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基于STM32和CC2520的TinyOS移植与驱动分析
摘 要： TinyOS系统以其组件结构模型、事件驱动、并发型等优点成为目前最受关注的无线传感器网络操作系统。而STM32和CC2520以其高性能、低成本、低功耗被广泛应用于无线传感器网络嵌入式系统。 但TinyOS 不支持STM32和CC2520芯片。因此在分析TinyOS 基本原理、NesC 编程语言实现机制及其编译过程的基础上，介绍了基于STM32和CC2520的T inyOS移植方法，完成了STM32的IO组件、Timer 组件、USART组件、SPI 组件和CC2520芯片的移植。在实现CC2520的基本通信功能基础上，实现简单mac协议。最后测试了各组件的移植效果，实验测试结果表明，节点可以稳定可靠通信。 关键词：无线传感器网络；TinyOS；STM32；CC2520；移植；驱动
引 言 无线传感器网络(Wireless Sensor Network, WSN)是一种应用相关的网络。为满足不同环境和应用需求，需要选择或设计特定的硬件节点和操作系统，而许多操作系统在设计之初支持的硬件节点类型又十分有限，因此需要对某些操作系统进行移植。本文选用的无线传感器节点的核心部件为意法半导体公司STM32系列MCU和TI第二代射频芯片(CC2520)，这两款芯片都是高性能、低成本、低功耗的。广泛用于无线传感器网络相关应用。采用TinyOS 作为软件平台，成功移植了Radio、Timer、USART、SPI和GeneralIO等 5个底层模块。测试结果表明，移植的5个底层模块能够正常工作。
1 MCU和无线模块介绍 STM32系列按性能分成两个系列：STM32F103“增强型”系列和STM32F101“基本型”系列,时钟频率达到72MHz，是同类产品中性能最高的产品。时钟频率72MHz时，从闪存执行代码，STM32功耗36mA，是32位市场上功耗最低的产品，相当于0.5mA/MHz。本项目采用STM32F103RBT6。
CC2520是第二代ZigBee/IEEE 802.15.4无线电频率(RF)收发器。该款CC2520产品具有当今业界最佳的选择性/共存性及优异的链路预算功能特点，其目标在于满足各种应用中ZigBee/IEEE 802.15.4同专有无线系统的要求。
2 TinyOS操作系统和NesC分析 2.1 NesC介绍
NesC是专门为网络嵌入式系统设计的编程语言，是对C的扩展，它基于体现TinyOS 的结构化概念和执行模型而设计。主要编程模式包括：事件驱动、弹性并发型和面向组件程序设计等。NesC 编译器进行数据竞争检测 (提高可靠性) [4]、积极的函数内联 (降低资源消耗) 等整体程序分析，简化了应用程序的开发，缩小了代码大小，减少了许多潜在诱发错误的因素。因此，NesC 语言设计的这些特征很好的满足这个领域程序设计的特定要求。
2.2 TinyOS分析
TinyOS(Tiny Micro Threading Operating System)是由加州大学伯克利分校开发的开源的传感器网络操作系统，其本身是由 NesC 语言编写。其设计的主要目标是代码量小、耗能少、并发性高、鲁棒性好，可以适应不同的应用。TinyOS主要采用了基于组件的体系结构，事件驱动机制，轻量级线程技术，基于FIFO(First In First Out)的任务队列调度方式和主动消息通信方式等思路。完整的系统由一个调度器和一些组件组成，应用程序与组件一起编译成系统。TinyOS的组件模型体系结构如图1所示。
图1 TinyOS组件模型体系结构 上层组件对下层组件发命令，下层组件向上层组件发信号通知事件，最底层的硬件抽象组件直接和硬件打交道。
TinyOS 的硬件抽象层通常是3级抽象结构，称作HAA(Hardware Abstraction Architecture) [6][7]。整个硬件抽象层分为硬件表示层 (HPL)、硬件适应层(HAL)和硬件接口层(HIL)三层。
硬件表示层（Hardware Presentation Layer，HPL）是对硬件平台的功能性描述，主要通过存储单元和 I/O 映射端口访问硬件和通过硬件中断来实现了以下功能：能量管理、控制硬件、硬件中断开闭、提供硬件中断服务程序。
