LoRa开发4：移植Contiki

1  LoRa终端需要OS吗？

尽管工程师有很多理由拒绝在LoRa终端上使用OS（Operating System，操作系统）：“它很复杂”，“没必要”，“内存太小”，“有学习成本”，“要改变编程思维”，“可能不稳定”……然而，基于以下理由，我们强烈推荐移植一个小型OS：

降低复杂度

LoRa终端的复杂度其实比我们想象的要高：它需要驱动SX1278，这需要处理很多事件，如接收数据超时，接收数据错误等；它需要实现网络算法，申请入网，主动上报，低功耗唤醒，断网续连等；它需要管理本地设备，采集传感器数据，控制阀门等。

使用OS，可以将上述任务分解成多个进程，开发者专注于每个进程的实现，可以有效降低复杂度。

复用组件

LoRa终端一定有这样的需求：射频CAD侦听到唤醒信号后，快速通知进程接收数据帧；需要一个软定时器来灵活地延时和唤醒……这些系统组件，OS都提供，要知道，这些丰富的组件可是经过严格测试的。复用成熟稳定的组件是提高软件生产力的有效手段，这方面，操作系统功不可没。

提高CPU效率

当LoRa终端“等待射频发送数据包完成”前，它无事可干；而其他进程希望得到CPU运行权，不用担心，操作系统会完成调度，它会将“因等待而无事可干”的进程阻塞，而将CPU分配给“具备运行条件”的进程享用。

移植性更好

有一天，因为某种原因（需要更强大的计算能力，需要更低成本等）需要更换LoRa终端的MCU，有操作系统支撑的系统就轻松多了，因为应用软件调用的是操作系统的API，它很少与硬件层直接打交道；基本上，只要将操作系统移植到“新MCU平台”，软件系统就OK了。

2  Contiki是一个怎样的OS？

Contiki是少有能同时实现2个目标的操作系统：对内存要求极低，同时支持进程阻塞机制。8位单片机的RAM极为宝贵，几KB都是很大了，一般的RTOS(FreeRTOS或uc/os-ii等)无法运行，而Contikil可运行良好；有些操作系统，如OSAL也在极少的RAM上可以运行，但是这种基于“状态机”开发的机制，让代码很难理解，程序执行流在状态中来回判断和切换，让逻辑更复杂。

节能内存

Contiki有一个巧妙的机制来实现进程的调度：当进程被阻塞时，OS记录该进程的下一C语言行号；当进程继续运行时，从记录的C语言行号继续运行。这种机制从2个方面极大节省内存：所有的进程共享一个栈，没有上下文机切换。甚至在小于1KB内存的MCU上，Contiki都可以良好地运行。

进程可以阻塞

在Contiki系统中可以实现如下语句，进程发送无线电数据包，然后阻塞自己，直到发送完毕。这种“优雅”的机制，非常符合程序员思维，同时降低了开发的复杂度。

SX1278Send(packetbuf_dataptr(),packetbuf_datalen());

PROCESS_YIELD_UNTIL(RF_Tx_Done ==s_tRFResult);

移植简单

如果仅使用Contiki的内核，只需要移植clock.c，即从MCU中找一个定时器来给etimer进程提供时钟源。如果使用Contiki的网络协议栈，需要按radio.c实现无线收发函数。

丰富的网络协议栈

针对无线通信，Contiki提供3种MAC协议，还有RIME通信原语和RPL路由协议；针对TCP/IP，Contiki提供uIP协议栈，它支持IPv4和IPv6。

3 怎样移植Contiki？

移植一个操作系统是指将它运行在给定的硬件平台。因为Contiki是非可剥夺的OS，不用实现上下文切换（CPU的寄存器保存与恢复），因此它的内核移植特别容易，一般是实现2个定时器：etimer和rtimer。

如果站在3万英尺的高度，一个基于Contiki嵌入式系统的层次结构如下所示。

考虑2种情况，首先需要升级Contiki更高版本的软件，其次需要将Contiki移植到不同的硬件平台。为了尽可能地减少升级和移植的工作量，增加了ports文件夹，ports目录中文件与core目录中文件低耦合。

3.1 移植Contiki内核

如果仅仅只移植Contiki的内核，那么还是比较容易的，一般说来只需要修改2个文件：clock.c和contiki-conf.h。

clock.c有2个函数需要适配对应硬件平台：

void clock_init(void)； 设置一定时器，每秒产生CLOCK_SECOND个tick；

void SysTick_handler(void)； tick中断时递增时间，检测是否有超时事件；

contiki-conf.h：设置contiki系统的一些参数，如：CLOCK_CONF_SECOND=100；

3.2 移植rtimer

3.2.1 rtimer用途

Contiki系统引入rtimer可以满足精准定时的需要，一些对时间极为敏感的模块（如MAC协议）依赖于rtimer。和etimer的粗粒度（常见为100Hz）不同，rtimer是细粒度（常见为1kHz）定时器。

3.2.2 rtimer移植

移植rtimer比较容易，基于MCU实现rtimer-arch.c和rtimer-arch.h。

需要特别注意，大多数定时器（尤其是8位MCU）位宽为16位，即MAX=65535， rtimer的频率定为1kHz比较合理，它既可以保证比较好的精度（1ms），又具备65秒的满量程，这可以适应大多数的应用需要。

另外，大多数应用需要随机撤销和重启动rtimer，它可以通过添加2个函数来实现：rtimer_arch_disable_irq()和rtimer_arch_enable_irq()。

关于rtimer更多的原理与应用介绍，请链接：

http://blog.csdn.net/jiangjunjie_2005/article/details/44947899

4 怎样应用Contiki？

Contiki是标准ANSI C语言开发，调用API函数和系统组件和一般的OS无异。在进程函数中开发，以下三点需要注意：

1.       自动变量不能跨越阻塞语句

2.       不能使用switch语句

3.       执行语句位于PROCESS_BEGIN()和PROCESS_END()之间

详细了解该规则，请参考《Contiki开发要点》：

http://blog.csdn.net/jiangjunjie_2005/article/details/44725997

从一个入门级的Contiki进行代码，请参考《Contiki开发5：Hello, Contiki》：

http://blog.csdn.net/jiangjunjie_2005/article/details/51921568