📚 课程目录第4章 Radio时隙与调度基础

4. Radio时隙与调度基础

nRF52/nRF53 系列只有一套 2.4 GHz Radio 硬件，却要同时承载 BLE、802.15.4（Thread/Zigbee）或私有 2.4G 协议。多协议并发的本质不是"同时发射"，而是时分复用（TDM）：把时间切成极短的时隙，让不同协议轮流占用 Radio，并在切换间隙完成频率、调制、地址和状态机的重配置。调度器要保证每个协议的关键事件（连接事件、广播事件、CSMA 退避、ACK 窗口）都不被错过，同时把平均电流压到最低。

一、时分复用的时间尺度

BLE 连接间隔最小 7.5 ms，一个连接事件内可能有多个包；802.15.4 的 CSMA/CA 退避单位是 320 µs（20 symbol）；Radio 从空闲到可收发的启动时间约 40~140 µs（取决于模式与是否使用快速 ramp）。因此调度粒度必须做到微秒级，否则一次切换就会吃掉整个 ACK 窗口。

典型的多协议时间预算示例（教学假设值）：BLE 连接间隔 20 ms，每事件预留 1.2 ms；Thread 使用 802.15.4，CSMA 退避 + 发送约 2 ms，接收窗口 1 ms。若两者在同一 20 ms 周期内都要服务，Radio 占用约 4.2 ms，占空比约 21%，其余时间 Radio 关闭，由 RTC 唤醒。这个占空比直接决定平均电流量级。

二、Radio 事件优先级

当两个协议的事件在时间上重叠，必须由优先级裁决。Nordic 多协议实现中通常按以下原则排序：

硬实时事件优先：BLE 连接事件的锚点（anchor point）由双方时钟约定，错过即丢包甚至断连，优先级最高。
协议角色优先：主/协调器（Central/Coordinator）的发送窗口通常比从/终端（Peripheral/End Device）的接收窗口更不可移动。
可延迟事件让位：广播、扫描、可延后的 CSMA 发送可以推迟到下一个时隙。
同优先级按时间先后：先到的事件先服务，避免饥饿。

优先级不是静态表，而是随连接状态动态变化的。例如 BLE 从设备在收到连接请求后，其连接事件窗口就变成硬约束；而扫描窗口可以随时缩短。

三、PPI/DPPI 触发链：让硬件自己完成切换

如果每次 Radio 切换都靠 CPU 中断处理，唤醒延迟和抖动会达到几十微秒，且功耗高。Nordic 的 PPI（可编程外设互连） 和 nRF53 的 DPPI（分布式 PPI） 允许外设之间直接触发，不经过 CPU。典型触发链：

TIMER 比较匹配 → PPI 通道 → RADIO TASKS_TXEN/RXEN
RADIO 事件 END/BCMATCH → PPI → TIMER 捕获 / GPIOTE / DPPI 转发
RTC 周期事件 → PPI → 唤醒调度器或触发下一次 Radio 任务

这样，Radio 的启动、频率设置、发送/接收切换可以在硬件层面按精确时序完成，CPU 只在真正需要处理数据包时才被唤醒。DPPI 在 nRF53 上支持跨域触发，让网络核与应用核之间的 Radio 协调更灵活。

四、低功耗定时器与协议间时隙协商

Radio 关闭时，系统靠 RTC（低功耗定时器） 维持时间基准。RTC 以 32.768 kHz 运行，功耗约 1 µA 量级，可产生周期事件或比较匹配事件，再通过 PPI 唤醒 Radio 或 CPU。多协议调度的核心是：用 RTC 建立统一时间轴，把各协议的锚点映射到同一时间轴上，再计算不重叠的时隙分配。

协议间时隙协商的典型做法是"预留 + 让位"：

为每个协议维护一个事件表，记录锚点、周期、窗口长度和优先级。
调度器在 RTC 时间轴上检查冲突：若两个事件窗口重叠，高优先级保留原时隙，低优先级尝试前移或后移一个退避单位。
若低优先级无法在允许抖动范围内找到空位，则丢弃本次事件或请求协议层调整连接参数（如增大连接间隔）。
每次调度结果写回 PPI/DPPI 通道配置，由硬件在精确时刻执行。

教学示例：BLE 连接间隔 20 ms、锚点偏移 0；Thread 轮询周期 20 ms、锚点偏移 3 ms。两者窗口各 1.2 ms 和 2 ms，偏移 3 ms 使窗口不重叠，可直接共存。若偏移改为 1 ms，则重叠 0.2 ms，需将 Thread 发送推迟 1.5 ms 或把 BLE 连接间隔改为 25 ms。实际工程中常用连接参数错开（connection interval offset）来天然避免冲突。

调试时可用 RADIO 的 READY、ADDRESS、END 事件配合 TIMER 捕获，测量实际时隙占用与抖动。若发现某协议频繁丢包，先检查其锚点是否被高优先级事件持续挤压，再考虑调整连接间隔或优先级。

不要用软件延时或 CPU 轮询来对齐 Radio 时隙。中断延迟和调度抖动会直接破坏微秒级时序，导致 ACK 丢失或连接事件错过。优先使用 PPI/DPPI + RTC 的硬件触发链。

总结来看，多协议并发的调度基础是：以 RTC 为统一时间基准，以 PPI/DPPI 为硬件执行通道，以优先级裁决解决冲突，以时隙协商（偏移、退避、参数调整）实现共存。理解这四者的配合关系，才能在 nRF 平台上把 BLE 与 802.15.4 或私有协议稳定地跑在同一颗 Radio 上。