현재 IEEE 802.15.4 프로토콜의 MAC layer 표준에 상응하는 2.4GHz대역의 CC2420이 센서 네트워크 플랫폼의 radio chip으로 많이 사용되고 있다. TinyOS 에도 CC2420에 대한 부분이 포함되어 있으며 이는 CC2420을 동작하게 하는 드라이버 부분과 backoff 및 CCA 알고리즘이 추가 구현되어 있다.
이 문서는 TinyOS에서 구현된 CC2420의 동작 원리를 분석하여, RF 메커니즘의 이해를 돕고자 하는데 그 의의가 있다.
1. IEEE 802.15.4 프로토콜
IEEE 802.15.4 의 standard feature는 다음과 같다.
The IEEE 802.15.4-2003 standard
• Data rates of 250 kbps, 40 kbps, and 20 kbps.
• Two addressing modes; 16-bit short and 64-bit IEEE addressing.
• Support for critical latency devices, such as joysticks.
• CSMA-CA channel access.
• Automatic network establishment by the coordinator.
• Fully handshaked protocol for transfer reliability.
• Power management to ensure low power consumption.
• 16 channels in the 2.4GHz ISM band, 10 channels in the 915MHz I and one
channel in the 868MHz band.
또한, CC2420의 간단한 specification을 보면 다음과 같다.
The IEEE 802.15.4-2003 standard
• true single-chip 2.4 GHz (16 channels in ISM band)
• Max data rate : 250Kbps
• Low current consumption (RX: 19.7 mA, TX: 17.4 mA)
위와 같이, CC2420은 IEEE 802.15.4 MAC hardware를 지원 가능하다. CSMA-CA에 대한 부분은 tinyos에서 B-MAC이란 MAC protocol을 사용해서 보완하고 있다.
2. CC2420 driver
CC2420은 MCU와 4-wire SPI-bus configuration interface (SI, SO, SCLK and CSn). 로 연결되어 SPI통신을 통한 동작을 기본으로 한다.
CSN은 SPI Chip select로, SPI 통신의 enable/disable을 담당한다. 일반적으로 low상태일 때, enable이 되고, High 일 때, disable이 된다. SI는 SPI Bus의 Input으로 사용되고, SO는 SPI Bus의 Output으로 사용된다. SCLK는 SPI Bus의 serial clock으로 사용된다.
atmega에서는 SPI를 컨트롤하는 레지스터를 갖고 있어서, 간단한 설정만으로도 SPI통신이 가능하다. 하지만 msp430 계열은 SPI를 컨트롤하는 레지스터가 없기 때문에, UART를 SPI mode로 변경하여 사용한다. TinyOS에서는 SPI mode의 초기화를 각 architectre별로 다음과 같이 구현하고 있다.
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Atmega - 128
TOSH_MAKE_SPI_SCK_OUTPUT();
TOSH_MAKE_MISO_INPUT(); // miso
TOSH_MAKE_MOSI_OUTPUT(); // mosi
sbi (SPSR, SPI2X); // Double speed spi clock
sbi(SPCR, MSTR); // Set master mode
cbi(SPCR, CPOL); // Set proper polarity...
cbi(SPCR, CPHA); // ...and phase
cbi(SPCR, SPR1); // set clock, fosc/2 (~3.6 Mhz)
cbi(SPCR, SPR0);
// sbi(SPCR, SPIE); // enable spi port interrupt
sbi(SPCR, SPE); // enable spi port
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MSP430
async command void USARTControl.setModeSPI() {
//check if we are already in SPI mode
if(call USARTControl.getMode() == USART_SPI)
return;
call USARTControl.disableUART();
call USARTControl.disableI2C();
atomic {
TOSH_SEL_SIMO1_MODFUNC();
TOSH_SEL_SOMI1_MODFUNC();
TOSH_SEL_UCLK1_MODFUNC();
IE2 &= ~(UTXIE1 | URXIE1); // interrupt disable
U1CTL |= SWRST;
U1CTL |= CHAR | SYNC | MM; // 8-bit char, spi-mode, USART as master
U1CTL &= ~(0x20); U1TCTL = STC ; // 3-pin
U1TCTL |= CKPH; // half-cycle delayed UCLK
if (l_ssel & 0x80) {
U1TCTL &= ~(SSEL_0 | SSEL_1 | SSEL_2 | SSEL_3);
U1TCTL |= (l_ssel & 0x7F);
}
else {
U1TCTL &= ~(SSEL_0 | SSEL_1 | SSEL_2 | SSEL_3);
U1TCTL |= SSEL_SMCLK; // use SMCLK, assuming 1MHz
}
if (l_br != 0) {
U1BR0 = l_br & 0x0FF;
U1BR1 = (l_br >> 8) & 0x0FF;
}
else {
U1BR0 = 0x02; // as fast as possible
U1BR1 = 0x00;
}
U1MCTL = 0;
ME2 &= ~(UTXE1 | URXE1); //USART UART module disable
ME2 |= USPIE1; // USART SPI module enable
U1CTL &= ~SWRST;
IFG2 &= ~(UTXIFG1 | URXIFG1);
IE2 &= ~(UTXIE1 | URXIE1); // interrupt disabled
}
return;
}
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위에서 보듯이, atmega는 6~7번의 레지스터 세팅으로 SPI 통신을 초기화 할 수 있지만, msp430은 일반적인 UART 설정을 기본으로 초기화한다. 실제로, 일반 UART 초기화와의 차이점은 SPI module disable/enable을 제어하는 레지스터의 설정밖에 없다.(USPIEx) 초기화 후에, 간단한 SPI read/write function을 기본으로 작성된 여러가지 함수를 이용해서 CC2420을 제어하게 된다. 몇몇 중요 함수들의 예는 다음과 같다.
