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문제 정의
- 본 논문에서는 임베디드 네트워크를 위한 sRIO 의 시간동기 문제를 다루므로, IEEE1588에 대해서 좀 더 살펴보자. IEEE1588은 지금까지 Ethernet 기반의 임베디드 환경에 주로 적용되고 있지만, Ethernet 외에도 CAN, sRIO 등 멀티캐스트 (multicast)를 지원하는 임의의 네트워크에 적용 가능하다[16].
- 이를 위해 전용 칩을 이용한 IEEE1588 시간동기 알고리즘이 다양한 산업분야에서 폭넓게 적용되고 있다. 본 논문에서는, sRIO용 IEEE1588 전용 칩이 제공되지 않는 점을 고려하여 sRIO의 패킷과 소프트웨어만을 이용하여 IEEE1588 알고리즘을 구현하고, 이를 분석하기 위한 모델을 제시하였다. 그리고 모델을 통해 추정한 동기정밀도와 3개의 노드로 구성된 실험용 네트워크를 이용한 실험을 통해 측정한 동기정밀도를 비교분석함으로써 제안된 방법의 타당성을 검증하였다.
제안 방법
- Follow_up과 Delay_Response는 저장된 시간을 전송하는데 있어 전송지연과 지터가 작은 것을 선택하는 것이 바람직하므로, sRIO의 대표적인 패킷인 NWRITE, NREAD, Message를 비교하여 결정 하였다. 각 패킷의 전송지연과 지터 특성을 비교하기 위해서 그림 7에 제시한 실험장치를 이용하여 데이터를 반복적으로 전송하면서 소요되는 CPU 사이클을 측정하였다.
- 패킷 전송에 관련된 모든 동작은 TI사의 임베디드 OS인 BIOS에서 동작하며, OS로 인한 오버헤드가 발생할 수 있다. IEEE1588 알고리즘의 구현은 앞서 설명한 것처럼 NWRITE 및 Doorbell 패킷을 이용하여 소프트웨어 기반으로 구현하였으며, 1개의 마스터와 2개의 슬레이브로 구성하였다. 시간동기 성능을 측정하기 위해서, 각 노드의 자체 시간을 기준으로 클럭을 생성하고, 이를 오실로스코 프로 측정하여 비교하였다.
- sRIO 네트워크 기반 임베디드 시스템에서 소프트웨어 방식으로 구현한 IEEE1588 알고리즘의 동기 성능을 측정하기 위해서 그림 7과 같이 3개의 sRIO노드로 구성된 실험환경을 제작하였다. sRIO 노드는 TI사의 TMDXEVM6657LE 보드를 이용하였으며, 각 노드는 AMC 커넥터와 SMC 케이블을 통해 연결된다.
- 그림 5와 그림 6에 제시한 실험결과에서 보는 것처럼, NWRITE의 전송지연과 지터가 가장 작음을 확인할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 NWRITE 패킷을 이용하여 Follow_up과 Delay_Response 메시지를 구현하였다. IEEE1588 메시지 구현을 위한 NWRITE 패킷의 크기는 8 byte를 사용하였는데, 이는 실험에 사용된 EVM6657LE 보드의 타이머가 8 byte이기 때문이다.
- 본 논문에서는 sRIO의 패킷 중에서 인터럽트 기능이 있는 Doorbell을 이용하여 목적노드에 하드웨어 인터럽트(Hwi)를 발생시킴으로써 Sync와 Delay_Request 메시지를 구현한다. 각 메시지의 발생 주기는 각 노드의 타이머 인터럽트를 사용한다.
- 본 논문에서는 개발비용과 소요시간 등의 제약 사항을 고려하여, 소프트웨어 방식으로 sRIO용 IEEE1588 알고리즘을 구현하는 과정을 제시한다. 단, 동기정밀도는 전용 칩을 사용한 경우와 유사하게 microsecond 수준을 목표로 한다.
- 반면, Follow_up과 Delay_ Response는 저장한 시간정보를 수신노드에 전달하는 역할을 한다. 본 논문에서는, 소프트웨어 기반으로 IEEE1588 시간동기를 수행하기 위해서 그림 3과 그림 4의 순서도에 따라 sRIO 패킷을 생성하여 상기 메시지를 구현한다. 이 때, 앞서 설명한 것처럼 sRIO 네트워크는 다양한 패킷을 지원하므로 이들 메시지를 구현하기에 적합한 패킷을 선정하는 것이 중요하다.
- IEEE1588 알고리즘의 구현은 앞서 설명한 것처럼 NWRITE 및 Doorbell 패킷을 이용하여 소프트웨어 기반으로 구현하였으며, 1개의 마스터와 2개의 슬레이브로 구성하였다. 시간동기 성능을 측정하기 위해서, 각 노드의 자체 시간을 기준으로 클럭을 생성하고, 이를 오실로스코 프로 측정하여 비교하였다.
대상 데이터
- sRIO 네트워크 기반 임베디드 시스템에서 소프트웨어 방식으로 구현한 IEEE1588 알고리즘의 동기 성능을 측정하기 위해서 그림 7과 같이 3개의 sRIO노드로 구성된 실험환경을 제작하였다. sRIO 노드는 TI사의 TMDXEVM6657LE 보드를 이용하였으며, 각 노드는 AMC 커넥터와 SMC 케이블을 통해 연결된다.
