三 蓝牙低功耗(BLE)协议栈 之 HCI层
一 HCI介绍
HCI (Host Controller interface)， 为Host访问Controller提供一组标准的接口。
主要完成3个任务：
- Host通过HCI发送命令给Controller
- Controller通过HCI将事件发送给Host
- 传递ACL Data(面向连接，在连接通道上进行数据传输)
这里所说的接口既包括两个设备之间的物理接口，也包括逻辑接口。逻辑接口定义了命令、事件和数据的封包格式。而物理接口定义了主机和控制器之前如何传输这些数据。蓝牙规范定义了4种物理接口，3线串口、4线串口、HID、SDIO。这里不做过多介绍。
二 HCI的数据格式
HCI上传输的5种数据：
- HCI Command packet : Host层发送给Controller的命令，只能由Host发出。
- HCI ACL Data packet: Controller上报给Host的事件，只能由Controller发出。
- HCI Synchronous Data packet：双向的，Host和Controller都可以发出。
- HCI Event packet: 发送给对端BLE的数据，双向的。Host和Controller都可以发出。
- HCI ISO Data packet：双向的，Host和Controller都可以发出。
HCI层和LL层的关系
- 有些HCI Cmd只是用来设置本地Controller，不导致无线传输
- 有些HCI Cmd会导致LL层发出各类广播包，比如 LE Set Scan Enable Command 在主动扫描时会导致LL层发出SCAN_REQ广播包。比如LE Create Connection Command会导致LL层发出CONNECT_REQ广播包
- 有些HCI Cmd会导致LL层发出数据包，其中LLID==11b，表示是 LL Control PDU，比如LE Read Channel MapCommand就会导致LL层发数据包给对端，以便读取对端的信道图。
- ACL data必定会导致LL层发数据包给对端，这时的LL层数据有可能是起始包(LLID = 10b)、也可能是延迟包(LLID = 01b)、也可能是空包(LLID = 01b)
Host可以向Controller发送一系列的命令来控制Controller工作，比如广播命令，连接命令(Controller收到连接命令之后，LL层会发出一个CONNECT_REQ的广播包)
举例说明，Host向Controller发送扫描的命令。
- Host向Controller发送的命令 —— Cmd
- 设置扫描参数，主动/被动扫描
- 使能扫描
- Controller开始工作
- 被动扫描，可以获得通用的广播包
- 主动扫描，SCAN_REQ
- 对端可以返回更详细的广播包，SCAN_RSP
- Controller将扫描到的数据返回给Host —— Event
一旦控制器与其他设备建立了连接，控制器的底层HCI接口就创建了一个HCI信道，我们使用一个连接句柄来标识这个HCI信道。连接句柄即用来标示主机交给控制器并准备发送给对端设备的数据，又用来标示控制器从对端设备收到的准备发送给主机的数据。
HCI 命令和事件中使用两种类型的标识符IDS和HANDLES。
ID由Host分配, 在两个对端设备之间使用的标识符，并在包含在PDU中，通过空中发送。 每种不同类型的 ID 都有一个单独的数字空间。
HANDLE由Host在命令中分配或由Controller在事件中分配的句柄，是在Host和Controller之间使用但不通过空中发送的标识符。 一些句柄共享相同的数字空间，而另一些则具有单独的数字空间。
三种类型的句柄用于标识Host和Controller之间的逻辑通道：连接句柄、逻辑链路句柄和物理句柄。
详见 蓝牙核心卷5.2， Vol 4 ， Part E ，5
2.1 Command packet
命令包的格式如下：
命令包是Host层发送给Controller的。
Controller应能够接受最多 255 字节数据的 HCI 命令包，不包括 HCI 命令包头。 HCI 命令包头是包的前 3 个字节。
每个命令都分配了一个 2 字节的操作码(OpCode)，用于唯一标识不同类型的命令。Opcode 参数分为两个字段，分别称为 OpCode Group Field (OGF) 和 OpCode Command Field (OCF)。 OGF 占据了 Opcode 的高 6 bit，而 OCF 占据了剩余的 10 bit。
0x3F 的 OGF 保留用于供应商特定的调试命令。操作码的组织允许在不完全解码整个操作码的情况下推断附加信息。
由全1组成的 OGF 已保留用于供应商特定的调试命令。这些命令是特定于供应商的，并在制造过程中用于更新固件的可能方法和调试。
- header, HCI的命令头，3个字节
- OpCode，操作码，2个字节
- OGF，6bit
- OCF，10bit
- PTL，参数总长度，所有参数的长度，不是参数的个数
- OpCode，操作码，2个字节
- parameter, 参数，每个参数都有特定的大小。
在低功耗蓝牙中一共有三种基本命令类型：
- 配置控制器的状态
- 请求执行特定的操作
- 管理连接
1 配置控制器状态
我们可以将控制器视为一个大状态机，有一系列的参数可以进行配置。例如，将广播看成一个状态，那么我们可以通过如下命令进行配置:LE Set Advertising Parameters、LE Set Advertising Data、LE Set Scan Response Data和LE Set Advertising Enable。
