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| 图 1 抽象层设计方法的框架Fig. 1 Framework of abstract layer design method |
| 图选项 |
在抽象设计层中,主要利用Esterel语言建立模型,抽象出软件的行为和需要实现的功能.在此并不涉及与具体平台相关的信息,只需要选择合适的系统模块和系统应用编程接口(Application Programming Interface,API)来实现用户需要的功能.这一层使得软件设计与平台的具体实现相互分离.在抽象层的设计过程中,需要定义从操作系统、分布式应用到硬件驱动等各个层次的标准服务接口,以屏蔽操作系统、网络协议、硬件设备的不同,提高应用系统的互联、互通和互操作能力,实现多目标平台代码的生成.为更好地描述这一过程,用ABRO例子来说明这一设计方法框架.其中A和B分别表示事件A和事件B,R表示重置(Reset)事件,O表示输出(Output).在设计之初,只是考虑抽象的问题;可以根据抽象的问题,画出如图 2所示的状态机.
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| 图 2 ABRO例子的状态机模型Fig. 2 State machine model of ABRO example |
| 图选项 |
在这一阶段着重与对问题本身的描述和解决,至于这一问题将被应用于哪个平台则不需要考虑.下一步,可根据状态机,使用Esterel建立模型.Esterel语句描述如下:module ABRO:input A,B,R;output O;loop[await A || await B];emit Oeach Rend module在一般设计中,可能有多个状态机嵌套,设计将被分为不同模块,分别用Esterel来描述.在Esterel建模结束之后,再根据不同的平台,来选择生成针对不同目标设备的平台代码.值得注意的是,本文方法主要关注操作系统抽象层的设计问题.在操作系统抽象层的建立过程中主要需要解决的问题是:抽象操作系统服务接口.1.3 多目标平台之间API的统一解决不同系统之间API接口不一致的主要解决方法有:接口重构和接口模拟.接口重构是指对基于某一系统开发的应用程序的源码中用到的接口进行修改,使得源码中的接口更改为另一个目标系统的接口.接口模拟是在程序移植过程中,利用目标系统中的接口模拟出原系统中的接口,使得两个接口在功能上是对等的.接口模拟的过程就是建立一个目标系统API与原系统API的一个对等模拟层，如图 3所示.
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| 图 3 操作系统抽象层和特定操作系统之间的关系Fig. 3 Relationship between operating system (OS) abstract layer and specific OS layer |
| 图选项 |
为此可以建立一个标准API库,在抽象层的设计中,使用这些标准API进行编程,在这些标准API实现的时候,再利用各系统平台相关的API实现这些标准的API接口.这样,就可以实现一种表述、多种实现的目的了.多平台之间不同API统一的框架如图 4所示.
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| 图 4 多平台之间API统一的框架Fig. 4 Framework of uniform API across multiple platforms |
| 图选项 |
1.4 多目标平台代码生成过程Mantis的线程和TinyOS的命令都是用C实现的,但是它们提供的用户编程方式是不一样的.将标准C代码转化为目标平台代码的主要步骤如下:1) 生成与目标平台对应的main函数和初始化代码.由于TinyOS和Mantis使用不同的编程语言(nesC和ANSI C),造成它们要求的main函数和初始化代码都是不一样的.2) 将Esterel模型生成的标准C代码整合到目标平台.利用前面Esterel模型编译的结果,可以得到标准C代码(包括.c文件和.h文件).将这些代码分割为不同的代码段,如文件包含、宏定义、函数定义等部分,然后重新将这些代码段构造为TinyOS的应用文件(包括.nc文件和.h文件)和Mantis的应用文件(包括.c文件和.h文件).3) 将标准C代码中用到的操作系统抽象层提供的标准API替换为平台相关的API.由Esterel模型生成多目标平台代码的流程图如图 5所示.
