nesC编程语言简介

1.nesC语言介绍

TinyOS最初是用C语言和汇编语言编写的，但是科研人员的进一步研究发现，C语言不能有效、方便地支持面向传感器网络的应用和操作系统的开发，于是加州大学伯克利分校在C语言的基础上进行了一定的扩展，开发了支持组件化编程的nesC（C language for net-work embedded systems）语言。TinyOS以及基于TinyOS的应用程序都是用nesC编写的。

nesC是一个提供了包含组件机制、事件驱动机制和并发型等特征的编程模式，满足了面向传感网的操作系统和应用程序的设计要求，并降低了复杂度。应用程序由一组可重用的系统组件和专门的应用程序代码组成，不明确区分软硬件界线，随应用程序和硬件平台而变化。用C语言实现的目标代码比较长，而使用nesC语言产生的代码相对较小。一个nesC的应用程序只使用相关的组件，而不需要操作系统的整体运行。所以只要连接需要使用的组件就可以完成功能，生成的代码小且高效。

TinyOS以及基于TinyOS的应用程序是由许多功能独立且相互联系的组件（Component）组成的。一个nesC程序由一个或多个组件组合或连接而成。组件定义了两种——配件（Configuration）和模块（Module），配件定义了程序使用的组件以及组件间的连接关系，模块则是组件的具体实现。一个组件使用或者提供若干接口，组件的接口是实现组件间联系的通道，如果组件实现的函数没有在它的接口中说明，就不能被其他组件使用，这实际上也是组件化编程的一个重要特征。接口的使用者需要实现的一组功能函数，称为事件（Events），接口的提供者需要实现一组功能函数，称为命令（Commands）。可以说接口是一系列声明的有名函数集合，同时接口是连接不同组件的纽带。

2.nesC的基本特点

1）独立的组件（Component）结构：所有nesC的程序都是由不同组件构成的，这些组件按照规则相互连接，最终形成了能实现特定功能的应用程序。组件包含两部分不同的内容，一部分是组件本身的细化，主要包括其应用实例的接口（Interface）名称；另一部分则是组件的功能描述。各组件在内部都是以任务（Task）的形式进行调度，而控制线程可以将一个组件通过接口过渡到另一个组件。我们既可以在任务中创建线程，也可以通过硬件中断来实现对各组件的控制。

2）接口所对应组件功能明确：接口可以由组件提供，同时也可以被组件使用。组件所提供的接口包括该组件要提供给使用者的功能，被使用的接口代表着组件需要完成其任务的具体功能。

3）接口是双向的：这便明确了一系列函数既可以由组件接口的提供者——指令（Com-mand）实现，也可以通过接口的使用者以事件（Events）触发的方式实现调用。这就允许用一个信号接口，表示一个复杂组件之间的交互行为，例如当一个事件发生后，首先注册这个事件的特征信息，其次进行事件的回调。接口的双向性很关键，因为在TinyOS中所有的长指令（如发送数据包），都需要无阻塞的双向传输；我们可以通过信号触发事件的方式来完成数据包的发送。如果只是通过指定接口，一个组件是不能调用发送命令的，除非该组件提供了数据包发送事件的功能。

4）各组件通过其接口以统计的方式进行互联：这种特点会提高程序运行的效率，增强代码设计的健壮性，同时允许对程序进行更好的统计分析。

5）nesC的设计完全依照于整体程序的编译器：这使得开发人员可以更好地分析代码，有利于生成更加高效的代码，其中nesC中的“编译时间数据竞争探测器”便是一个非常典型的例子。

6）nesC中模块的并发性主要是基于任务与中断句柄。nesC编译器中，各中断句柄的并发运行，这种处理方式的优点是：程序的运行效率很高，会大大缩短事件和任务的响应时间；缺点在于：如果事件和任务的数量在短时间内超过了堆栈所能处理的能力，会引起潜在数据竞争，也会影响系统的稳定运行，因此在设计软件时要综合考虑。