在HPL上的是硬件适应层(Hardware Adaptation Layer, HAL)，该层是整个硬件抽象层的核心，利用 HPL 提供的原始接口建立硬件描述资源，并通过状态来反映硬件的使用情况以实现对硬件的仲裁控制，提高系统性能。
硬件抽象层的最高层是硬件接口层(Hardware Interface Layer, HIL)，该层把 HAL层提供的接口转换成硬件独立的接口，隐藏了平台之间的差异，并向上层提供统一的硬件API 接口。
3 基于STM32和 CC2520 平台的TinyOS实现 由上文所述，将 TinyOS移植到STM32核处理器和CC2520上的关键问题是硬件抽象层组件的定制和编译器工具链的配置。基于TinyOS开源代码的约定，主要修改代码放置在/tos/chips/STM32 和tos/platforms/STM32-p103。
3.1 修改芯片文件
每个芯片都通过多个接口或组件提供它所实现的功能，这些接口或组件组成芯片的驱动。将芯片的结构抽象文件放于tos/chips。如果芯片有子系统则建立子目录，如：tos/chips/STM32/timer。需要改写的TinyOS和MCU相关模块如下所述。
3.1.1 STM32核处理器 为了同其他外围设备的驱动分开，需要在MCU 相关的文件中增加两个定义：(1）原子操作的开始和结束，在头文件 hardware.h 中定义；(2）低功耗工作模式，由组件 MCUSleepC 定义。具体可以参考其他MCU文件编写。
TinyOS 通过一些接口管理 MCU的状态，决定MCU 何时进入低功耗状态。MCUSleepC组件向上层提供McuSleep和McuPowerState接口。TinyOS调度器在原子操作中调用McuSleep.sleep()，保证在进入低功耗状态前处于开中断状态。在sleep状态，可以关闭一些高耗能的模块，比如：高频时钟、PLL等。
3.1.2 修改IO，LEDs，Timers，USART，SPI组件
（1） 通用IO
HIL层组件通过三个接口描述 MCU可以控制的通用输入输出引脚。GeneralIO接口描述输入输出引脚被清零或置位、设置为输入或输出。GpioInterrupt 接口描述单个引脚触发的中断，可以对每一个引脚分别配置为上升沿触发或者下降沿触发中断。GpioCapture接口描述捕获单个引脚发生的事件，可以对每一个引脚分别配置为上升沿触发或者下降沿触发。GpioInterrupt接口和GpioCapture接口比较相似，主要区别是对GpioInterrupt接口的调用不累积，只有最后一次连续触发的事件会被处理。而GpioCapture接口只要事件触发就会处理。具体例子：参考cc2520驱动文件CC2520DriverLayerP.nc中对SFD信号的处理。
虽然这三个接口被定义为 HIL接口，但也可使用这三个接口来代表 HPL，CC2520 采用这种表示。
（2） LED 灯
TinyOS 最多可独立支持平台上三个LED灯。TinyOS通过PlatformLedsC组件直接访问三个LED灯，LedC和LedP组件再通过装配PlatformLedsC组件向上层组件提供Led接口，相当于GeneralIO接口的使用。在 PlatformLedsC组件中可以对每种开发板指定相应的Led引脚。
PlatformLedsC 组件使用 Init 接口连接到PlatformP组件的Init接口，保证包含 LedC 组件的应用程序的初始化。PlatformP 组件的Init接口是开发板重启后Tinyos操作系统首先开始初始化的部分，这里可以进行一些系统启动必要模块的初始化，比如：时钟、中断、低功耗组件等。
（3） Timers
MCU时钟通常有三种常见的功能：控制，时钟/计数器，触发。将与MCU时钟相关的文 件放chips/STM32/timer。时钟的通用功能通过一系列的接口定义实现。如下所示：
interface Counter<precision_tag, size_type>//提供当前时钟和处理当前时刻的溢出事件
interface Alarm< precision_tag, size_type > //给定时间内的扩展计数
interface BusyWait< precision_tag, size_type >//短时同步延时