HPLCC2420.cmd(uint8_t addr) :
• CC2420으로 하나의 command를 보내고, 수신된 status 값을 리턴한다.
HPLCC2420.read(uint8_t addr) :
• CC2420으로부터 16-bit 레지스터 값을 받아온다.
HPLCC2420FIFO.readRXFIFO (uint8_t length, uint8_t *data) :
• RX FIFO 큐로부터 length만큼 값을 받아오고, data에 저장한다.
HPLCC2420FIFO.writeTXFIFO(uint8_t length, uint8_t *data) :
• data에 저장된 length만큼의 데이터를 TX FIFO에 write한다.
이제 이 함수들을 어떻게 사용하여 CC2420을 제어하는지 살펴보자.
CC2420의 드라이버 및 B-MAC이 구현된 부분은 /opt/tinyos-1.x/tos/lib/CC2420Radio 이다. 각 architecture별로 구현된 SPI/SPI응용 함수들을 이용하여 CC2420의 제어가 가능하다.
드라이버에서 가장 처음에 하는 일은 CC2420의 power on, reset toggle 을 하는 것이다.
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//turn on power
call CC2420Control.VREFOn();
// toggle reset
TOSH_CLR_CC_RSTN_PIN();TOSH_wait();
TOSH_SET_CC_RSTN_PIN();TOSH_wait();
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그 다음은 CC2420의 crystal을 enable시킴으로서, CC2420의 동작을 위한 최소한의 하드웨어 설정을 마친다. CC2420으로 CC2420_SXOSCON(0x01)이란 command를 보내면 crystal이 동작하게 된다.
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async command result_t CC2420Control.OscillatorOn() {
......
status = call HPLChipcon.cmd(CC2420_SXOSCON); //turn-on crystal
......
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CC2420의 send 모드는 크게 두가지로 나눌 수 있다. 채널이 clear될 때까지 기다리다가 clear되는 순간 전송을 하는 방식과, 채널의 상태에 관계없이 전송을 하는 방식이다.
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async command result_t CC2420Control.TxMode() {
call HPLChipcon.cmd(CC2420_STXON);
return SUCCESS;
}
//Shift the CC2420 Radio into transmit mode when the next clear channel
is detected.
async command result_t CC2420Control.TxModeOnCCA() {
call HPLChipcon.cmd(CC2420_STXONCCA);
return SUCCESS;
}
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CC2420의 receive모드는 다음과 같다
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async command result_t CC2420Control.RxMode() {
call HPLChipcon.cmd(CC2420_SRXON);
return SUCCESS;
}
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CC2420Control 에 모듈의 초기화, TX/RX 모드 함수, RF power및 frequency 설정을 하는 기본 함수들이 포함되어 있다면, CC2420Radio는 송/수신에 직접적이면서 복잡한 함수들이 포함되어 있다. 송신 함수는 sendPacket(), startSend(), tryToSend()함수로 구현되어 있다. startSend는 말그대로 송신을 시작하는 함수로, TXFIFO에 송신할 패킷을 length만큼 write하게 된다. 이 함수가 종료되면 패킷들이 FIFO에서 송출되기를 기다린다.
