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zigbee系統篇——ZStack系統抽象層詳解

阿新 • • 發佈：2020-10-11

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=====CUT=====

*** 本章學習目的 ***

1）理解Z-Stack3.0系統抽象層（OSAL）。

2）掌握OSAL的使用。

4.1 OSAL的執行過程

OSAL也就是系統抽象層，其實並不是真正意義上的作業系統，不過實現了協議棧（ZStack）執行所必需的任務排程功能、記憶體管理、中斷管理等基本功能。為了方便學習，我們將工程進行的裁剪，去除文件和附件，只留下協議棧的元件和工程檔案：

本節課我們使用的和上節課一樣的工程進行講解（不同工程只是在應用層不一樣，工程的結構是一樣的）：

開啟工程：

* 我們先進入ZMain.c這個檔案，並且找到main入口函式：

入口函式main的工作有兩個：初始化、系統輪詢（進行任務排程）。

  1. intmain(void)
  2. {
  3. //Turnoffinterrupts
  4. osal_int_disable(INTS_ALL); // 關閉所有中斷
  6. //InitializationforboardrelatedstuffsuchasLEDs
  7. HAL_BOARD_INIT(); // 初始化板載資源，比如PA、時鐘源等
  9. //Makesuresupplyvoltageishighenoughtorun
  10. zmain_vdd_check();// 檢測供電電壓是否可以支撐晶片正常執行
  12. //InitializeboardI/O
  13. InitBoard(OB_COLD);// 初始化板載I/O，比如按鍵配置為輸入
  15. //InitialzeHALdrivers
  16. HalDriverInit();// 初始化硬體適配層，比如串列埠、顯示器等
  18. //InitializeNVSystem
  19. osal_nv_init(NULL);// 初始化NV（晶片內部FLASH的一塊空間）
  21. //InitializetheMAC
  22. ZMacInit();// 初始化MAC層（資料鏈路層）
  24. //Determinetheextendedaddress
  25. zmain_ext_addr();// 確定晶片的實體地址
  27. #ifdefinedZCL_KEY_ESTABLISH
  28. //InitializetheCerticomcertificateinformation.
  29. zmain_cert_init();// 初始化認證資訊
  30. #endif
  32. //InitializebasicNVitems
  33. zgInit();// 初始化儲存在NV中的協議棧全域性資訊，如網路啟動方式等
  35. #ifndefNONWK
  36. //SincetheAFisn'tatask,callit'sinitializationroutine
  37. afInit();// 初始化AF(射頻)
  38. #endif
  40. //Initializetheoperatingsystem
  41. osal_init_system();// 初始化OSAL(作業系統抽象層)
  43. //Allowinterrupts
  44. osal_int_enable(INTS_ALL);// 使能所有中斷
  46. //Finalboardinitialization
  47. InitBoard(OB_READY);// 初始化板載IO資源，比如按鍵
  49. //Displayinformationaboutthisdevice
  50. zmain_dev_info();// 在顯示器上顯示裝置實體地址
  52. /*DisplaythedeviceinfoontheLCD*/
  53. #ifdefLCD_SUPPORTED
  54. zmain_lcd_init();// 在顯示器上顯示裝置資訊，比如製造商等
  55. #endif
  59. #ifdefWDT_IN_PM1
  60. /*IfWDTisused,thisisagoodplacetoenableit.*/
  61. WatchDogEnable(WDTIMX);// 啟動看門狗功能
  62. #endif
  64. /* 進入系統輪詢 */
  65. osal_start_system();//NoReturnfromhere
  68. return0;//Shouldn'tgethere.
  69. }//main()

重點的兩個函式：

//Initializetheoperatingsystem

osal_init_system();// 初始化OSAL(作業系統抽象層)

/* 進入系統輪詢 */

osal_start_system();//NoReturnfromhere

我們在“2. 作業系統的排程原理”中講到了系統輪詢，輪詢的是任務池；這兩個函式其實做的事情原理是一樣的。osal_init_system()初始化了任務池，osal_start_system()基於排程週期在任務池中進行任務排程！用IAR看程式碼可在函式名上單擊右鍵—— go to definition of…，便可以進入函式。