interface LocalTime< precision_tag >//提供32位的计数器，没有溢出处理
interface Timer< precision_tag >//提高指定精度的定时器，有只触发一次和触发多次之分
Timer组件的三个最主要属性是时钟精度、时钟宽度和精确度。TinyOS提供的时钟精度有：TMilli（1024嘀嗒每秒）、T32khz（32768嘀嗒每秒）和TMicro（1048576嘀嗒每秒）。时钟宽度有：8位、16位、32位和64位。推荐是32位，本项目也使用32位。精确度主要是相应Timer组件实际提供的精度和声称的精度的误差，影响精确度的因数主要有：时钟漂移和硬件限制等。STM32的mcu能提供最高25MHz的时钟，足以满足TinyOS内部需求。
不同的平台可以针对不同需求在Timers组件中选择实现上面5种接口。可以提供不同精度、不同宽度的组件。通常一个计时单元由一个计数器和一些比较寄存器组成，比较寄存器可以触发中断。HPL组件将MCU时钟的这些硬件特性抽象划，通过Counter接口和Alarm接口提供给高层组件。HAL组件具体指定了时钟频率和位数。每个平台的 HIL组件都应包括：HilTimerMilliC 和 BusyWaitMicroC，以保证适应各种平台。
（4） USART
节点可以通过USART与PC通信，将与USART相关文件放于chips/STM32/uart。本文只通过HplST-
M32UartNoDmaP组件STM32Uart1C配件实现了简单的USART功能。串口的初始化包括：波特率、字长、奇偶校验位、流控制、打开串口时钟和配置串口发送接收引脚等。
有了串口的输入输出功能后，为了方便调试，可以自己重写printf函数，实现终端输出重定向到PC，通过串口工具来分析终端运行情况。具体设计是：如果输出字符串，则直接调用UartStream.send命令；如果是输出数字，则可以先重写itoa函数，把数字按指定进制转换成字符串，然后按照输出字符串方式处理。
（5）SPI
由于CC2520通过SPI接口和MCU通信，所以必须实现SPI接口。SPI接口的处理方式和USART接口的处理方式很相像，将与SPI相关的文件放于chips/STM32/spi。本文只通过 HplSTM32SpiP组件和STM32Spi1C配件实现了简单的SPI功能。SPI的初始化包括：时钟信号的相位和极性、NSS模式、数据帧格式、主从模式等。
3.2 CC2520驱动
在tos/chips/cc2520中定义与CC2520芯片相关的组件，这里面的组件直接对芯片进行操作。比如：一些直接操作CC2520的函数接口和兼容TinyOS上层接口提供必要的封装等。在tos/platforms/cc2520文件夹中定义CC2520和MCU交互的接口，比如：CC2520和MCU的引脚连接配置、使用的时钟等。
CC2520通过SPI接口与STM32完成设置和收发数据两方面的任务。SPI接口由CSn、SI、SO和SCLK 四个引脚构成。STM32为接口主设备，访问CC2520内部寄存器和存储区；CC2520为SPI接口从设备，接收时钟信号和片选信号，并在处理器的控制下执行输入／输出操作。CC2520通过SFD、FIFO、FIFOP和CCA四个引脚与STM32表示收发数据状态。
CC2520大概工作流程：应用程序中使用SplitControl接口，该接口最终连接到CCDriverLayerP上，在SoftwareInit.init中对CC2520使用的和MCU相连的引脚进行初始配置，比如：把CSN、VREN和RSTN配置为输出模式，把CCA、SFD、FIFO和FIFOP配置为输入模式。
首先，复位CC2520，并且关闭电压调整器，根据Datasheet，延时1100us，延时通过接口BusyWait<T32khz,uint16_t>。延时完成后，开启电压调整器，并延时200us后使能CC2520，完成后，申请SPI资源，该资源Resource接口连接在CC2520DriverLayerP上，资源申请允许后，在CC2520DriverLayerP中捕获到SpiResource.granted事件，然后开始通过SPI接口初始化CC2520，调用startOscillator。之后调用initRadio对CC2520的寄存器进行相应配置。至此完成对CC2520启动配置。应用程序执行发送命令时最终连接到CC2520DriverLayerP的RadioSend.send命令，在这里可以对发送进行完全的控制，比如在发送过程中可以通过捕获SFD上升沿信号来对发送准确计时。CCA引脚有效表示信道空闲评估有效，通常为CSMA-CA算法的实现提供依据。
