zigbee系统篇——ZStack系统抽象层详解

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*** 本章学习目的 ***

1）理解Z-Stack3.0系统抽象层（OSAL）。

2）掌握OSAL的使用。

4.1  OSAL的运行过程

OSAL也就是系统抽象层，其实并不是真正意义上的操作系统，不过实现了协议栈（ZStack）运行所必需的任务调度功能、内存管理、中断管理等基本功能。为了方便学习，我们将工程进行的裁剪，去除文档和附件，只留下协议栈的组件和工程文件：

本节课我们使用的和上节课一样的工程进行讲解（不同工程只是在应用层不一样，工程的结构是一样的）：

打开工程：

* 我们先进入ZMain.c这个文件，并且找到main入口函数：

入口函数main的工作有两个：初始化、系统轮询（进行任务调度）。

1. int main( void )  
2. {  
3.   // Turn off interrupts  
4.   osal_int_disable( INTS_ALL );       // 关闭所有中断
5.   
6.   // Initialization for board related stuff such as LEDs  
7.   HAL_BOARD_INIT();   // 初始化板载资源，比如PA、时钟源等
8.   
9.   // Make sure supply voltage is high enough to run  
10.   zmain_vdd_check();  // 检测供电电压是否可以支撑芯片正常运行
11.   
12.   // Initialize board I/O  
13.   InitBoard( OB_COLD );  // 初始化板载I/O，比如按键配置为输入
14.   
15.   // Initialze HAL drivers  
16.   HalDriverInit();  // 初始化硬件适配层，比如串口、显示器等
17.   
18.   // Initialize NV System  
19.   osal_nv_init( NULL );  // 初始化NV（芯片内部FLASH的一块空间）
20.   
21.   // Initialize the MAC  
22.   ZMacInit();  // 初始化MAC层（数据链路层）
23.   
24.   // Determine the extended address  
25.   zmain_ext_addr();  // 确定芯片的物理地址
26.   
27. #if defined ZCL_KEY_ESTABLISH  
28.   // Initialize the Certicom certificate information.  
29.   zmain_cert_init();  // 初始化认证信息
30. #endif  
31.   
32.   // Initialize basic NV items  
33.   zgInit();  // 初始化存储在NV中的协议栈全局信息，如网络启动方式等
34.   
35. #ifndef NONWK  
36. // Since the AF isn't a task, call it's initialization routine
37.   afInit();  // 初始化AF(射频)
38. #endif  
39.   
40.   // Initialize the operating system  
41.   osal_init_system();  // 初始化OSAL(操作系统抽象层)
42.   
43.   // Allow interrupts  
44.   osal_int_enable( INTS_ALL );  // 使能所有中断
45.   
46.   // Final board initialization  
47.   InitBoard( OB_READY );  // 初始化板载IO资源，比如按键
48.   
49.   // Display information about this device  
50.   zmain_dev_info();  // 在显示器上显示设备物理地址
51.   
52.   /* Display the device info on the LCD */  
53. #ifdef LCD_SUPPORTED  
54.   zmain_lcd_init();  // 在显示器上显示设备信息，比如制造商等
55. #endif  
56.   
57.  
58.  
59. #ifdef WDT_IN_PM1  
60.   /* If WDT is used, this is a good place to enable it. */  
61.   WatchDogEnable( WDTIMX );  // 启动看门狗功能
62. #endif  
63.  
64.   /* 进入系统轮询 */  
65.   osal_start_system(); // No Return from here  
66.   
67.  
68.   return 0;  // Shouldn't get here.  
69. } // main()  

重点的两个函数：

// Initialize the operating system  

osal_init_system();  // 初始化OSAL(操作系统抽象层)

 

/* 进入系统轮询 */  

osal_start_system(); // No Return from here  

我们在“2. 操作系统的调度原理”中讲到了系统轮询，轮询的是任务池；这两个函数其实做的事情原理是一样的。osal_init_system()初始化了任务池，osal_start_system()基于调度周期在任务池中进行任务调度！用IAR看代码可在函数名上单击右键—— go to definition of…，便可以进入函数。

