支持无线网络传感器的γOS操作系统若干关键软件技术的研究和实现

摘要

随着普适计算技术的不断发展，集传感(sensing)、执行(actuating)、计算(computing)和通信(communicating)能力于一身的无线网络传感器将会得到广泛的应用。相对于传统的计算设备，无线网络传感器具有小尺寸和低功耗、多样化的设计和使用、有限的控制层次、健壮的运行要求和并发密集型操作等基本特性，这使得其上的系统软件设计颇具挑战性。传统的操作系统和编程模式并不能直接应用于无线网络传感器，这就需要我们研究和开发新型的超微型嵌入式操作系统和编程模式来管理和操作这类设备。 本文以无线网络传感器系统在智能家居领域中的应用为背景，针对传感器操作系统的若干关键软件技术，包括支持无线网络传感器的超微型嵌入式操作系统内核技术、无线通信协议技术和系统编程语言技术，研究和设计了支持无线网络传感器的超微型嵌入式操作系统γOS。本文所做的工作和相关的创新点主要包括以下几个方面： ●创新点1：提出和设计了支持无线网络传感器的γOS操作系统框架。在研究和分析当前传感器操作系统的优缺点的基础上，针对无线网络传感器设计过程中的主要挑战，提出了新的传感器操作系统γOS的系统框架设计：γOS在系统编程语言AntC的支持下，通过可配置的组件化功能设计，实现了应用程序的微型化和集成化；γOS通过组件来划分系统的功能，通过捆绑配置组件来组成应用程序，并利用自定义的组件模型，借鉴当今流行的类设计思想，提供了通用的接口模型设计，从而实现了组件代码的高度可重用性；γOS通过基于事件和任务的微线程架构，实现了简单有效的运行方式，包括传感器和环境的交互驱动，以及对并发操作的支持。 ●创新点2：提出和设计了支持实时任务容错调度的γOS操作系统内核调度机制。研究和分析了无线网络传感器的任务模型，包括硬件模型、过程模型和任务集；提出了γOS核心调度组件中的支持优先级划分的分组任务调度机制，有效地区分调度实时任务和非实时任务；在该任务调度机制的基础上，提出了对新加入任务的可调度性分析算法，该算法通过基于CPU利用率的分析方法和RM调度算法实现；针对无线网络传感器操作系统的运行健壮性要求，提出了γOS核心调度组件的容错调度机制，包括错误检测、错误修复和可调度性分析机制。γOS核心调度组件的错误检测和错误恢复功能基于主副版本容错机制实现，可调度性分析则基于RM调度算法实现。 ●创新点3：提出和设计了支持传感通信的γOSMAC层无线网络协议ST-MAC。通过分析无线网络传感器在智能家居领域的应用特性，提出了γOS1MAC层的可靠无线网络通信协议ST-MAC，包括数据包格式定义、媒体访问控制策略、网络自适应策略、节能侦听策略和时钟同步策略等。ST-MAC协议数据包格式定义基于主动消息机制；媒体访问控制策略、网络自适应策略和时钟同步策略基于主从模式和TDMA机制实现；节能侦听策略则利用TDMA机制的时间片划分以减少节点侦听时间，节约能量。实验表明，ST-MAC在应用中取得了良好的效果，包括自适应的能耗控制，取得了较低的能量消耗；有效的媒体访问控制，取得了相对较高的数据包传输成功率；公平的带宽分配，解决了传感器网络的公平性问题；可接受的自适应能力，以支持传感器网络的动态变化。 ●创新点4：提出和设计了支持γOS操作系统的系统编程语言AntC。为了实现γOS的设计理念，提出和设计了支持超微型嵌入式操作系统γOS的系统编程语言AntC。AntC直接支持γOS的组件模型、微线程系统架构、任务调度机制以及网络通信机制。AntC的贡献是：通过实现一个包含事件驱动执行、弹性并发模型和面向组件程序设计等特征的编程模式，来满足这个领域的程序设计的特定要求。AntC的编译器能够进行静态数据竞争检测，静态组件实例化操作，整体程序内联，以及清除死代码等整体程序分析。AntC编译器通过整体程序编译产生代码，有利于分析和产生良好的可执行代码，并且减少了许多潜在诱发bug的因素。在提高代码可靠性、控制代码大小的程序分析和建立实际应用程序的表达能力之间，AntC提供了一个较佳的平衡点。

目录

摘要

图表目录

第1章绪论

第2章研究现状和研究基础

第3章γOS系统框架的研究和设计

第4章γOS实时任务容错调度机制的研究和设计

第5章γOS MAC层无线通信协议的研究和设计

第6章γOS生成器AntC的研究和设计

第7章总结和展望

附录AntC的语法设计

参考文献

攻读学位期间发表的学术成果及专利申请

攻读博士期间参加项目情况

致谢