- 각 메시지의 발생 주기는 각 노드의 타이머 인터럽트를 사용한다. 본 논문의 실험에서 사용되는 EVM6657LE 보드의 경우,4개의 Doorbell 레지스터가 있으며, 각 레지스터는 16 bit로 나누어진다. 즉, 64가지의 인터럽트 소스를 만들 수 있다.
- 각 패킷의 전송지연과 지터 특성을 비교하기 위해서 그림 7에 제시한 실험장치를 이용하여 데이터를 반복적으로 전송하면서 소요되는 CPU 사이클을 측정하였다. 전송 데이터의 크기와 관련하여, NWRITE 및 NREAD의 경우 8 byte 전송이 가능하지만 Message 타입 패킷은 최소 전송 가능 데이터가 16 byte 이므로, 동일한 조건의 비교실험을 위해 16 byte 데이터를 사용하여 실험하였다. 그림 5와 그림 6에 제시한 실험결과에서 보는 것처럼, NWRITE의 전송지연과 지터가 가장 작음을 확인할 수 있다.
데이터처리
- 단, 동기정밀도는 전용 칩을 사용한 경우와 유사하게 microsecond 수준을 목표로 한다. 그리고 동기 정밀도를 추정하기 위한 모델을 도출하고 이를 이용하여 추정한 결과와, 실험용 sRIO 네트워크를 이용한 측정 결과를 비교분석함으로써 제안된 기법의 타당성을 검증한다.
- 본 논문에서는, sRIO용 IEEE1588 전용 칩이 제공되지 않는 점을 고려하여 sRIO의 패킷과 소프트웨어만을 이용하여 IEEE1588 알고리즘을 구현하고, 이를 분석하기 위한 모델을 제시하였다. 그리고 모델을 통해 추정한 동기정밀도와 3개의 노드로 구성된 실험용 네트워크를 이용한 실험을 통해 측정한 동기정밀도를 비교분석함으로써 제안된 방법의 타당성을 검증하였다.
이론/모형
- 본 논문에서 소프트웨어 기반으로 구현한 IEEE1588 시간동기 알고리즘을 실험용 sRIO 네트워크에 적용하고 측정한 시간동기 오차를 그림 9에 나타내었다. 여기서, 동기를 위한 메시지 교환 외에 sRIO 네트워크에서 발생할 수 있는 bus load는 고려하지 않았다.
- 본 논문에서는 Sync와 Delay_Request 메시지로 sRIO의 Doorbell 패킷을 사용한다. 이 패킷은 목적 노드에서 하드웨어 인터럽트(Hwi)를 발생시키고, 각 노드의 시간정보를 저장하게 된다.
- 본 실험에서는 sRIO 네트워크 기반 임베디드 시스템에서 소프트웨어 방식으로 IEEE1588 알고리즘을 구현한다. IEEE1588 알고리즘의 특징은 Delay 를 구하는 과정에서 각 노드에서 발생할 수 있는 처리지연시간 및 네트워크로 인한 지연시간을 고려 한다는 것이다.
성능/효과
- 따라서 슬레이브 클럭의 drift rate는 마스터 클럭을 기준으로 약 6.2 μs/s의 drift rate를 가지는 것을 확인하였다.
- 이 값은 클럭측정오차 Φ의 발생요인 가운데 가장 큰 비중을 차지하므로, 결과적으로 본 논문에서의 Φ는 약 5 μs가 됨을 예상할 수 있다.
- 이 측정 결과로부터, 슬레이브 노드에서 발생시킨 하강 에지가 16초 동안 약 100 μs 이동하였음을 알 수 있다.
- 즉 시간동기 메시지 외에는 추가적인 bus load가 없는 상태에서 클럭정보를 처리하는 과정을 반복적으로 실행하며 지연시간을 측정한 결과 Φ = 5 μs가 됨을 확인하였다.
후속연구
- 연구결과가 최종 적용될 무기체계에서는 다수의 센서와 제어컴퓨터 등이 네트워크로 연결되므로, 규모가 작은 실험용 네트워크와 달리 시간 데이터 메시지 전송에 따른 통신부하의 영향을 충분히 분석할 필요가 있다. 아울러, FPGA 기반으로 sRIO용 IEEE1588 알고리즘을 구현하고 그 결과를 본 논문에서 제시한 소프트웨어 기반 결과와 비교분석하는 연구도 진행할 예정이다.
- 후속 연구로서, 본 논문에서 개발된 시간동기 기법을 잠수함 탑재 무기체계의 실제 상황과 유사한 환경에서 검증할 필요가 있다. 연구결과가 최종 적용될 무기체계에서는 다수의 센서와 제어컴퓨터 등이 네트워크로 연결되므로, 규모가 작은 실험용 네트워크와 달리 시간 데이터 메시지 전송에 따른 통신부하의 영향을 충분히 분석할 필요가 있다. 아울러, FPGA 기반으로 sRIO용 IEEE1588 알고리즘을 구현하고 그 결과를 본 논문에서 제시한 소프트웨어 기반 결과와 비교분석하는 연구도 진행할 예정이다.
- 후속 연구로서, 본 논문에서 개발된 시간동기 기법을 잠수함 탑재 무기체계의 실제 상황과 유사한 환경에서 검증할 필요가 있다. 연구결과가 최종 적용될 무기체계에서는 다수의 센서와 제어컴퓨터 등이 네트워크로 연결되므로, 규모가 작은 실험용 네트워크와 달리 시간 데이터 메시지 전송에 따른 통신부하의 영향을 충분히 분석할 필요가 있다.
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