* osal_init_system()：

1. uint8 osal_init_system( void )    
2. {    
3. #if !defined USE_ICALL && !defined OSAL_PORT2TIRTOS    
4.   // Initialize the Memory Allocation System    
5.   osal_mem_init();  // 初始化内存堆栈，用于动态内存申请、释放  
6. #endif /* !defined USE_ICALL && !defined OSAL_PORT2TIRTOS */    
7.     
8.   // Initialize the message queue    
9.   osal_qHead = NULL;  // 初始化消息队列  
10.     
11.   // Initialize the timers    
12.   osalTimerInit();  // 初始化系统时钟，系统轮询周期的基础  
13.     
14.   // Initialize the Power Management System    
15.   osal_pwrmgr_init();  // 初始化电源管理，主要用于低功耗  
16.     
17. #ifdef USE_ICALL    
18.   /* Prepare memory space for service enrollment */    
19.   osal_prepare_svc_enroll();    
20. #endif /* USE_ICALL */    
21.     
22.   // Initialize the system tasks.    
23.   osalInitTasks();  // 初始化任务池  
24.     
25. #if !defined USE_ICALL && !defined OSAL_PORT2TIRTOS    
26.   // Setup efficient search for the first free block of heap.    
27.   osal_mem_kick();    
28. #endif /* !defined USE_ICALL && !defined OSAL_PORT2TIRTOS */    
29.     
30. #ifdef USE_ICALL    
31.  // Initialize variables used to track timing and provide OSAL timer service
32.   osal_last_timestamp = (uint_least32_t) ICall_getTicks();    
33.   osal_tickperiod = (uint_least32_t) ICall_getTickPeriod();    
34.   osal_max_msecs = (uint_least32_t) ICall_getMaxMSecs();   
35.  
36.   /* Reduce ceiling considering potential latency */    
37.   osal_max_msecs -= 2;    
38. #endif /* USE_ICALL */    
39.     
40.   return ( SUCCESS );    
41. }    

重要的函数： osalInitTasks();  // 初始化任务池

我们知道ZStack框架上是分层的，比如HAL（硬件适配层）、OSAL（系统抽象层）、MAC（数据链路层）、MT（监视器）、APP（应用层）等等；这一点很重要，因为ZStack框架设计上每一层都是任务池中的任务，而且任务是具有优先级的；系统在轮询进行任务调度时，会扫描每一层，如果发现有任务并且任务已经到期就会被处理！

* osalInitTasks()：

1. void osalInitTasks( void )    
2. {    
3.   uint8 taskID = 0;    
4.     
5.   /* 申请任务池内存空间并进行初始化 */  
6. tasksEvents=(uint16 *)osal_mem_alloc(sizeof(uint16)*tasksCnt);  
7. osal_memset( tasksEvents, 0, (sizeof( uint16 ) * tasksCnt));    
8.     
9.   /* 下面是初始化各个层的任务，有些名称不认识是因为和 
10.       ZigBee协议有关，我们暂且忽略，后面篇章会讲解到！ 
11.    */  
12.   macTaskInit( taskID++ );  // 初始化MAC（数据链路层）任务  
13.   nwk_init( taskID++ );     // 初始化网络层任务  
14. #if !defined (DISABLE_GREENPOWER_BASIC_PROXY) && (ZG_BUILD_RTR_TYPE)    
15.   gp_Init( taskID++ );  // 初始化GP层任务  
16. #endif    
17.   Hal_Init( taskID++ );  // 初始化HAL（硬件适配层）任务  
18. #if defined( MT_TASK )    
19.   MT_TaskInit( taskID++ );  // 初始化MT（监视器）任务  
20. #endif    
21.   APS_Init( taskID++ );  // 初始化APS层任务  
22. #if defined ( ZIGBEE_FRAGMENTATION )    
23.   APSF_Init( taskID++ );  // 初始化APSF层任务  
24. #endif    
25.   ZDApp_Init( taskID++ );  // 初始化ZDApp层任务  
26. #if defined ( ZIGBEE_FREQ_AGILITY ) || defined ( ZIGBEE_PANID_CONFLICT )    
27.   ZDNwkMgr_Init( taskID++ );  // 初始化ZDNwkMgr层任务  
28. #endif    
29.   // Added to include TouchLink functionality     
30.   #if defined ( INTER_PAN )    
31.     StubAPS_Init( taskID++ );  // 初始化StubAPS层任务  
32.   #endif    
33.   // Added to include TouchLink initiator functionality     
34.   #if defined( BDB_TL_INITIATOR )    
35.     touchLinkInitiator_Init( taskID++ ); // 初始化touchLink任务  
36.   #endif    
37.   // Added to include TouchLink target functionality     
38.   #if defined ( BDB_TL_TARGET )    
39.     touchLinkTarget_Init( taskID++ );  // 初始化touchLink任务  
40.   #endif    
41.   zcl_Init( taskID++ );  // 初始化ZCL任务  
42.   bdb_Init( taskID++ );  // 初始化BDB任务  
43.   
44.   zclSampleSw_Init( taskID++ );  // 初始化应用层任务  
45.       
46. #if (defined OTA_CLIENT) && (OTA_CLIENT == TRUE)    
47.   zclOTA_Init( taskID );  // 初始化OTA层任务  
48. #endif    
49. }    

