STM32和CC2520的TinyOS移植與驅動分析

摘要：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(xiàn)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(xiàn)CC2520的基本通信功能基礎上，實現(xiàn)簡單MAC協(xié)議。最后測試了各組件的移植效果。實驗測試結果表明，節(jié)點可以穩(wěn)定可靠地通信。
關鍵詞：無線傳感器網絡；TinyOS；STM32；CC2520；移植；驅動

引言
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(shù)據競爭檢測(提高可靠性)、積極的函數(shù)內聯(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(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。