rtt+nimble揭秘系列——phy（6）

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主要介绍phy层的射频工作机制。

前言

物理层与芯片本身强相关，这里仅分析nrf52的phy层调度相关内容。

目录

1. 术语

  • wfr：wait for response（用于计算radio rx超时时间）
  • xcvr：transceiver（发射接收器）
  • ll：link layer（链路层）

2. 总览

2.1. 框图

phy对象内部会使用其他对象的方法。

2.2. 广播调度例子

下图是一个广播例子，简单展示了phy对象对内对外是如何协同工作，完成调度的。

3. phy对象的内部属性

3.1. xcvr clock settle time

因为需要保持低功耗，所以不需要使用xcvr时候，应该将其时钟也一同关闭，当需要在某个时刻再次打开xcvr时候，需要考虑时钟的settle time，即需提前先打开xcvr时钟。

3.2. various radio timings

radio外设相关的延时

3.2.1. ramp-up times

ramp-up times即操作射频收发寄存器后，直到真正发出射频信号或者已准备好接收射频信号的所需时间。

需考虑这部分时间确保在预定时刻发送射频信号。

3.2.2. delay between EVENTS_READY and start of tx

产生EVENTS_READY后，到真正开始发送射频信号的延时。

因为启动射频是由ppi+radio+timer0+rtc0来联动的，即timer0时间到触发RADIO->TASKS_TXEN，然后延时ramp-up time，接着产生EVENTS_READY，由于radio short，直接TASKS_START。需考虑这部分时间确保在预定时刻发送射频信号。

3.2.3. delay between EVENTS_END and end of txd packet

产生EVENTS_END后，到真正发送完射频信号的延时。

切换成接收/关闭射频时，需考虑这部分时间确保射频数据发送完整，防止发送数据断尾。

3.2.4. delay between rxd access address and EVENTS_ADDRESS

收到合法access addr到产生EVENTS_ADDRESS的延时。

当启动radio接收超时定时器时，需考虑这部分时间，确保在指定时间内真的没有收到合法的access addr。

当计算当前数据包何时被捕获时，需考虑这部分时间，用于反推。

3.2.5. delay between end of rxd packet and EVENTS_END

接收一包结束到产生EVENTS_END的延时。

当从接收切换成发送，计算上一次捕获到数据包最后一个bit的时刻，然后增加T_IFS启动发送，需考虑这部分时间确保在预定时刻发送射频信号。

4. phy对象的对外方法

4.1. ble_phy_tx_set_start_time

nimble中射频发射有两种应用场景：

  1. rx结束，根据T_IFS切换到tx
  2. 链路层发起tx

第1中情况会在phy的ble_phy_rx_end_isr中实现，而第2种实现就是调用ble_phy_tx_set_start_time函数了，该函数用于设定一个定时时间（粗略定时rtc0+精准定时timer0），radio会在该时刻发送preamble的第一个bit。

4.2. ble_phy_rx_set_start_time

nimble中射频接收有两种应用场景：

  1. tx结束，根据T_IFS切换到rx
  2. 链路层发起rx

第1中情况会在phy的ble_phy_tx_end_isr中实现，而第2种实现就是调用ble_phy_rx_set_start_time函数了，该函数用于设定一个定时时间（粗略定时rtc0+精准定时timer0），radio会在该时刻开始接收射频数据。

4.3. ble_phy_set_txend_cb

该函数输入参数有一个是函数指针，在ble_phy_tx_end_isr中打钩子函数，用于通知链路层发送结束。

4.4. ble_phy_tx

用于配置射频发送的参数，比如发送buffer、radio的shortcut配置和发送结束后是否需要自动切换到rx，但是不会真正启动射频发送。

4.5. ble_phy_rx

用于配置射频接收的参数，比如接收buffer，radio的shortcut配置，但是不会真正启动射频接收。

4.6. ble_phy_rxpdu_copy

用于获取上一次phy rx的pdu数据。

5. phy对象使用其他对象的方法

5.1. ble_ll_rx_start

收到pdu第一个字节之后，phy调用该方法，根据pdu的第一个字节即pdu type，来决定是否继续接收下面的帧，以及接收完应该如何处理。

5.2. ble_ll_rx_end

收完一帧，开始处理这一帧，phy根据该方法返回结果判断是否要切换到tx，还是关闭射频外设。

5.3. ble_ll_state_get

获取当前链路层的状态，封装进ble mbuf header，在ble_ll_rx_end中调用，让链路层知道传递上去的帧是在哪个状态时接收到的。

5.4. ble_ll_wfr_timer_exp

如果接收超时，就会调用该函数。比如，在37信道发送可连接可发现广播，切换到接收后，没有在指定时间内收到CONNECT_IND或者SCAN_REQ，就会调用这个函数。

6. phy对象的内部实现

内部实现主要涉及isr和ppi、timer0、rtc0，下面先介绍它们之间的关系，然后分别介绍每个中断和外设的功能作用，最后举例在一些常见应用场景中是如何协同工作的。

6.1. 概述

phy核心功能可以用以下几句话总结：

  1. 在指定的时刻发送射频数据。
  2. 在指定的时刻接收射频数据，若在后续指定时间段内没收到，则认为接收超时，若收到则传递给上层处理。
  3. 切换射频发送和射频接收

