无线传感网络节点操作系统分层调度模型设计与实现

摘要

无线传感器网络是由大量集成感知、计算和无线通信能力的网络节点组成的自组织网络。自产生以来，无线传感器网络由于其广阔的应用前景，越来越受到国内外学者关注。无线传感器网络相关技术的研究也成为目前计算机领域的研究热点之一。其中，节点操作系统的研究在近5年来得到了长足发展，相继出现了TinyOS、Mantis OS、SOS、Contiki等节点专用操作系统。调度系统作为操作系统的核心组成部分，提供调度对象定义，实现合理的调度算法以及调度对象之间并发控制机制，在很大程度上决定了操作系统的性能。 目前在无线传感器节点操作系统领域，存在两类不同的调度系统结构一事件驱动单线程系统以及多线程系统。事件驱动单线程系统以TinyoS为代表，以单个堆栈的很小的代价实现了很高的并发性，在早期较为简单的应用环境中取得了良好的运行性能。但是随着无线传感网络应用的复杂化，事件驱动单线程系统所固有的弱实时性，使得这一调度模型局限性同益明显。多线程系统以Mantis OS为代表，引入了线程抢占机制，解决了生产者一消费者问题并实现了一定程度的实时性。但是多线程系统为每一个调度对象分配独立的堆栈空间，其堆栈消耗量是许多简单应用环境下的低端节点所不能接受的。如何实现一个适用于不同节点应用环境的调度系统已经成为目前节点操作系统领域的研究重点。 论文在分析并总结现有主流节点操作系统调度系统优缺点的基础上，结合分层调度理论，设计并实现了一个基于事件驱动系统的多线程分层调度系统。第一层由事件驱动系统与多线程分层调度系统组成。多线程分层调度系统再进一步分为主调度器与子调度器两层。论文定义了三类调度对象：事件、任务与子调度器。事件由事件驱动系统调度，任务与子调度器则交由多线程分层调度系统。通过分层调度，系统在多个任务共享同一堆栈空间的情况下实现了任务集之间的抢占。同时，实现了事件与任务之间以及可抢占的任务彼此之间的并发控制机制，通过软件中断掩码，缩短中断关闭时间，实现更高的并发性。在此框架之上，论文通过对无线传感网络节点任务建模，进一步设计并实现了分层调度系统构造算法一HSC算法。此算法根据不同应用环境，构造出满足任务集实时要求且代价最小的分层调度系统。最后通过实验，验证了分层调度系统的有效性。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图目录、表目录

第1章绪论

1.1研究背景

1.1.1无线传感器网络的产生与发展

1.1.2无线传感器网络组成

1.2无线传感网络节点操作系统相关技术研究意义

1.3论文组织

第2章无线传感网络节点操作系统调度体系介绍

2.1主要无线传感网络节点操作系统调度体系

2.1.1 TinyOS

2.1.2SOS

2.1.3Contiki

2.1.4 Mantis OS

2.2两类节点调度系统比较

2.2.1实时性

2.2.2存储资源消耗

2.2.3能量消耗

2.2.4编程模式

2.3本章小结

第3章SenSpire操作系统调度系统总体设计

3.1 SenSpire操作系统体系介绍

3.2 SenSpire操作系统调度目标

3.3分层调度理论

3.3.1 Open System Model

3.3.2 Hybrid Scheduling Scheme

3.3.3 Hierarchical Loadable Schedulers

3.4 SenSpire操作系统调度系统组成

3.4.1事件驱动系统

3.4.2多线程分层调度系统

3.5本章小结

第4章SenSpire操作系统事件驱动系统设计

4.1事件处理

4.2任务投递

4.3并发控制

4.4本章小结

第5章可抢占多线程分层调度框架设计与实现

5.1 SenSpire操作系统多线程两层调度器设计

5.1.1主调度器

5.1.2子调度器

5.1.3子调度器安全机制

5.2并发控制

5.2.1优先级控制协议

5.2.2互斥量实现

5.3节能设计

5.4本章小结

第6章分层调度系统智能构造机制研究与实现

6.1无线传感网络实时要求分析

6.2传感器网络任务模型

6.3理想分层调度模型

6.3.1实时调度算法介绍

6.3.2调度算法运行时代价分析

6.3.3 SenSpire理想分层调度模型

6.4优先级映射算法介绍

6.5 HSC算法可调度性测试

6.5.1可调度性测试方法

6.5.2传统IPA算法可调度公式

6.5.3 HSC算法可调度公式

6.6 HSC算法描述

6.7 HSC算法实现

6.8本章小结

第7章SenSpire操作系统分层调度系统评测

7.1微型化

7.2实时性

7.3灵活性

7.4低功耗

7.5本章小结

第8章总结与展望

8.1论文总结

8.2展望

参考文献

致谢