[논문]GPIO EMA 신호 지연 보상 및 필터 기반 재귀적 시간 동기화 기법

권영우; 남기곤; 최준영

doi:10.14372/iemek.2020.15.1.17

Abstract ▼ AI-Helper

We propose a system time synchronization method between embedded Linux-based distributed control devices by using Transmission Control Protocol (TCP) communication and General Purpose Input Output (GPIO) device. The GPIO signal is used as the trigger signal for synchronization and the TCP communicat...

We propose a system time synchronization method between embedded Linux-based distributed control devices by using Transmission Control Protocol (TCP) communication and General Purpose Input Output (GPIO) device. The GPIO signal is used as the trigger signal for synchronization and the TCP communication is used to transfer the system time of master Linux, which serves as the reference clock, to slave Linux. Precise synchronization performance is achieved by measuring and compensating for the propagation delay of GPIO signal and the acquisition and setting latency of Linux system time. We build an experimental setup consisting of two embedded Linux systems, and perform extensive experiments to verify the performance of the proposed synchronization method.

주제어

표/그림 (8)

그림 그림 1. GPIO 신호 지연을 측정하기 위한 타이밍 도표 Fig. 1 Timing diagram to measure GPIO signal delay
그림 그림 2. 설정지연을 측정하기 위한 타이밍 도표 Fig. 2 Timing diagram to measure setting delay
그림 그림 3. 시스템 시간의 차이를 측정하기 위한 타이밍 도표 Fig. 3 Timing diagram to measure difference of system time
그림 그림 4. 시간 동기화 방법의 전체 절차 Fig. 4 Overall procedure of time synchronization method
그림 그림 5. PTP에 대한 시스템 시간 오차 분포 Fig. 5 Distribution of system time error for PTP
그림 그림 6. 제안한 방법에 대한 시스템 시간 오차 분포 Fig. 6 Distribution of system time error for proposed method
그림 그림 7. 시스템 시간 오차 응답 Fig. 7 Response of system time error
표 표 1. PTP와 제안한 방법의 GMEAN과 MRMS Table 1. GMEAN and MRMS for PTP and proposed methods

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서 TCP 통신과 GPIO 신호를 이용하는 임베디드 리눅스 시스템의 시간 동기화 방법을 제안하였다. GPIO 신호 지연, 리눅스 시스템 시간, 획득 및 설정지연을 보상하고 EMA 필터를 기반으로 실시간 재귀적으로 동기화 방법을 구현함으로써 평균 1 μs 이내의 시스템 시간 오차를 보이는 정밀한 동기화 성능을 달성하였다.
이러한 PTP의 단점을 극복하기 위해 본 논문에서는 General Purpose Input Output (GPIO) 장치와 Transmission Control Protocol (TCP) 통신만으로 리눅스 분산시스템에서 1 microsecond 이내의 오차를 달성하는 시간 동기화 방법을 제안한다.

가설 설정

마스터와 슬레이브 시스템은 GPIO 신호로 연결되어 있으며 GPIO 신호가 한 시스템에서 다른 시스템으로 전송되기까지 걸리는 시간을 GPIO 신호 지연이라고 정의하며 t_G라고 표기한다. 그리고 GPIO 신호를 마스터에서 슬레이브로 전송할 때와 슬레이브에서 마스터로 전송할 때 소요되는 시간은 같다고 가정한다.