* osal_init_system()：

  1. uint8osal_init_system(void)
  2. {
  3. #if!definedUSE_ICALL&&!definedOSAL_PORT2TIRTOS
  4. //InitializetheMemoryAllocationSystem
  5. osal_mem_init();//初始化記憶體堆疊，用於動態記憶體申請、釋放
  6. #endif/*!definedUSE_ICALL&&!definedOSAL_PORT2TIRTOS*/
  8. //Initializethemessagequeue
  9. osal_qHead=NULL;//初始化訊息佇列
  11. //Initializethetimers
  12. osalTimerInit();//初始化系統時鐘，系統輪詢週期的基礎
  14. //InitializethePowerManagementSystem
  15. osal_pwrmgr_init();//初始化電源管理，主要用於低功耗
  17. #ifdefUSE_ICALL
  18. /*Preparememoryspaceforserviceenrollment*/
  19. osal_prepare_svc_enroll();
  20. #endif/*USE_ICALL*/
  22. //Initializethesystemtasks.
  23. osalInitTasks();//初始化任務池
  25. #if!definedUSE_ICALL&&!definedOSAL_PORT2TIRTOS
  26. //Setupefficientsearchforthefirstfreeblockofheap.
  27. osal_mem_kick();
  28. #endif/*!definedUSE_ICALL&&!definedOSAL_PORT2TIRTOS*/
  30. #ifdefUSE_ICALL
  31. //InitializevariablesusedtotracktimingandprovideOSALtimerservice
  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();
  36. /*Reduceceilingconsideringpotentiallatency*/
  37. osal_max_msecs-=2;
  38. #endif/*USE_ICALL*/
  40. return(SUCCESS);
  41. }

重要的函式： osalInitTasks();// 初始化任務池

我們知道ZStack框架上是分層的，比如HAL（硬體適配層）、OSAL（系統抽象層）、MAC（資料鏈路層）、MT（監視器）、APP（應用層）等等；這一點很重要，因為ZStack框架設計上每一層都是任務池中的任務，而且任務是具有優先順序的；系統在輪詢進行任務排程時，會掃描每一層，如果發現有任務並且任務已經到期就會被處理！

* osalInitTasks()：

  1. voidosalInitTasks(void)
  2. {
  3. uint8taskID=0;
  5. /*申請任務池記憶體空間並進行初始化*/
  6. tasksEvents=(uint16*)osal_mem_alloc(sizeof(uint16)*tasksCnt);
  7. osal_memset(tasksEvents,0,(sizeof(uint16)*tasksCnt));
  9. /*下面是初始化各個層的任務，有些名稱不認識是因為和
  10. ZigBee協議有關，我們暫且忽略，後面篇章會講解到！
  11. */
  12. macTaskInit(taskID++);//初始化MAC（資料鏈路層）任務
  13. nwk_init(taskID++);//初始化網路層任務
  14. #if!defined(DISABLE_GREENPOWER_BASIC_PROXY)&&(ZG_BUILD_RTR_TYPE)
  15. gp_Init(taskID++);//初始化GP層任務
  16. #endif
  17. Hal_Init(taskID++);//初始化HAL（硬體適配層）任務
  18. #ifdefined(MT_TASK)
  19. MT_TaskInit(taskID++);//初始化MT（監視器）任務
  20. #endif
  21. APS_Init(taskID++);//初始化APS層任務
  22. #ifdefined(ZIGBEE_FRAGMENTATION)
  23. APSF_Init(taskID++);//初始化APSF層任務
  24. #endif
  25. ZDApp_Init(taskID++);//初始化ZDApp層任務
  26. #ifdefined(ZIGBEE_FREQ_AGILITY)||defined(ZIGBEE_PANID_CONFLICT)
  27. ZDNwkMgr_Init(taskID++);//初始化ZDNwkMgr層任務
  28. #endif
  29. //AddedtoincludeTouchLinkfunctionality
  30. #ifdefined(INTER_PAN)
  31. StubAPS_Init(taskID++);//初始化StubAPS層任務
  32. #endif
  33. //AddedtoincludeTouchLinkinitiatorfunctionality
  34. #ifdefined(BDB_TL_INITIATOR)
  35. touchLinkInitiator_Init(taskID++);//初始化touchLink任務
  36. #endif
  37. //AddedtoincludeTouchLinktargetfunctionality
  38. #ifdefined(BDB_TL_TARGET)
  39. touchLinkTarget_Init(taskID++);//初始化touchLink任務
  40. #endif
  41. zcl_Init(taskID++);//初始化ZCL任務
  42. bdb_Init(taskID++);//初始化BDB任務
  44. zclSampleSw_Init(taskID++);//初始化應用層任務
  46. #if(definedOTA_CLIENT)&&(OTA_CLIENT==TRUE)
  47. zclOTA_Init(taskID);//初始化OTA層任務
  48. #endif
  49. }