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| 图 5 Esterel模型生成平台相关代码的流程图Fig. 5 Flow graph of platform-specific code generation from Esterel model |
| 图选项 |
2 实验构建与分析2.1 实验用例本文选用无线传感网络应用的例子来模拟由Esterel模型转换为目标平台代码的过程.无线传感网络应用的功能主要是:系统初始化之后进入睡眠状态,接收数据包事件发生时,由睡眠状态转为运行状态,接收和传输数据包.当接收到第5个数据包时,触发程序的完成事件.这个例子应用包含了传感网络应用的所有的特点:数据包的发送、接收,数据包数据的处理以及睡眠功能.设计初期,根据各个模块的功能设计出相应的状态机,基于此,本文使用Esterel对其进行建模,细节如下.2.2 TinyOS与Mantis中实现的区别下面比较在Mantis和TinyOS中这个相同的程序实现上的不同之处:在Mantis当中,程序从一个start函数开始执行,类似于C语言编程中的main函数.可以在start进程中通过调用mos_thread_new函数,派生出新的进程.在新建立的线程中,如算法描述的,state_machine函数每10ms调用一次.这里的CLK事件是通过调用mos_thread_sleep(10)来间接实现的.对接收数据包,需要调用API接口中的com_recv_timed函数.它会启动无线电设备,并进入接收模式一定时间(这里是30 ms).当接收到数据包时,会以收到数据包事件调用state_machine函数(状态机的PKT事件).对发送数据包和切换LED的实现是通过调用com_send和mos_led_toggle以及led_on这样的API实现的.Mantis中的实现框架图如图 6所示.
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| 图 6 Mantis中例子程序的实现框架图Fig. 6 Implementation scheme of program example for Mantis |
| 图选项 |
由图 6可以看出,例子程序在Mantis中实现的结构为:首先是系统文件的包含,随后是对状态机函数中算法的定义；然后是收到数据包,发送数据包,LED控制函数；最后是应用线程的定义,以及在start函数中的线程创建.TinyOS的编程模型是基于组件的.在TinyOS中例子程序的实现过程如下:首先,周期计时器从Boot.booted事件处理程序中初始化(CLKtimer.startPeriodic).周期计时器的时间周期设定为10 ms.初始化完成之后,一个计时器事件产生(CLKtimer.fired).在这个事件的处理程序当中,状态机被看做一个任务,来处理状态机的CLK事件.由于算法要求无线电设备处于接收状态一定的时间(30 ms),为了在receivePacket方法中实现要求,需要设置一个限时计时器(保持30 ms),并同时启动无线电设备.在这个限时计时器计时时间耗尽时,需要关闭无线电设备(在RXThresholdTimer.fired事件的处理程序中实现).当TinyOS接收到数据包时,会产生一个receive事件(Receive.receive).这个事件的处理程序,实际完成了状态机中有数据包到来事件(PKT事件)的处理工作.对于像非发送数据包这样的行为,状态机调用sendPacket函数来实现.在这个方法当中,首先设置无线电设备为传输状态,并启动它.当无线电设备产生Radio.StartDone事件时,表示无线电设备启动成功,方法内会对无线电是否已启动做出检测.如果无线电设备已经启动,则使用AMSend接口中提供的AMSend.send命令来发送数据包.当数据包发送完时,TinyOS产生一个返回事件AMSend.sendDone来提供发送处理状态的信息.在这个事件的处理程序中,关闭无线电设备.在状态机中,可以使用异步命令来控制LED的状态.TinyOS中例子程序的实现框架如图 7所示.