제안 방법

동기화 성능을 정밀하게 측정하기 위해 두 보드에서 각각 100 ms마다 자신의 시스템 시간을 기준으로 GPIO 신호 출력을 발생시키고 두 GPIO 출력 신호를 오실로스코프로 측정하여 두 GPIO 신호의 시간 차이를 nanosecond 단위로 정밀하게 측정한다.
기존 동기화 방법과의 성능 비교를 위해 이미 존재하는 동기화 방법인 PTP를 적용하여 실험한다. 동일한 두 보드에 PTP를 적용하여 PTP 시계를 동기화하고 각 보드에서 다시 PTP 시계와 시스템 시계와의 동기화를 주기적으로 수행하면서 위와 같은 방식으로 100 ms마다 두 보드의 GPIO 출력 시간 차이를 1000개씩 샘플로 저장하는 실험을 총 10번 수행하여 동기화 성능을 비교한다.
동기화 성능을 정밀하게 측정하기 위해 두 보드에서 각각 100 ms마다 자신의 시스템 시간을 기준으로 GPIO 신호 출력을 발생시키고 두 GPIO 출력 신호를 오실로스코프로 측정하여 두 GPIO 신호의 시간 차이를 nanosecond 단위로 정밀하게 측정한다. 두 보드의 GPIO 출력 시간 차이를 1000개씩 샘플로 저장하는 실험을 총 10회 반복하는데 독립적인 실험 결과를 얻기 위하여 매 실험을 시작할 때마다 두 보드의 시스템 시간을 임의의 시간으로 완전히 초기화하고 실험을 수행한다.
기준 시스템 시간을 제공하는 리눅스 시스템을 마스터라 정의하고 마스터의 시스템 시간에 맞춰 동기화 되는 리눅스 시스템을 슬레이브라고 정의한다. 시간 동기화를 위한 트리거 신호로 GPIO 신호를 사용하고 마스터 리눅스에서 시간을 획득하여 TCP 통신을 통해 슬레이브로 전달하고 슬레이브 리눅스는 트리거 GPIO 신호와 마스터 리눅스 시간을 기반으로 자신의 시스템 시간을 동기화 되도록 설정한다. 이러한 과정에서 정밀한 시간동기화 성능을 달성하기 위해 먼저 3가지의 지연 즉 GPIO 신호 전송 지연, 리눅스 시스템 시간 획득 및 설정지연을 측정한다.
이라고 표기한다. 시간 획득 시스템 함수를 연속으로 10만 번 호출하여 얻은 10만개의 시간을 저장한 후 각 시간 사이의 차이 99999개를 계산하고 다시 평균을 계산하여 시스템 시간 획득지연을 측정한다.
시간 동기화를 위한 트리거 신호로 GPIO 신호를 사용하고 마스터 리눅스에서 시간을 획득하여 TCP 통신을 통해 슬레이브로 전달하고 슬레이브 리눅스는 트리거 GPIO 신호와 마스터 리눅스 시간을 기반으로 자신의 시스템 시간을 동기화 되도록 설정한다. 이러한 과정에서 정밀한 시간동기화 성능을 달성하기 위해 먼저 3가지의 지연 즉 GPIO 신호 전송 지연, 리눅스 시스템 시간 획득 및 설정지연을 측정한다. 정밀한 지연 측정을 위해 리눅스에서 nanosecond 단위까지 시스템 시간을 획득하고 설정할 수 있는 getnstimeofday, do_settimeofday 시스템 함수를 사용한다.
이를 위하여 주기적으로 (3)의 시스템 시간 차이를 계산하여 슬레이브 시스템 시간을 갱신하는 방법을 사용하는데 매주기 (3)으로 얻어진 시스템 시간 차이를 직접 적용하는 것이 아니라 측정된 시스템 시간 차이를 Exponential Moving Average (EMA) 필터에 적용하여 얻어진 필터 출력 값을 이용하여 슬레이브 시스템 시간을 갱신한다. 순간적인 시스템 시간 차이의 급격한 변화가 발생할 경우 그 차이만큼 바로 보상을 하면 슬레이브 시스템 시간이 급격한 큰 폭의 진동을 나타내고 동기화 성능에 악영향을 미치므로 고주파 노이즈를 제거하고 저주파 성분을 효과적으로 추출하는 EMA 필터를 사용한다 [8].