taskID其實就是任務的識別符號，系統輪詢也是根據taskID來的，taskID越小表示的是該任務的優先順序越高（因為系統更早的輪詢到該任務）；實際上使用者的開發是集中在應用層上面的，比如這裡的zclSampleSw_Init函式初始化的就是應用層的任務，而且是針對智慧插座的應用，大家會發現除了不同應用的應用層初始化函式名稱不一樣之外，其他都是一樣的。接下來我們將進入到系統輪詢函式：

* osal_start_system() -> osal_run_system()：

  1. voidosal_run_system(void)
  2. {
  3. uint8idx=0;
  5. /*更新時間，並整理出到期的任務，系統的時鐘週期是：320US*/
  6. osalTimeUpdate();
  7. Hal_ProcessPoll();//硬體適配層中斷查詢
  9. do{
  10. if(tasksEvents[idx])//檢視是否有任務需要處理
  11. {
  12. break;
  13. }
  14. }while(++idx<tasksCnt);//輪詢整個任務池
  16. if(idx<tasksCnt)//找到需要處理的任務
  17. {
  18. uint16events;
  19. halIntState_tintState;
  20. HAL_ENTER_CRITICAL_SECTION(intState);//關中斷
  21. events=tasksEvents[idx];//任務需要處理的所有事件
  22. tasksEvents[idx]=0;//CleartheEventsforthistask.
  23. HAL_EXIT_CRITICAL_SECTION(intState);//恢復中斷
  25. activeTaskID=idx;
  26. events=(tasksArr[idx])(idx,events);//處理任務中的事件
  27. activeTaskID=TASK_NO_TASK;
  29. HAL_ENTER_CRITICAL_SECTION(intState);//關中斷
  30. tasksEvents[idx]|=events;//儲存還沒被處理的事件到任務中
  31. HAL_EXIT_CRITICAL_SECTION(intState);//恢復中斷
  32. }
  33. #ifdefined(POWER_SAVING)&&!defined(USE_ICALL)
  34. else//Completepassthroughalltaskeventswithnoactivity?{
  35. osal_pwrmgr_powerconserve();//沒有任務需要處理則進入低功耗
  36. }
  37. #endif
  39. /*Yieldincasecooperativeschedulingisbeingused.*/
  40. #ifdefined(configUSE_PREEMPTION)&&(configUSE_PREEMPTION==0){
  41. osal_task_yield();
  42. }
  43. #endif

注：源程式不止上面這麼多的，為了簡化程式方便理解，我們刪除了那些沒有使用到的程式碼！！！“處理任務中的事件”會在下一節課講解到！

系統輪詢是輪詢每一層（任務），但是任務是由多個事件組成的，也就是說輪詢到需要處理的任務時，是需要處理該任務相應的已經到時間的事件，而有些事件還沒到時間所以不會被處理，等待下次時間到了再處理！

這裡需要重新提一下：ZStack每一層的任務實際上是可以包含多個事件的，比如我們應用層任務可以同時包含“開燈1”和“關燈2”、“獲取溫溼度”等事件，只不過不一定在同一時間被執行，比如“開燈1”執行後再過3秒才會執行“關燈2”這個動作！