由此可以看出nesC是一种类C语言，基于模块化的设计思想更为突出，同时TinyOS提供了丰富的接口，只要开发人员具有C语言基础，便可以在很短时间内开发出高效、可靠、强健壮性的nesC应用程序。这对缩短产品的开发周期，提高开发效率是非常有好处的。

3.nesC语言的组成结构

（1）nesC接口（Interface）

nesC中的接口具有双向功能，它们是实现两个组件之间进行多函数交互的桥梁，这两个组件分别为接口的提供者与接口的使用者。接口所涉及的一系列函数的调用是通过接口提供者以Command方式实现的；而接口使用者通过事件触发的方式对函数进行调用。在此我们介绍接口是如何指定的。

nesC-file：

以上是定义了接口类型的标识符。这个标识符具有全局的作用范围，独立分属于组件和接口类型这两个作用域。因此在所有组件中的接口类型名称彼此区分，但都不与标准C中的声明相冲突。

每个组件类型在声明列表中的声明都有一个独立的作用范围。声明列表必须包含所有函数的声明，必须注明存储类别：指令或是事件，否则在编译过程中会出现错误。

最后可选择的关键字async表示指令或是事件是以中断句柄的方式执行的，同样一个接口可以通过inludes-list引用C文件。以下是一个简单的接口应用：

(www.xing528.com)

所提供的SendMsg接口类型必须实施send指令，而使用者必须触发sendDone事件。

（2）nesC组件（Component）

在nesC中有两种类型的组件，分别称为模块（Module）和配置（Configuration）。模块提供应用程序代码，实现一个或多个接口；配置则是用来将其他组件装配起来的组件，将各个组件所使用的接口与其他组件提供的接口连接在一起。这种行为称为导通（wiring）。每个nesC应用程序都由一个顶级配置所描述，其内容就是将该应用程序所用到的所有组件导通起来，形成一个有机整体。nesC的所有源文件，包括接口、模块和配置，其文件后缀（扩展名）都是“.nc”。既可以是一个模块也可以是一个配置，以下是nesC组件的定义形式。

组件的名称由identifier（标识符）唯一确定，标识符的作用域属于组件与接口类型的作用域。组件可以通过includes-list（头文件列表）有选择性的包含C文件，specification列出了该组件提供或使用的元素，例如接口实例、指令以及事件。一个组件必须执行该组件所提供接口的指令，同时也必须执行其使用接口的事件。除此之外，组件必须实现其所提供的指令和事件。通常情况下，指令是按照硬件组成部分向下执行的，而事件是依照应用组件向上触发的。由此我们可以将nesC应用程序视为，将应用组件置于最顶层的组件图形结构。

（3）nesC模块（Module）

模块是通过C代码来实现一个组件的所有内容，定义方式如下：

translation-unit是一个用C语言声明和定义的列表，nesC顶层对模块translation-unit声明的作用范围属于模块组件的作用域。translation-unit必须实现其提供的所有指令或事件，例如所有直接提供的指令和事件，所有接口提供的指令及事件以及所有接口使用的事件。一个模块可以调用自身所包括的任何指令，同时也可用信号触发其包括的任何事件。这些指令和事件是通过以下的C扩展语义描述实现的。

（4）nesC配置（Configuration）

nesC中的配置文件主要是利用connecting（连接）、wiring（导通）以及包含其他组件来实现一个接口。

图4-12 nesC模块调用关系

通过以上介绍，我们可以将nesC的应用程序概括为以下3种类型：

1）接口定义文件—app.ncc。

2）模块文件—app_P.nc或app_M.nc。

3）配置文件—appC.nc。

模块间的调用关系如图4-12所示，配置文件中“Module B.a→Module A.a”，即表示模块B中的接口a调用了模块A中的接口a，格式为“调用者→提供者”。接口定义文件中定义了接口的成员，但成员的具体实现还需在模块文件的implementation里完成，同时模块中设置了接口类型以便使用。