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| 图 7 TinyOS中例子程序的实现框架图Fig. 7 Implementation scheme of program example for TinyOS |
| 图选项 |
由上述框架可以得到的例子程序在TinyOS中实现的结构为:首先是用户模块的创建,声明用到的接口,随后是实现部分.在实现当中,首先是在Boot.booted中启动程序中的CLKTimer计时器,从而启动程序，随后定义状态机的函数.然后是发送数据包和接收数据包函数.发数据包中启动无线电设备的返回事件Radio.startDone事件,以及后续的AMSend.sendDone事件,最后的radio.stopDone事件不需要处理,所以没有定义其处理事件.在Boot.booted事件和接收数据包函数中,分别启动了CLKTimer计时器和RXThresTimer计时器,它们分别产生的计时时间到达事件,CLKTimer.fired事件处理程序,以及RXThresTimer事件处理程序.最后是一个LED的控制函数.2.3 模块划分与模型建立利用Esterel对上述例子程序进行模块划分和模型建立,可以将例子程序分为:初始化模块,状态机模块,发送、接收数据包模块,LED控制模块.初始化模块的作用主要是启动用户应用.在Mantis中的主要工作是创建用户线程,并根据要求每睡眠10 ms后,产生CLK信号,检查状态机状态的改变.在TinyOS中的主要工作是启动用户程序,并启动计时器,每隔10 ms产生CLK信号,并检查状态机的状态改变.两者的区别在于:Mantis的应用启动是创建和启动线程,而TinyOS是用Boot.booted启动应用模块.由于都需要进行计时,Mantis是利用线程休眠10 ms,而TinyOS是启动计时器,产生CLKTimer.fired事件进行计时.初始化模块的Esterel模型如下:module Initinput signal T;output signal CLK;start_app();loopwait(？T);emit CLKendend状态机模块是程序的核心部分,它决定程序每个时刻的行为.在CLK信号到来时,检测是否进入发送数据包或者接收数据包状态.当PKT信号到来时,检测是否进入程序运行结束状态.然后就是发送或接受完成时,对LED进行控制.状态机的Esterel模型如下:module Statemachineinput signal CLK,PKT;loop[await CLK;Check_State()||await PKT;Check_Terminate()]endend数据包发送模块的Esterel模型比较简单,模型中只需要调用SendPacket函数,数据包接收模块的Esterel模型中,要求维持接收状态为30 ms.数据包接收模块的Esterel模型如下:module ReceivePacketinput signal T;output signal PKTrecv_packet(? T);if(recv_packet.recev)then emit PKTendLED控制模块主要负责对LED状态进行控制.直接调用led_toggle函数来控制LED.在Mantis中调用mos_led_toggle来进行替换,而在TinyOS中利用led0Toggle、led1Toggle、led2Toggle来进行替换.2.4 实验结果分析本文选择前面介绍的通信程序以及一个环境监测的应用作为实验用例.环境监测应用的主要功能是在某节点的监测数据异常时,做出异常警报.主要从生成代码的大小上进行对比.本文以手工编写代码的大小作为基准,分析自动生成代码的相对此基础的变化.利用如下公式进行比较:
式中:Δ表示代码大小增量;AGC(Automatic Generated Code)表示自动生成的代码大小；EOS(Empty OS)表示空操作系统大小;MWC(Manual Written Code)表示手工编写代码的大小；AGC-EOS表示自动生成的应用的大小；MWC-EOS表示手工编写的应用大小.利用该公式得到的代码大小如表 1所示,图 8是Mantis中通信应用和检测应用的代码大小比较.图 9是TinyOS中通信应用和监测应用的代码大小比较.从实验数据中可以看出,自动生成的代码在大小上相对于手工编写的代码是可接受的,基本满足了代码生成的设计要求.表 1 代码大小的比较Table 1 Comparison of code size
| 操作系统 | 空操作系统/B | 应用 | 手工代码/B | 自动生成代码/B | Δ |
| Mantis | 15 650 | 通信应用 | 16 364 | 16 592 | 1.4 |
| 监测应用 | 17 420 | 18 036 | 3.5 | ||
| TinyOS | 1 558 | 通信应用 | 9 826 | 11 242 | 14.4 |
| 监测应用 | 12 647 | 14 386 | 13.8 |
表选项
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| 图 8 Mantis中两个例子应用的代码大小对比Fig. 8 Comparison of code size between two examples for Mantics application |
| 图选项 |
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| 图 9 TinyOS中两个例子应用的代码大小比较Fig. 9 Comparison of code size between two examples for TinyOS application |
| 图选项 |
3 结 论本文提出了利用并发控制流语言Esterel,对嵌入式系统进行建模.经实验验证表明:1) 该方法利用抽象层可以实现多平台的代码自动生成.2) 该方法在实现代码自动生成时具有较优的性能,例如,相对于手工编写代码,自动生成的Mantis应用代码大小的增长小于5%;自动生成的TinyOS应用代码大小的增长小于15%.为使该方法具有更广泛的适用性,需要进一步对更多的目标平台以及应用类型进行验证.此外,对于代码自动生成的优化算法有待进一步研究.
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