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task void startSend() {
// flush the tx fifo of stale data
if (!(call HPLChipcon.cmd(CC2420_SFLUSHTX))) {
sendFailed();
return;
}
// write the txbuf data to the TXFIFO
if (!(call HPLChipconFIFO.writeTXFIFO(txlength+1,(uint8_t*)txbufptr))) {
sendFailed();
return;
}
}
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sendPacket은 RF로 패킷을 보내는 함수이다. tryToSend에서 call되어 사용되어 지며, 채널이 clear되면 전송되는 방식을 사용한다.
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void sendPacket() {
uint8_t status;
call HPLChipcon.cmd(CC2420_STXONCCA);
status = call HPLChipcon.cmd(CC2420_SNOP);
……..
}
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tryToSend는 CCA핀을 read했을 때, High상태라면, 즉 채널이 clear하다면 sendPacket을 call하여 패킷을 전송하고, 채널이 사용중이라면 normal operation을 계속해서 수행한다.
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void tryToSend() {
…………..
// if a FIFO overflow occurs or if the data length is invalid, flush
// the RXFIFO to get back to a normal state.
if ((!TOSH_READ_CC_FIFO_PIN() && !TOSH_READ_CC_FIFOP_PIN())) {
flushRXFIFO();
}
if (TOSH_READ_RADIO_CCA_PIN()) {
atomic stateRadio = TX_STATE;
sendPacket();
}
else {
// if we tried a bunch of times, the radio may be in a bad state
// flushing the RXFIFO returns the radio to a non-overflow state
// and it continue normal operation (and thus send our packet)
if (countRetry-- <= 0) {
flushRXFIFO();
countRetry = MAX_SEND_TRIES;
if (!post startSend())
sendFailed();
return;
}
……………
}
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tryToSend는 startSend가 종료되는 시점에 실행이 된다. 즉 startSend에서 TXFIFO를 채우면 HPLChipconFIFO.TXFIFODone()이 실행되고, 이 함수안에서 tryToSend를 실행하게 되어, FIFO에 write된 패킷이 무선으로 전송된다.
rxMode로 설정되어 있을 때, 같은 주파수대의 패킷이 들어오면, FIFOP에 interrupt가 발생한다. Interrupt가 발생했을 때, FIFOP.fired 라는 인터럽트 함수가 실행하게 되고, 이는 수신된 패킷을 RXFIFO로 write한다. RXFIFO로 값이 모두 들어오면, HPLChipconFIFO.RXFIFODone()라는 함수가 실행된다.
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async event result_t FIFOP.fired() {
…………..
/** Check for RXFIFO overflow **/
if (!TOSH_READ_CC_FIFO_PIN()){
flushRXFIFO();
return SUCCESS;
}
atomic {
if (post delayedRXFIFOtask()) {
call FIFOP.disable();
}
else {
flushRXFIFO();
}
}
// return SUCCESS to keep FIFOP events occurring
return SUCCESS;
}
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HPLChipconFIFO.RXFIFODone()이 실행되면 데이터 예외처리를 거쳐서 정상적인 length의 패킷을 rxbufptr 버퍼에 저장한다. rxbufptr에 할당이 되는 *data는 TOS_MsgPtr 의 구조체 변수 크기에 맞게 바이트 단위로 parsing되서 저장된다. length가 길면 패킷은 버려지고, 짧으면 crc, RSSI, LQI값을 맟춰서 할당한다.
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async event result_t HPLChipconFIFO.RXFIFODone(uint8_t length, uint8_t *data){
…………….
rxbufptr = (TOS_MsgPtr)data;
……………
if (rxbufptr->length > TOSH_DATA_LENGTH) {
flushRXFIFO();
atomic bPacketReceiving = FALSE;
return SUCCESS;
}
// adjust destination to the right byte order
rxbufptr->addr = fromLSB16(rxbufptr->addr);
// if the length is shorter, we have to move the CRC bytes
rxbufptr->crc = data[length-1] >> 7;
// put in RSSI
rxbufptr->strength = data[length-2];
// put in LQI
rxbufptr->lqi = data[length-1] & 0x7F;
……………
}
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지금까지 TinyOS에서의 CC2420이 마이크로 컨트롤러와 어떻게 통신을 하고 동작을 하는지를 알아보았다. 물론 위의 설명은 CC2420의 동작원리를 충분히 이해하기엔 너무 개략적이고 의미 중심적이다. 따라서 윗글은 CC2420소스를 처음 접하여 분석하고자 하는 분에게 소스의 전반적인 구성을 이해하는데 참조할 수 있는 자료라 할 수 있겠다.
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