대상 데이터

실험에서는 AM3358 프로세서를 기반으로 하는 비글본 블랙보드 2대를 사용하고 리눅스 커널버전은 RT패치를 수행한 4.9.59 버전을 설치한다. TCP 통신을 위해 이더넷 포트를 연결하고 GPIO 신호 전달을 위해 GPIO포트를 연결한다.

데이터처리

총 10회의 실험결과에 대한 통계적 분석결과를 표 1에 나타내었으며 표 1에서 GMEAN은 grand mean을 의미하며 10차례 실험결과 모두 평균한 값을 의미하고 MRMS는 mean of RMS를 의미하며 10차례 각 실험결과의 RMS 값들의 평균을 의미한다. GMEAN은 PTP가 0.

이론/모형

기존 동기화 방법과의 성능 비교를 위해 이미 존재하는 동기화 방법인 PTP를 적용하여 실험한다. 동일한 두 보드에 PTP를 적용하여 PTP 시계를 동기화하고 각 보드에서 다시 PTP 시계와 시스템 시계와의 동기화를 주기적으로 수행하면서 위와 같은 방식으로 100 ms마다 두 보드의 GPIO 출력 시간 차이를 1000개씩 샘플로 저장하는 실험을 총 10번 수행하여 동기화 성능을 비교한다.

성능/효과

GMEAN은 PTP가 0.64 μs 더 작은 우수한 결과를 얻었으며 MRMS는 제안한 방법이 0.5 μs 더 작은 우수한 결과를 얻었다.
본 논문에서 TCP 통신과 GPIO 신호를 이용하는 임베디드 리눅스 시스템의 시간 동기화 방법을 제안하였다. GPIO 신호 지연, 리눅스 시스템 시간, 획득 및 설정지연을 보상하고 EMA 필터를 기반으로 실시간 재귀적으로 동기화 방법을 구현함으로써 평균 1 μs 이내의 시스템 시간 오차를 보이는 정밀한 동기화 성능을 달성하였다. 전용 하드웨어를 필요로 하고 성능에 안 좋은 영향을 미치는 PTP 시계와 시스템 시계의 동기화 과정이 필요한 기존 동기화 방법인 PTP와 비교했을 때 제안된 동기화 방법은 성능과 비용 면에서 충분히 경쟁력이 있다고 판단된다.
GPIO 신호 지연, 리눅스 시스템 시간, 획득 및 설정지연을 보상하고 EMA 필터를 기반으로 실시간 재귀적으로 동기화 방법을 구현함으로써 평균 1 μs 이내의 시스템 시간 오차를 보이는 정밀한 동기화 성능을 달성하였다. 전용 하드웨어를 필요로 하고 성능에 안 좋은 영향을 미치는 PTP 시계와 시스템 시계의 동기화 과정이 필요한 기존 동기화 방법인 PTP와 비교했을 때 제안된 동기화 방법은 성능과 비용 면에서 충분히 경쟁력이 있다고 판단된다.
주목할 결과는 처음 10 μs미만으로 오차가 감소하기까지 소요된 시간은 52 ms였으며 이는 EMA 필터와 재귀적인 동기화 방법이 과도상태를 지나 정상상태로 적절하게 수렴하는 것을 증명한다.

