神经放大电路。

● 飞思卡尔（Freescale）正在其ZigBee开发板上测试Tiny OS和TinyDB。

● 波士顿大学的WeiLi将其用于传感网络的控制和优化。

● BrilliantTechnology将其用于无线传感网络进行网络结构健壮监测。

● Tiny OS用于能源领域中的石油和气体监控，用于传感网络的控制和优化。

● Tiny OS用于无线传感网络进行健康监测等。

Tiny OS开源操作系统采用BSD许可证，非常小巧，支持低功耗，MCU目标设备可以“只有几KB内存和数十KB代码空间”，是为低端MCU和无线电芯片设计的。

（编辑：济南站长网）

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