6.1.1. 在指定的时刻发送射频数据

将指定时刻拆成尽可能多的省电系统时钟tick和一个耗电精准时钟tick，rtc0的CC[0]设置为省电tick，timer0的CC[0]设置为耗电tick。

当rtc0的CC[0]事件触发时，配合ppi启动timer0。
当timer0的CC[0]事件触发时，配合ppi启动射频发送。

6.1.2. 在指定的时刻接收射频数据，若在后续指定时间段内没收到，则认为接收超时，若收到则传递给上层处理

将指定时刻拆成尽可能多的省电系统时钟tick和尽可能少的耗电精准时钟tick，rtc0的CC[0]设置为尽可能多的省电tick，timer0的CC[0]设置为尽可能少的耗电tick。将接收超时事件拆成N个耗电精准时钟tick，timer0的CC[3]设置为N个耗电tick。

当rtc0的CC[0]事件触发时，配合ppi启动timer0。
当timer0的CC[0]事件触发时，配合ppi启动射频接收。
当timer0的CC[3]事件触发时，配合ppi关闭射频接收。

6.1.3. 切换射频发送和射频接收

  • 链路层在启动射频发射时会设置g_ble_phy_data.phy_transition变量，在phy的ble_phy_tx_end_isr中会根据该变量判断下一步是切换到rx，还是关闭射频外设。

  • 在ble_ll_wfr_timer_exp或ble_phy_rx_end_isr中会把接收结果传递给链路层，链路层决定下一步是切换到tx，还是关闭射频外设。

6.2. 详细说明

  • ble_phy_rx_start_isr：收到access addr以及第一个字节后，使能RADIO_INTENSET_END_Msk中断。

  • ble_phy_rx_end_isr：接收一帧后会进入该分支，传递给链路层刚刚收到的那一帧。

  • ble_ll_wfr_timer_exp：接收超时会进入该分支，表示指定时间内没收到有效数据包。

  • ble_phy_tx_end_isr：发送玩一帧后会进入该分支，通知链路层发送完成，判断下一步是切换到rx，还是关闭射频外设。

  • ch4：当收到rx的RADIO->EVENT_ADDRESS时，触发NRF_TIMER0->TASKS_CAPTURE[3]，取消wfr定时器。

  • ch5：当收到NRF_TIMER0->EVENTS_COMPARE[3]，即wfr定时器超时，则触发NRF_RADIO->TASKS_DISABLE，关闭射频。

  • ch20：当收到TIMER0->EVENTS_COMPARE[0]时，触发RADIO->TASKS_TXEN，即通过timer0来硬件自动打开射频发射。

  • ch21：当收到TIMER0->EVENTS_COMPARE[0]时，触发RADIO->TASKS_RXEN，即通过timer0来硬件自动打开射频接收。

  • ch26：当收到tx/rx的RADIO->EVENT_ADDRESS时，触发TIMER0->TASK_CAPTURE[1]，因为ADDRESS域是固定长度，所以可以用来计算捕获tx/rx时刻。

  • ch27：当收到tx/rx的RADIO->EVENT_END时，触发TIMER0->TASK_CAPTURE[2]，用于捕获tx/rx结束（即收到CRC域最后一个bit）时刻。

  • ch31：当收到RTC0->EVENTS_COMPARE[0]时，触发TIMER0->TASKS_START，即通过RTC0来控制启动timer0，具体为用户指定一个时刻（RTC0 tick + timer0 us），当收到RTC0->EVENTS_COMPARE[0]时，说明tick（31us/tick）已经计算完成，打开timer0计算剩下的时间（1us/tick）。

7. 补充说明

7.1. 时间补偿

cpu_time和rem_usecs，cpu_time表示从调用函数到目标时刻需要的tick个数，rem_usecs表示除了cpu_time之外，还需要多少个us才能达到目标时刻，且rem_usecs应该小于31。cpu_time与rtc外设有关，rem_usecs与timer外设有关。

7.2. radio数据包配置

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#define NRF_LFLEN_BITS          (8)     //对应pdu header的8位lsb
#define NRF_S0LEN               (1)     //对应pdu header的8位msb
#define NRF_S1LEN_BITS          (0)     //这个域的长度为0，即舍弃该域
#define NRF_MAXLEN              (255)   //对应pdu payload
#define NRF_BALEN               (3)     //对应llpkt的4字节access address

#define NRF_PCNF0               (NRF_LFLEN_BITS << RADIO_PCNF0_LFLEN_Pos) | \
                                (RADIO_PCNF0_S1INCL_Msk) | \
                                (NRF_S0LEN << RADIO_PCNF0_S0LEN_Pos) | \
                                (NRF_S1LEN_BITS << RADIO_PCNF0_S1LEN_Pos)
#define NRF_PCNF0_1M            (NRF_PCNF0) | \
                                (RADIO_PCNF0_PLEN_8bit << RADIO_PCNF0_PLEN_Pos) //对应llpkt的1字节preamble

8. 关闭timer0的时机

发送完射频数据、接收完一帧射频数据、接收超时之后，都是关闭timer0的时机。

9. 总结

还有许多细节没关注到，总体问题不大，后面学习链路层再复习巩固。

“如果觉得还不错，请我喝杯咖啡吧~”