Mate 出自Philip Levis 的微型虚拟机

毫无疑问这个虚拟机并不成功，因为它把简单的事变复杂了，使用类似汇编形式的语言，使得编程更加复杂…… 当然Mate 也使得网络重编程变得可能，不过这点好处并不能弥补其带来的编程复杂性。不过，作者也说了，Mate 只是基础，他们还要设计高层次的程序设计语言和编程模型来支持更好的抽象。

不管怎样，Mate 的想法很新颖，其将虚拟机引入WSN领域，从另一个层面上加强了微型操作系统的功能，下面我们就来看看Mate 到底长得是什么模样。
首先先上一段Mate 使用的源代码，直观的了解下使用Mate 编程的困难：

pushc    1 # Push one onto operand stack
add        # Add the one to the stored counter
copy       # Copy the new counter value
pushc    7 
and        # Take bottom three bits of copy
putled     # Set the LEDS to these three bits
halt

其中要说明的是，counter 在上述程序执行前已经存在于stack 中，执行过程中堆栈的变化如图-1所示。

     
图-1 堆栈变化

看见没有，差不多就是汇编，这样做编译器是方便设计了，基本上不用去管语义方面的内容。但没有高层抽象和适当的编程模型，如果让网络管理人员使用这样工具去管理网络……
使用这样的语言编写出代码，再经过编译器编译就行了Mate 可以执行的字节码，使用网络发送到安装有Mate 解释器的节点中，节点受到Receive Event 后，判断收到的Capsule 的版本是否比已有的版本新，如果新，则节点安装新的Capsule（含有一些名词，下文中会解释）。

OK. First things first. Mate 是针对字节码大小与运行时功耗优化的，运行于WSN 网络中节点中的解释器。其主要带来的好处是使得节点网络重编程变得方便易行，还加强的操作系统所欠缺的系统保护功能（不会一个用户程序错误影响整个系统稳定性）；此外，Mate 是基于TinyOS 的，其还隐藏了TinyOS 中关于同步的部分。也就是说，Mate 中执行的程序肯定是同步好的，其实其就是将可能造成同步问题的部分设计成不能并行执行，比如说send 一个数据包，因为发送缓冲只有一个，如果没有同步那么好，有可能造成缓冲区被覆盖的情况，Mate 的策略就是Run  to finished. 感觉没什么新鲜，事件驱动的系统设计本来就应该是这个样子。这里要注意的是，TinyOS 也是事件驱动的操作系统，但其并没有强制用户在发送数据包时要等待发送成功，或是不允许其他进程不能写缓冲，而使用Mate 就从根本上杜绝了不同步的情况，其send 指令强制等待send 结果，而后才能继续执行……

Mate 另一大重要特点是基于堆栈。这么做的好处就是使得编译出的字节码很简洁，因为大部分指令中不含有操作数，操作数存在于堆栈之中。受传统CPU 设计影响，Mate 的堆栈设计是有上下文的。例如Arm 中的系统态、用户态、调试态等等，每个上下文中都有专属的堆栈与PC 指针；与传统计算机系统需要手动在各个上下文中切换不同，Mate 中使用哪个上下文视乎于是哪个Event 引发了Mate 的执行（TinyOS的基础知识这里就不补充了，需要的话可以看看^[2]）。其中总共有三种Events 可以触发Mate 运行，分别是：clock timers（定时执行的部分），message receptions 以及message send requests。嗯，上一张Mate 架构图解可以看得更清楚一些。

图-2 Mate系统架构

图-2中绿色标识的是引发Mate 执行的三个Events，每个Event 都有属于自己的Context，而调用Subroutine 时就使用调用者的Context。

Capsules，这个概念让我想到龙珠…… 难道P.L也是龙珠饭？Mate 的程序被分解成一个个的Capsules 而每个Capsule 又是由最多24条指令所组成（每条指令固定一个字节），这样就限制了每个Capsule 的大小，使其能够在一个802.15.4的帧中进行传递。Capsules 之间通过Subroutine 进行相互调用，一般简单的应用完全可以浓缩在一个Capsule 内。OK，说到这里肯定会有疑问，怎么使用Capsule？其实上文中已经有了线索，通过三大事件“Clock”、“Send”和“Receive”由系统自动进行调用。那系统又是怎么判别来事件时该调用哪一个Capsule 呢？很好，这就引出了Capsule 的类别，共有4种Capsule，分别是“message send  capsules”、“message receive capsule”、“timer capsule”和“subroutine capsule”。前三种对应三大事件，最后一种在Capsule 内部被调用，嗯，就是这个样子，具体怎么注册，怎么查找Capsule 要依实现而定了，但都应该不是很复杂。

总的来说Mate 执行的是一种通用的程序设计语言设计出来的代码，但我们真的需要这么通用的设计吗？可能并不一定，也许我们只需要解释器能执行基本的Rules（专家系统）就行了，具体复杂的操作交由底层的Module来完成，但Mate 的设计对我们的设计肯定是有借鉴意义的。

差不多Mate 就是这个样子了，需要了解细节的可以去看原文[1]，最后补充一句Mate 其实是Maté 阿根廷的一种类似茶的饮料。

参考文献：

[1] Philip Levis, David Culler. Mate -- A tiny virtual machine for sensor networks. 2002 ACM 1-58113-574-2/02/0010
[2] Philip Levis, TinyOS Programming. http://csl.stanford.edu/~pal/pubs/tinyos-programming.pdf