4.2 ZStack應用層

我們“系統篇”的程式大部分是在應用層進行講解的，應用層：

我們首先進入到OSAL_SampleSw.c這個檔案中，這個檔案中只有一個函式：osalInitTasks()，這個函式在上一節課已經講過，功能是初始化任務池；這個檔案和OSAL關係密切，裡面有一個數組：

  1. constpTaskEventHandlerFntasksArr[]={
  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. #ifdefined(MT_TASK)
  9. MT_ProcessEvent,
  10. #endif
  11. APS_event_loop,
  12. #ifdefined(ZIGBEE_FRAGMENTATION)
  13. APSF_ProcessEvent,
  14. #endif
  15. ZDApp_event_loop,
  16. #ifdefined(ZIGBEE_FREQ_AGILITY)||defined(ZIGBEE_PANID_CONFLICT)
  17. ZDNwkMgr_event_loop,
  18. #endif
  19. //AddedtoincludeTouchLinkfunctionality
  20. #ifdefined(INTER_PAN)
  21. StubAPS_ProcessEvent,
  22. #endif
  23. //AddedtoincludeTouchLinkinitiatorfunctionality
  24. #ifdefined(BDB_TL_INITIATOR)
  25. touchLinkInitiator_event_loop,
  26. #endif
  27. //AddedtoincludeTouchLinktargetfunctionality
  28. #ifdefined(BDB_TL_TARGET)
  29. touchLinkTarget_event_loop,
  30. #endif
  31. zcl_event_loop,
  32. bdb_event_loop,
  33. zclSampleSw_event_loop,
  34. #if(definedOTA_CLIENT)&&(OTA_CLIENT==TRUE)
  35. zclOTA_event_loop
  36. #endif
  37. };

細心的同學可以發現，這裡面的程式和初始化任務池函式osalInitTasks()的內容是對應的，那麼這個陣列有什麼用呢？陣列中的成員名稱都帶有“event”這個關鍵字！其實這個陣列中存放的是函式，是每一層任務的事件處理函式，我們前面講過，任務包含多個事件，事件的處理函式就在這裡了！！

比如應用層任務的事件處理函式是：zclSampleSw_event_loop

接下來我們進入應用層最主要的檔案中：

這個檔案中我們可以找到兩個函式（240行和303行）：

函式zclSampleSw_Init()是應用層（任務）的初始化函式，我們先前講過；而另一個函式zclSampleSw_event_loop()是應用層的事件處理函式，也就是說應用層有事件需要處理時，就會來到這個函式。到這裡我們就將OSAL和應用層的關係理清了！

事件的編碼方式：

我們可以看到應用層的事件處理函式（其它層的處理函式的引數是一樣的），uint16 zclSampleSw_event_loop( uint8 task_id, uint16 events )，其中函式引數 uint16 events說明事件是16位的變數所表示的，那是不是最多有65536個事件呢？答案是：“NO!”；這和事件的編碼方式密切相關！

ZStack的事件編碼方式採用“獨熱碼（one-hot code）”，“獨熱碼”直觀來說就是有多少個狀態就有多少位元位，比如uint16有16個位元位可以代表16種狀態。另外，ZStack事件分為“系統事件”和“使用者事件”兩種，uint16的最高位為1時表示“系統事件”，為0表示“使用者事件”，那麼剩下的15位就是15種事件了；總結一下就是：ZStack每一層最多可以有15個使用者事件！

