Mate 出自Philip Levis 的微型虚拟机

毫无疑问这个虚拟机并不成功，由于它把简单的事变复杂了，使用相似汇编形式的语言，使得编程更加复杂…… 固然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，做者也说了，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。

无论怎样，Mate 的想法很新颖，其将虚拟机引入WSN领域，从另外一个层面上增强了微型操做系统的功能，下面咱们就来看看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，执行过程当中堆栈的变化如图-1所示。

     
图-1 堆栈变化

看见没有，差很少就是汇编，这样作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，若是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，再通过编译器编译就好了Mate 能够执行的字节码，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，若是新，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，还增强的操做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 中执行的程序确定是同步好的，其实其就是将可能形成同步问题的部分设计成不能并行执行，好比说send 一个数据包，由于发送缓冲只有一个，若是没有同步那么好，有可能形成缓冲区被覆盖的状况，Mate 的策略就是Run  to finished. 感受没什么新鲜，事件驱动的系统设计原本就应该是这个样子。这里要注意的是，TinyOS 也是事件驱动的操做系统，但其并无强制用户在发送数据包时要等待发送成功，或是不容许其余进程不能写缓冲，而使用Mate 就从根本上杜绝了不一样步的状况，其send 指令强制等待send 结果，然后才能继续执行……

Mate 另外一大重要特色是基于堆栈。这么作的好处就是使得编译出的字节码很简洁，由于大部分指令中不含有操做数，操做数存在于堆栈之中。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，每一个上下文中都有专属的堆栈与PC 指针；与传统计算机系统须要手动在各个上下文中切换不一样，Mate 中使用哪一个上下文视乎因而哪一个Event 引起了Mate 的执行（TinyOS的基础知识这里就不补充了，须要的话能够看看^[2]）。其中总共有三种Events 能够触发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 架构图解能够看得更清楚一些。

图-2 Mate系统架构

图-2中绿色标识的是引起Mate 执行的三个Events，每一个Event 都有属于本身的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 而每一个Capsule 又是由最多24条指令所组成（每条指令固定一个字节），这样就限制了每一个Capsule 的大小，使其可以在一个802.15.4的帧中进行传递。Capsules 之间经过Subroutine 进行相互调用，通常简单的应用彻底能够浓缩在一个Capsule 内。OK，说到这里确定会有疑问，怎么使用Capsule？其实上文中已经有了线索，经过三大事件“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。

总的来讲Mate 执行的是一种通用的程序设计语言设计出来的代码，但咱们真的须要这么通用的设计吗？可能并不必定，也许咱们只须要解释器能执行基本的Rules（专家系统）就好了，具体复杂的操做交由底层的Module来完成，但Mate 的设计对咱们的设计确定是有借鉴意义的。

差很少Mate 就是这个样子了，须要了解细节的能够去看原文[1]，最后补充一句Mate 实际上是Maté 阿根廷的一种相似茶的饮料。

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