taskID其实就是任务的标识符，系统轮询也是根据taskID来的，taskID越小表示的是该任务的优先级越高（因为系统更早的轮询到该任务）；实际上用户的开发是集中在应用层上面的，比如这里的zclSampleSw_Init函数初始化的就是应用层的任务，而且是针对智能插座的应用，大家会发现除了不同应用的应用层初始化函数名称不一样之外，其他都是一样的。接下来我们将进入到系统轮询函数：

* osal_start_system() -> osal_run_system()：

1. void osal_run_system( void )    
2. {    
3.   uint8 idx = 0;    
4.     
5.   /* 更新时间，并整理出到期的任务，系统的时钟周期是：320US */  
6.   osalTimeUpdate();  
7.   Hal_ProcessPoll();  // 硬件适配层中断查询  
8.     
9.   do {    
10.     if (tasksEvents[idx])      // 查看是否有任务需要处理  
11.     {    
12.       break;    
13.     }    
14.   } while (++idx < tasksCnt);  // 轮询整个任务池  
15.     
16.   if (idx < tasksCnt)  // 找到需要处理的任务  
17.   {    
18.     uint16 events;    
19.     halIntState_t intState;   
20.     HAL_ENTER_CRITICAL_SECTION(intState);  // 关中断  
21.     events = tasksEvents[idx];      // 任务需要处理的所有事件  
22.     tasksEvents[idx] = 0;  // Clear the Events for this task.    
23.     HAL_EXIT_CRITICAL_SECTION(intState);   // 恢复中断  
24.     
25.     activeTaskID = idx;    
26.     events = (tasksArr[idx])( idx, events ); // 处理任务中的事件  
27.     activeTaskID = TASK_NO_TASK;    
28.     
29.     HAL_ENTER_CRITICAL_SECTION(intState);  // 关中断  
30.     tasksEvents[idx] |= events;  // 保存还没被处理的事件到任务中  
31.     HAL_EXIT_CRITICAL_SECTION(intState);   // 恢复中断  
32.   }    
33. #if defined( POWER_SAVING ) && !defined(USE_ICALL)    
34.  else// Complete pass through all task events with no activity? {    
35.     osal_pwrmgr_powerconserve(); // 没有任务需要处理则进入低功耗  
36.  }    
37. #endif    
38.     
39.   /* Yield in case cooperative scheduling is being used. */    
40. #if defined (configUSE_PREEMPTION)&&(configUSE_PREEMPTION == 0) {    
41.     osal_task_yield();    
42.  }    
43. #endif    

注：源程序不止上面这么多的，为了简化程序方便理解，我们删除了那些没有使用到的代码！！！“处理任务中的事件”会在下一节课讲解到！

系统轮询是轮询每一层（任务），但是任务是由多个事件组成的，也就是说轮询到需要处理的任务时，是需要处理该任务相应的已经到时间的事件，而有些事件还没到时间所以不会被处理，等待下次时间到了再处理！

这里需要重新提一下：ZStack每一层的任务实际上是可以包含多个事件的，比如我们应用层任务可以同时包含“开灯1”和“关灯2”、“获取温湿度”等事件，只不过不一定在同一时间被执行，比如“开灯1”执行后再过3秒才会执行“关灯2”这个动作！

