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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

2020-11-23阅读(712)

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

论文摘要

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γOS MAC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γOS

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第1章 绪论
  • 1.1 研究背景
  • 1.2 研究挑战
  • 1.3 主要工作
  • 1.4 论文结构
  • 第2章 研究现状和研究基础
  • 2.1 无线网络传感器概述
  • 2.1.1 基本组成
  • 2.1.2 研究分类
  • 2.1.3 应用领域
  • 2.1.4 基本特性
  • 2.2 几个主要的无线网络传感器研究项目
  • 2.2.1 Smart Dust
  • 2.2.2 uAMPS
  • 2.2.3 WINS
  • 2.2.4 其他项目
  • 2.3 若干关键软件技术
  • 2.3.1 支持无线网络传感器的超微型嵌入式操作系统内核
  • 2.3.2 支持传感通信的无线网络通信协议
  • 2.3.3 支持超微型嵌入式设备的系统编程语言
  • 2.4 本章小结
  • 第3章 γOS系统框架的研究和设计
  • 3.1 主要设计挑战
  • 3.2 相关研究工作
  • 3.3 典型硬件平台
  • 3.3.1 硬件平台一简介
  • 3.3.2 硬件平台二简介
  • 3.3.3 硬件平台规格比较
  • 3.4 系统设计特点
  • 3.4.1 组件化的功能设计
  • 3.4.2 自定义的组件模型
  • 3.4.3 微线程的系统架构
  • 3.5 功能比较和评估
  • 3.6 本章小结
  • 第4章 γOS实时任务容错调度机制的研究和设计
  • 4.1 设计要求分析
  • 4.2 相关研究工作
  • 4.2.1 传感器操作系统调度机制分析
  • 4.2.2 实时任务调度算法分析
  • 4.3 基本概念定义
  • 4.4 任务模型分析
  • 4.4.1 硬件模型分析
  • 4.4.2 过程模型分析
  • 4.4.3 任务集分析
  • 4.5 调度机制实现
  • 4.5.1 基本条件设定
  • 4.5.2 调度机制分析
  • 4.6 可调度性分析
  • 4.6.1 基于 CPU利用率的分析方法
  • 4.6.2 RM算法可调度性分析
  • 4.7 容错性实现
  • 4.7.1 容错性分析
  • 4.7.2 主副版本机制
  • 4.7.3 错误检测
  • 4.7.4 可调度性分析
  • 4.7.5 错误修复
  • 4.8 本章小结
  • 第5章 γOS MAC层无线通信协议的研究和设计
  • 5.1 应用背景介绍
  • 5.2 设计要求分析
  • 5.3 相关研究工作
  • 5.4 ST-MAC协议设计
  • 5.4.1 协议设计特点
  • 5.4.2 通信参数设定
  • 5.4.3 数据包格式定义
  • 5.4.4 媒体访问控制
  • 5.4.5 网络自适应策略
  • 5.4.6 节能侦听策略
  • 5.4.7 时钟同步策略
  • 5.5 实验性能评估
  • 5.5.1 实验条件设定
  • 5.5.2 传输成功率分析
  • 5.5.3 传输时延分析
  • 5.5.4 传输公平性分析
  • 5.5.5 模拟器结果分析
  • 5.6 本章小结
  • 第6章 γOS生成器 AntC的研究和设计
  • 6.1 主要设计挑战
  • 6.2 相关研究工作
  • 6.3 AntC设计概述
  • 6.3.1 基本特点
  • 6.3.2 编译流程
  • 6.4 AntC设计思想
  • 6.4.1 程序示例
  • 6.4.2 组件和接口
  • 6.4.3 并发性和原子性
  • 6.4.4 任务和事件模型
  • 6.4.5 整体分析和优化
  • 6.5 性能比较和评估
  • 6.5.1 核心组件规模
  • 6.5.2 优化效率分析
  • 6.5.3 并发性分析
  • 6.5.4 可靠性分析
  • 6.6 本章小结
  • 第7章 总结和展望
  • 7.1 本文工作总结
  • 7.2 下一步工作
  • 附录 AntC的语法设计
  • 1 实现工具-JavaCC
  • 2 AntC的 BNF范式
  • 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

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