而在接收模式时，CC2520收到物理帧的SFD字段后，会在SFD引脚输出高电平，直到接收完该帧。如果启用了地址识别，在地址识**，SFD引脚立即转为输出低电平。FIFO和FIFOP引脚标识FIFO缓存区的状态。如果接收FIFO缓存区有数据，FIFO引脚输出高电平；如果接收FIFO缓冲区为空，FIFO引脚输出低电平。FIFOP引脚在接收FIFO缓存区的数据超过某个临界值时或者在CC2520接收到一个完整的帧以后输出高电平，触发STM32的中断。在CC2520DriverLayerP中对中断进行处理，调用downloadMessage把接受到的数据从rxfifo中读取出来，然后向上层提交。下面简单介绍CC2520驱动文件和上层文件的交互，具体请看图2：
图2 TinyOS无线模块组织架构图 最上面是应用层组件，下面一层是Active Message Layer(主动消息层)，由于会出现多个服务利用同一个radio通信的情况，TinyOS提供了AM层来多元访问radio。AM层主要通过ActiveMessageC组件实现，一个平台必须提供ActiveMessageC作为包级别通信的基本HIL。ActiveMessageC提供尽最大可能交付的，单跳的通信抽象。每个active message有一个16位的目的地址和一个8位的类型字段。
Unique Layer(唯一收发层)：为报头生成一个唯一的数据序列号(DSN，字节单位)。每向外分发一个包，该字节就加1。该字节由一个随机数字初始化。接收方通过检查源地址和DSN字节来识别该包是否重复。同时在接收情况下，维护最近一段时间接受到的包的源地址和DSN字节，识别重复接收到的包。
Packet Link Layer(数据包链路层)：本层提供超时自动重传功能。当没有监听到接收方发来ACK时，重传包。PacketLink是基于每个包来激活的，除非包在发送前配置好重传功能，否则Packet Link不会为该包启动自动重传功能。相对于硬件自动应答，当软件应答机制启用时，Packet Link是最可靠的。
Low Power Listening Layer(低功耗监听层)：该层负责打开和关闭无线发射器，检查接收情况。低功耗监听传输是基于每包的。
Tinyos Network Layer(Tinyos网络层)：本层允许TinyOS 2.x无线协议栈与非TinyOS网络交互。6LowPAN草案在标准的802.15.4头部后有一个网络标识字节[8]。如果使用交互帧(interoperability frames)，那么这个分派层就要提供设置发送包该标识字节和过滤接收到的非TinyOS包的功能，
Carrier Sense Multiple Access (CSMA)载波监听多路访问层：本层负责为发送包定义802.15.4 FCF字节，当检测到信道已经在使用时，提供默认的退避时间，定义无线的power-up/power-down过程。
CC2520 Driver Layer(CC2520驱动层)：本层实际操作硬件，CC2520DriverLayerP作为HPL层核心文件，主要功能有：芯片初始化、打开关闭、数据发送和接收、对时序的控制、中断处理等。
3.3 修改平台文件
在 tos/platforms 下放置平台相关文件， 将物理驱动相关的组件连接起来组成具体平台。创建一个平台需要完成五个部分：（1）“.platform”文件告知编译系统驱动文件的位置，由一系列的包含路径和NesC 的参数组成。ncc 将“.platform”文件当作 perl脚本读出，并将参数传递到 NesC 预编译器。（2）平台导入程序 PlatformP/PlatformC， 通过调用两个初始化接口 platformC.Init 和 MainC.softwareInit来激活MCU、传感器和射频等硬件模块及相关软件。platformC.Init通常完成时钟校准和引脚设置，保证硬件在可操作状态。（3）与硬件具体功能相关的头文件“hardware.h”和将芯片与平台结合的具体代码。“hardware.h” 包含了其他硬件子系统的头文件，并被主文件“MainC.nc”所包含。