4.2  ZStack应用层

我们“系统篇”的程序大部分是在应用层进行讲解的，应用层：

我们首先进入到OSAL_SampleSw.c这个文件中，这个文件中只有一个函数：osalInitTasks()，这个函数在上一节课已经讲过，功能是初始化任务池；这个文件和OSAL关系密切，里面有一个数组：

1. const pTaskEventHandlerFn tasksArr[] = {    
2.   macEventLoop,    
3.   nwk_event_loop,    
4. #if !defined (DISABLE_GREENPOWER_BASIC_PROXY) && (ZG_BUILD_RTR_TYPE)    
5.   gp_event_loop,    
6. #endif      
7.   Hal_ProcessEvent,    
8. #if defined( MT_TASK )    
9.   MT_ProcessEvent,    
10. #endif    
11.   APS_event_loop,    
12. #if defined ( ZIGBEE_FRAGMENTATION )    
13.   APSF_ProcessEvent,    
14. #endif    
15.   ZDApp_event_loop,    
16. #if defined ( ZIGBEE_FREQ_AGILITY ) || defined ( ZIGBEE_PANID_CONFLICT )    
17.   ZDNwkMgr_event_loop,    
18. #endif    
19.   //Added to include TouchLink functionality    
20.   #if defined ( INTER_PAN )    
21.     StubAPS_ProcessEvent,    
22.   #endif    
23.   // Added to include TouchLink initiator functionality    
24.   #if defined ( BDB_TL_INITIATOR )    
25.     touchLinkInitiator_event_loop,    
26.   #endif    
27.   // Added to include TouchLink target functionality    
28.   #if defined ( BDB_TL_TARGET )    
29.     touchLinkTarget_event_loop,    
30.   #endif    
31.   zcl_event_loop,    
32.   bdb_event_loop,    
33.   zclSampleSw_event_loop,    
34. #if (defined OTA_CLIENT) && (OTA_CLIENT == TRUE)    
35.   zclOTA_event_loop    
36. #endif    
37. };    

细心的同学可以发现，这里面的程序和初始化任务池函数osalInitTasks()的内容是对应的，那么这个数组有什么用呢？数组中的成员名称都带有“event”这个关键字！其实这个数组中存放的是函数，是每一层任务的事件处理函数，我们前面讲过，任务包含多个事件，事件的处理函数就在这里了！！

比如应用层任务的事件处理函数是：zclSampleSw_event_loop

接下来我们进入应用层最主要的文件中：

这个文件中我们可以找到两个函数（240行和303行）：

函数zclSampleSw_Init()是应用层（任务）的初始化函数，我们先前讲过；而另一个函数zclSampleSw_event_loop()是应用层的事件处理函数，也就是说应用层有事件需要处理时，就会来到这个函数。到这里我们就将OSAL和应用层的关系理清了！

事件的编码方式：

我们可以看到应用层的事件处理函数（其它层的处理函数的参数是一样的），uint16 zclSampleSw_event_loop( uint8 task_id, uint16 events )，其中函数参数 uint16 events说明事件是16位的变量所表示的，那是不是最多有65536个事件呢？答案是：“NO!”；这和事件的编码方式密切相关！

ZStack的事件编码方式采用“独热码（one-hot code）”，“独热码”直观来说就是有多少个状态就有多少比特位，比如uint16有16个比特位可以代表16种状态。另外，ZStack事件分为“系统事件”和“用户事件”两种，uint16的最高位为1时表示“系统事件”，为0表示“用户事件”，那么剩下的15位就是15种事件了；总结一下就是：ZStack每一层最多可以有15个用户事件！

