Contiki介绍及参考资料
摘要: 本文介绍了Contiki是什么、contiki的特点、Contiki事件驱动(Event-driven)编程模型、contiki包含的无线网络协议栈6Lowpan/RPL、仿真工具Cooja/MSPsim、文件系统Coffee File system(CFS)等,指出了Contiki的应用领域。最后给出了Contiki相关网站、教程和代码等。
1. Contiki操作系统介绍
Contiki是一个开源的、高度可移植的多任务操作系统,适用于联网嵌入式系统和无线传感器网络,由瑞典计算机科学学院(Swedish Institute of Computer Science)的AdamDunkels和他的团队开发。Contiki完全采用C语言开发,可移植性非常好,对硬件的要求极低,能够运行在各种类型的微处理器及电脑上,目前已经移植到8051单片机、MSP430、AVR、ARM、PC机等硬件平台上。Contiki适用于存储器资源十分受限的嵌入式单片机系统,典型的配置下Contiki只占用约2Kbytes的RAM以及40Kbytes的Flash存储器。Contiki是开源的操作系统,适用于BSD协议,即可以任意修改和发布,无需任何版权费用,因此已经应用在许多项目中。
Contiki操作系统是基于事件驱动(Event-driven)内核的操作系统,在此内核上,应用程序可以在运行时动态加载,非常灵活。在事件驱动内核基础上,Contiki实现了一种轻量级的名为protothread的线程模型,来实现线性的、类似于线程的编程风格。该模型类似于Linux和windows中线程的概念,多个线程共享同一个任务栈,从而减少RAM占用。Contiki还提供一种可选的任务抢占机制、基于事件和消息传递的进程间通信机制。Contiki中还包括一个可选的GUI子系统,可以提供对本地串口终端、基于VNC的网络化虚拟显示或者Telnet的图形化支持。
Contiki系统内部集成了两种类型的无线传感器网络协议栈:uIP 和 Rime。uIP是一个小型的符合RFC规范的TCP/IP协议栈,使得contiki可以直接和Internet通信。uIP包含了IPv4和IPv6两种协议栈版本,支持TCP、UDP、ICMP等协议,但是编译时只能二选一,不可以同时使用。Rime是一个轻量级为低功耗无线传感器网络设计的协议栈,该协议栈提供了大量的通信原语,能够实现从简单的一跳广播通信,到复杂的可靠多跳数据传输等通信功能。
2. Contiki操作系统特点
•事件驱动(Event-driven)的多任务内核
Contiki基于事件驱动模型,即多个任务共享同一个栈(stack),而不是每个任务分别占用独立的栈(如uCOS、FreeRTOS、Linux等)。Contiki每个任务只占用几个字节的RAM,可以大大节省RAM空间,更适合节点资源十分受限的无线传感器网络应用。
•低功耗无线传感器网络协议栈
Contiki提供完整的IP网络和低功耗无线网络协议栈。对于IP协议栈,支持IPv4和IPv6两个版本,IPv6还包括6Lowpan帧头压缩适配器,ROLL RPL无线网络组网路由协议、CoRE/CoAP应用层协议,还包括一些简化的Web工具,包括Telnet、http和web服务等。Contiki还实现了无线传感器网络领域知名的MAC和路由层协议,
•集成无线传感器网络仿真工具
Contiki提供了Cooja无线传感器网络仿真工具,能够多对协议在电脑上进行仿真,仿真通过后才下载到节点上进行实际测试,有利于发现问题,减少调试工作量。除此之外,Contiki还提供MSPsim仿真工具,能够对MSP430微处理器进行指令级模拟和仿真。仿真工具对于科研、算法和协议验证、工程实施规划、网络优化等很有帮助。
•集成Shell命令行调试工具
无线传感器网络中节点数量多,节点的运行维护是一个难题,contiki可以通过多种交互方式,如Web浏览器,基于文本的命令行接口,或者存储和显示传感器数据的专用程序等。基于文本的命令行接口是类似于Unix命令行的Shell工具,用户通过串口输入命令可以查看和配置传感器节点的信息、控制其运行状态,是部署、维护中实用而有效的工具。
•基于Flash的小型文件系统:Coffee File System
Contiki实现了一个简单、小巧、易于使用的文件系统,称为CoffeeFile System(CFS),它是基于Flash的文件系统,用于在资源受限的的节点上存储数据和程序。CFS是充分传感器网络数据采集、数据传输需求以及硬件资源受限的特点而设计的,因此在耗损平衡、坏块管理、掉电保护方面、垃圾回收、映射机制方等方面进行优化,具有使用的存储空间少、支持大规模存储的特点。CFS的编程方法与常用的C语言编程类似,提供open、read、write、close等函数,易于使用。
•集成功耗分析工具
为了延长传感器网络的生命周期,控制和减少传感器节点的功耗至关总重要,无线传感器网络领域提出的许多网络协议都围绕降低功耗而展开。为了评估网络协议以及算法能耗性能,需要测量出每个节点的能量消耗,由于节点数量多,使用仪器测试几乎不可行。Contiki提供了一种基于软件的能量分析工具,自动记录每个传感器节点的工作状态、时间,并计算出能量消耗,在不需要额外的硬件或仪器的情况下就能完成网络级别的能量分析。Contiki的能量分析机制既可用于评价传感器网络协议,也可用于估算传感器网络的生命周期。
•开源免费
Contiki采用BSD授权协议,用户可以下载代码,用户科研和商业,且可以任意修改代码,无需任何专利以及版权费用,是彻底的开源软件。尽管是开源软件,但是contiki开发十分活跃,在持续不断更新和改进之中。Contiki的作者Adam是一个编程的天才,它发明了LwIP、uIP、Protothred、contiki等软件,都在工业界得到广泛应用,大家熟知的LwIP就是一个例子。Adam还是IPSO组织的发起人之一,未来将会不断推进6Lowpan的标准化及应用。
3. 总结
Contiki完全C语言开发、易于移植、支持大量的硬件平台和开发工具、事件驱动机制占用内存小、集成了多种无线传感器网络协议、无专利和版权费、集成仿真工具等特点和优势,已经成为无线传感器网络学术研究和产品开发的理想平台,在欧洲已经得到广泛应用,并逐渐得到其它地区开发人员的支持。随着物联网、无线传感器网络的发展,IP地址将耗尽,骨干网络必将升级到IPv6,因此6Lowpan标准被越来越多的标准化组织所采纳,研发6lowpan的人员将越来越多,这将使得contiki很可能成为嵌入系统中的Linux,在物联网领域得到广泛应用,发挥重要作用。
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