후속연구

그러나 제안한 방법의 GMEAN이 1 μs 이내로 달성되었고 전용 하드웨어가 필요한 PTP를 고려할 때 제안한 방법은 실용적으로 다양한 분야에서 활용이 가능하다고 판단된다.
라고 표기한다. 제안된 동기화 방법에서 슬레이브에서 마스터 시간에 맞춰 시간을 설정해야 하므로 슬레이브의 설정지연을 구하는 것이 필요하다. 설정지연을 구하기 위해 GPIO 신호를 주고받는 타이밍 도표는 그림 2와 같다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	시스템 시간 획득지연은 무엇인가?	리눅스 시스템 시간을 획득하는 함수를 호출하여 실제로 시간을 얻기까지 소요되는 지연을 시스템 시간 획득지연이라고 정의하고 tR이라고 표기한다. 시간 획득 시스템 함수를 연속으로 10만 번 호출하여 얻은 10만개의 시간을 저장한 후 각 시간 사이의 차이 99999개를 계산하고 다시 평균을 계산하여 시스템 시간 획득지연을 측정한다.
	분산 환경에서 실행되는 시스템들 중 본 논문에서 제안한 리눅스 분산 시스템에서의 시간 동기화 방법은 무엇인가?	이러한 PTP의 단점을 극복하기 위해 본 논문에서는 General Purpose Input Output (GPIO) 장치와 Transmission Control Protocol (TCP) 통신만으로 리눅스 분산시스템에서 1 microsecond 이내의 오차를 달성하는 시간 동기화 방법을 제안한다. 특히 PTP 시계의 사용을 배제하고 각 분산 시스템의 운영체제 시계를 직접 동기화함으로써 PTP 시계와 운영체제 시계 사이의 동기화 과정에서 발생할 수 있는 오차를 방지하고 동기화 성능을 향상시킨다.
	GPIO 신호 지연은 무엇인가?	시간 동기화의 트리거 신호로 GPIO 신호를 사용하기 때문에 정밀한 동기화를 위해서는 GPIO 신호 지연을 보상해야 한다. 마스터와 슬레이브 시스템은 GPIO 신호로 연결되어 있으며 GPIO 신호가 한 시스템에서 다른 시스템으로 전송되기까지 걸리는 시간을 GPIO 신호 지연이라고 정의하며 tG라고 표기한다. 그리고 GPIO 신호를 마스터에서 슬레이브로 전송할 때와 슬레이브에서 마스터로 전송할 때 소요되는 시간은 같다고 가정한다.

참고문헌 (8)

R. Cochran, C. Marinescu, C. Riesch, "Synchronizing the Linux System Time to a PTP Hardware Clock," Proceedings of IEEE International Symposium on Precision Clock Synchronization for Measurement, Control and Communication, pp. 87-92, 2011.
D.B. Stewart, "Measuring Execution Time and Real-Time Performance," Proceedgins of Embedded Systems Conference, pp. 341-361, 2006.
R.L. Scheiterer, C. Na, D. Obradovic, G. Steindl, "Synchronization Performance of the Precision Time Protocol in Industrial Automation Networks," Journal of IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, Vol 58, No. 6, pp.87-92, 2009.

상세보기
P. Ohly, D.N. Lombard, K.B. Stanton, "Hardware Assisted Precision Time Protocol. Design and Case Study," Proceedings of the 9th LCI International Conference on High-Performance Clustered Computing, pp.121-131, 2008.
Y.K. Lee, S.H. Yang, C.B. Lee, J.G. Lee, Y.M. Park, M.S. Lee, "Evaluation of Synchronization Performance with PTP," Journal of Institute of Control, Robotics and Systems, Vol. 20, No. 6, pp. 669-675, 2014.

원문보기 상세보기
S.W. Park, I.S. Kim, D.I. Lee, "Implementation of IEEE 1588 for Clock Synchronization," Journal of Korean Institute of Communicatios and Information Sciences, Vol. 39, No. 2, pp. 123-132, 2014 (In Korean).
T. Kovacshazy, T. Tusori, D. Vincze, "Prototype Implementation and Performance of Time-based Distributed Scheduling on Linux for Real-Time Cyber-Physical Systems," Proceedings of IEEE International Symposium on Precision Clock Synchronization for Measurement, Control, and Communication, pp. 1-6, 2018.
S.M. Park, H.J. Kim, H.W. Kim, C.N. Cho, J.Y. Choi, "Synchronization Improvement of Distributed Clocks in EtherCAT Networks," Jouenal of IEEE Communications Letter, Vol. 21, No. 6, pp. 1277-1280, 2017.

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