uint16 events最高位为0才表示用户事件，所以用户事件有如下15种：

例：我们定义用户事件可以这样定义（在zcl_samplesw.h中进行定义）：

#define  USER_TEST_EVT       0x0001

下节课我们会讲如何设置、运行一个事件！

4.3  ZStack事件的应用

* 定义用户事件：

我们以应用层为例，在zcl_samplesw.h中定义一个自己的用户事件：

* 处理用户事件（在samplesw.c的函数zclSampleSw_event_loop中）：

1. uint16 zclSampleSw_event_loop( uint8 task_id, uint16 events )  
2. {    
3.   afIncomingMSGPacket_t *MSGpkt;    
4.   (void)task_id;  // Intentionally unreferenced parameter    
5.         
6.   /* SYS_EVENT_MSG：0x8000表示系统事件，也就是说检测uint16最高位 */  
7.   if ( events & SYS_EVENT_MSG )    
8.   {    
9.     .........   // 系统事件暂且不讲解  
10.       
11.     /* 消除已经处理的事件然后返回未处理的事件！ */  
12.     return (events ^ SYS_EVENT_MSG);   
13.   }      
14.     
15. #if ZG_BUILD_ENDDEVICE_TYPE        
16.   if ( events & SAMPLEAPP_END_DEVICE_REJOIN_EVT )  // 用户事件  
17.   {    
18.     bdb_ZedAttemptRecoverNwk();    
19.     return ( events ^ SAMPLEAPP_END_DEVICE_REJOIN_EVT );    
20.   }    
21. #endif    
22.     
23.   if ( events & SAMPLEAPP_LCD_AUTO_UPDATE_EVT )  // 用户事件  
24.   {    
25.     UI_UpdateLcd();    
26.     return ( events ^ SAMPLEAPP_LCD_AUTO_UPDATE_EVT );    
27.   }    
28.     
29.   if ( events & SAMPLEAPP_KEY_AUTO_REPEAT_EVT )  // 用户事件  
30.   {    
31.     UI_MainStateMachine(UI_KEY_AUTO_PRESSED);    
32.     return ( events ^ SAMPLEAPP_KEY_AUTO_REPEAT_EVT );    
33.   }    
34.       
35.   // Test Event    
36.   if ( events & SAMPLEAPP_TEST_EVT )  // 用户事件，自定义！  
37.   {    
38.     printf("Hello World!\r\n");    
39.         
40.     return ( events ^ SAMPLEAPP_TEST_EVT );    
41.   }    
42.       
43.   // Discard unknown events    
44.   return 0;    
45. }    

事件首先进行检测，也就是events & ....，其实是通过检测对应的比特位是否存在，如果存在表示有该事件，进行处理，处理完成后必须消除该事件所对应的比特位events ^ ....，然后返回其他未处理的事件。我们程序很简单，只是通过printf("Hello World!\r\n");打印出信息！

* 设置用户事件：

设置用户事件是有专门的API的，这个API是由OSAL所提供，因此首先我们要理解OSAL有哪些文件，分别有什么功能；OSAL除了做系统轮询进行任务事件调度外，也提供比如内存管理、Flash管理、电源管理、系统定时器服务等等这些基本功能。

展开OSAL内容如下：

设置用户事件的API在OSAL_Timers.h中：

uint8 osal_start_timerEx(uint8 task_id,uint16 event_id,uint32 timeout_value);

这个函数有三个参数：

task_id：任务ID，也就是具体那一层（任务）的标识符。

event_id：事件ID，也就是任务中的哪一个事件。

timeout_value：多少毫秒后才处理这个事件。

如果我们希望3秒后处理我们自定义的事件，可以这样调用API，调用的位置在应用层初始化函数（zclSampleSw_Init()）的最后位置：

osal_start_timerEx(zclSampleSw_TaskID,SAMPLEAPP_TEST_EVT, 3000);

其中zclSampleSw_TaskID是一个全局变量，保存应用层的任务ID，保存的过程是在应用层初始化函数一开始：
     

最终设置用户事件的代码如下：

** 调试仿真

点击”Make”对工程进行编译：

然后通过仿真器连接开发板和电脑的USB口，然后将程序烧录到开发板中并进入仿真中，调出“Terminal  I/O”窗口，最后“全速运行程序”：

 

可以看到，3秒后系统轮询发现应用层有任务需要处理，所以调度相应的任务处理函数（zclSampleSw_event_loop），任务处理函数中找到需要处理的事件进行处理（打印出“Hello World!”）。

本节课的内容虽然有点多，但却非常重要，是我们后续课程的基础，希望大家能够掌握，为后面课程打下良好的基础！！！

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