uint16 events最高位為0才表示使用者事件，所以使用者事件有如下15種：

例：我們定義使用者事件可以這樣定義（在zcl_samplesw.h中進行定義）：

#define USER_TEST_EVT 0x0001

下節課我們會講如何設定、執行一個事件！

4.3 ZStack事件的應用

* 定義使用者事件：

我們以應用層為例，在zcl_samplesw.h中定義一個自己的使用者事件：

* 處理使用者事件（在samplesw.c的函式zclSampleSw_event_loop中）：

  1. uint16zclSampleSw_event_loop(uint8task_id,uint16events)
  2. {
  3. afIncomingMSGPacket_t*MSGpkt;
  4. (void)task_id;//Intentionallyunreferencedparameter
  6. /*SYS_EVENT_MSG：0x8000表示系統事件，也就是說檢測uint16最高位*/
  7. if(events&SYS_EVENT_MSG)
  8. {
  9. .........//系統事件暫且不講解
  11. /*消除已經處理的事件然後返回未處理的事件！*/
  12. return(events^SYS_EVENT_MSG);
  13. }
  15. #ifZG_BUILD_ENDDEVICE_TYPE
  16. if(events&SAMPLEAPP_END_DEVICE_REJOIN_EVT)//使用者事件
  17. {
  18. bdb_ZedAttemptRecoverNwk();
  19. return(events^SAMPLEAPP_END_DEVICE_REJOIN_EVT);
  20. }
  21. #endif
  23. if(events&SAMPLEAPP_LCD_AUTO_UPDATE_EVT)//使用者事件
  24. {
  25. UI_UpdateLcd();
  26. return(events^SAMPLEAPP_LCD_AUTO_UPDATE_EVT);
  27. }
  29. if(events&SAMPLEAPP_KEY_AUTO_REPEAT_EVT)//使用者事件
  30. {
  31. UI_MainStateMachine(UI_KEY_AUTO_PRESSED);
  32. return(events^SAMPLEAPP_KEY_AUTO_REPEAT_EVT);
  33. }
  35. //TestEvent
  36. if(events&SAMPLEAPP_TEST_EVT)//使用者事件，自定義！
  37. {
  38. printf("HelloWorld!\r\n");
  40. return(events^SAMPLEAPP_TEST_EVT);
  41. }
  43. //Discardunknownevents
  44. return0;
  45. }

事件首先進行檢測，也就是events & ....，其實是通過檢測對應的位元位是否存在，如果存在表示有該事件，進行處理，處理完成後必須消除該事件所對應的位元位events ^ ....，然後返回其他未處理的事件。我們程式很簡單，只是通過printf("Hello World!\r\n");打印出資訊！

* 設定使用者事件：

設定使用者事件是有專門的API的，這個API是由OSAL所提供，因此首先我們要理解OSAL有哪些檔案，分別有什麼功能；OSAL除了做系統輪詢進行任務事件排程外，也提供比如記憶體管理、Flash管理、電源管理、系統定時器服務等等這些基本功能。

展開OSAL內容如下：

設定使用者事件的API在OSAL_Timers.h中：

uint8osal_start_timerEx(uint8task_id,uint16event_id,uint32timeout_value);

這個函式有三個引數：

task_id：任務ID，也就是具體那一層（任務）的識別符號。

event_id：事件ID，也就是任務中的哪一個事件。

timeout_value：多少毫秒後才處理這個事件。

如果我們希望3秒後處理我們自定義的事件，可以這樣呼叫API，呼叫的位置在應用層初始化函式（zclSampleSw_Init()）的最後位置：

osal_start_timerEx(zclSampleSw_TaskID,SAMPLEAPP_TEST_EVT, 3000);

其中zclSampleSw_TaskID是一個全域性變數，儲存應用層的任務ID，儲存的過程是在應用層初始化函式一開始：

最終設定使用者事件的程式碼如下：

** 除錯模擬

點選”Make”對工程進行編譯：

然後通過模擬器連線開發板和電腦的USB口，然後將程式燒錄到開發板中並進入模擬中，調出“Terminal I/O”視窗，最後“全速執行程式”：

可以看到，3秒後系統輪詢發現應用層有任務需要處理，所以排程相應的任務處理函式（zclSampleSw_event_loop），任務處理函式中找到需要處理的事件進行處理（打印出“Hello World!”）。

本節課的內容雖然有點多，但卻非常重要，是我們後續課程的基礎，希望大家能夠掌握，為後面課程打下良好的基礎！！！

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