（4）修改链接脚本文件，仿照其他平台文件在tos/platforms文件夹下建立tos.x文件，设置rom和ram的起始地址和大小。设置中断向量表、代码段、数据段、非初始化数据段和其他段的放置位置。（5）定义中断向量表，在tos/platforms/STM32-p103/vectors文件夹下新建STM32-vector.c文件，用于放置中断向量表，按照STM32提供的中断配置中断向量表，并初始化默认中断处理函数，实际应用中这些中断处理函数可以在其他文件中重定义。比如：时钟中断处理函数在McuSleepC.nc中重定义。
3.4 修改编译工具链
3.4.1配置交*开发工具链 STM32 支持的编译器有很多，比如：ARM-NONE-EABI-GCC，KEIL，IAR等。本文采用 ARM-NONE-EABI-GCC编译器。NesC 程序的编译主要分两步[10], 首先调用ncc编译器把NesC预编译成C 文件(即预编译过程); 然后通过一个脚本程序，将经过NesC预编译生成的TinyOS应用程序转换成可以下载到开发板的hex格式[9]文件，最后送入 J-Flash ARM下载器下载到硬件。修改后的编译工具链如图3所示。
图3 TinyOS基于STM32的交*开发工具链 下面对这个过程进行详细的介绍。
第一步：源组件文件(.nc文件)的分析和转换,在这个阶段调用TinyOS自带的编译器 ncc, 对.nc源文件进行文法、语法分析, 检测共享数据缓冲区等。再根据各个组件和接口对其使用的函数和变量进行名字扩展, 使其具有全局唯一性。最后把所有的函数和变量都整合到一个主函数main( )中, 并生成相应的app.c文件。此时生成的已经是普通的C语言程序。以上这个替换过程是由 ncc 的核心程序 nesc1.exe完成的。
第二步：在生成 app.c文件后, ncc调用 arm-none-eabi-gcc的交*编译器工具对该C 文件进行编译、链接生成可执行文件main.exe,然后通过arm-none-eabi-objcopy工具转换成main.hex，以便最后下载到STM32平台上运行调试。
3.4.2定制编译环境 为使编译系统能够寻找到编译平台，在工程主文件夹下增加环境定制文件“setup.sh”，定制工程目录、编译工具、解释工具等路径。
在/support/make 目录增加“STM32-p103.target”文件。定制STM32的MAKE系统。在make文件中指定用arm-none-eabi-gcc为编译器，arm-none-eabi-objcopy为输出格式转换器。
4 测试 TinyOS自带的radioCountToLeds测试程序，需用通用IO、Timer、Leds、SPI和无线模块（CC2520）驱动等组件。为了查看USART模块驱动也为了便于跟踪程序执行流程，在源程序中加入了串口输出代码，如图4所示，从图中可以看出TinyOS发送过程为:从应用层开始，逐层往下层封装数据，主要过程是在每一层添加相应层的包头，最后通过CC2520DriverLayerP组件中的send接口把数据通过CC2520模块发送出去，接收过程正好相反，在CC2520DriverLayerP组件中接收到数据后，逐层往上层传输数据，每一层除去相应的包头，再添加其他和协议相关匹配工作，比如：发送确认帧、把接收包源地址添加到本节点缓存等。最后把数据传到应用组件，注意：每一层向上层传输的是指向数据的指针，而不是数据本身。
图4 串口工具现实radioCountToLeds程序的执行过程 本实验通过一个节点每一秒定时广播数据包，定时器中断触发时发送一个16位的数据，并把此数加一。其他节点接收此数据，并根据接收数据的低三位是否为一来分别控制三个Led灯闪烁。通过观察节点上Led灯的有规律闪烁能够证明各模块成功移植。
5 结论 本文简单介绍了NesC语言的特点和TinyOS系统架构，重点介绍了TinyOS 的编译机制，并在此基础上详细说明了将 TinyOS内核程序移植到以STM32核处理器和CC2520无线模块芯片为核心的开发板上的具体方法。通过测试发现各个模块能够正常稳定工作。但无线模块协议栈还不够完善，功能还不全面，仍需要进一步的研究。
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