在低功耗蓝牙中，如果状态机里的某个状态正在被使用，通常是不能对其进行调整的。就好像如果启动了广播就不能再改变广播参数。这个时候，我们需要先停止广播，修改广播参数，然后重新进行广播。
2 请求指定操作
一些命令可以请求控制器执行指定操作，但不会改变设备状态或者连接状态。例如，LE Encrypt命令想控制器输入密钥和文本并要求其生成加密数据。
3 管理连接
设备建立连接之后，可以通过发送命令来管理连接，比如用LE Read Channel Map命令来获取当前连接的自适应跳频信道图。注意，这类命令均包含连接句柄。
具体的命令类型参看； 蓝牙核心卷5.2,Vol 4, Part E, 7.8
2.1.1 一个具体的命令，连接命令
2.1.1.1 描述
HCI_LE_Create_Connection 命令用于创建一个 ACL 连接。
2.1.1.2 参数
1 LE_Scan_interval
扫描间隔
2 LE_Scan_Window
LE 扫描持续时间，大于或者等于扫描间隔。如果两者都设置为相同的值，则扫描应连续运行。
3 Initiator_Filter_Policy,
决定是否使用白名单。如果不使用白名单，Peer_Address_Type 和 - Peer_Address 参数指定要连接的广告设备的地址类型和地址。
4 Peer_Address_Type
对端设备地址类型
5 Peer_Address
对端设备地址
6 Own_Address_Type
自己的地址类型
7 Connection_Interval_Min
连接最小间隔
8 Connection_Interval_Max
连接最大间隔
9 Connection_Latency
可以忽略的连接事件个数
10 Supervision_Timeout
超时时间
11 Min_CE_Length
连接事件的最小长度
12 Max_CE_Length
连接事件的最大长度，Min_CE_Length 和 Max_CE_Length 参数是信息性参数，为控制器提供连接事件的预期最小和最大长度。 Min_CE_Length 参数应小于或等于 Max_CE_Length 参数。
2.1.1.3 产生事件
当 Controller 收到 HCI_LE_Create_Connection 命令时，Controller 会向 Host 发送 HCI_Command_Status 事件。当创建连接完成或取消连接，应生成 HCI_LE_Connection_Complete 或 HCI_LE_Enhanced_Connection_Complete 事件。如果创建了连接并且控制器支持 LE 通道选择算法#2 功能，则该事件应紧跟在 HCI_LE_Channel_Selection_Algorithm 事件之后。控制器不会发送 HCI_Command_Complete 事件来指示此命令已完成。 相反，HCI_LE_Connection_Complete 或 HCI_LE_Enhanced_Connection_Complete 事件指示此命令已完成。
2.2 ACL data
acl data的数据格式：
数据包是指主机和控制器之间传输的应用数据。控制器接收来自主机的数据包，将其传给对端设备。对端设备收到数据之后，将其从控制器发往主机。
数据包总是以连接句柄作为第一个字段(12位)，如果主机没有收到LE Connection Complete事件，则不能发送任何数据给对端设备；只有收到了该事件，主机才可以启动数据发送或者接收对端设备发送过来的数据。
host层想用更少的位来表示Access Address，Controller用12位的Handle用来表示Access address，PB Flag(Packet Boundary,数据包边界标记) 表示这个包是起始包(00b)还是延续包(01b)，BC Flag(Boardcast Flag,广播标记) 对于BLE该值永远为0，接下来是数据长度。需要注意一点，控制器传给主机的数据，PB Flag = 10表示开始包，01表示连续包
2.3 Event
事件的数据格式：
当有事件发送的时候Controller使用HCI Event通知Host。如果Controller发送一个 HCI 事件数据包，其中包含一个Host没有屏蔽并且不支持的事件代码或 LE 子事件代码，Host将忽略该数据包。主机应能够接受最多255字节数据的 HCI 事件数据包，不包括 HCI 事件数据包头。HCI数据包的前两个字节为包头。
低功耗蓝牙主要有下列三种基本事件类型：
- 通用命令完成事件
- 通用命令状态事件
- 特定命令完成事件
1 通用命令完成事件
当主机发送给控制器的命令执行完毕时，控制器立即返回一个通用命令完成事件。事件的参数包含了之前发送命令操作码和执行命令的返回参数。返回参数中的第一个参数是状态码，状态码用来表示命令执行成功与否。
例如，LE Rand用来命令控制器返回一个随机数。它有两个返回参数，一个是状态码，另一个是返回的随机数。
注意，每当控制器执行与无线传输无关的任务时，都将使用通用命令完成事件。例如，LE Encrypt命令不涉及链路层数据包传输，因此将返回一个通用命令完成事件。而LE Create Connection命令需要在连接建立之前至少发送一个链路层连接请求数据包(CONNECT_REQ)，因此不会返回通用命令完成事件。
2 通用命令状态事件
上节提及的LE Create Connection等命令类型需要执行无线传输操作，通常返回的是通用命令状态事件；一段时间后才会返回特定命令完成事件。
3 特定命令完成事件
有些命令需要一段时间才能完成执行，他们都有对应的、并且唯一的特定命令完成事件。例如，LE Create Connection命令首先返回一个命令状态事件，随后等待连接建立完成或者失败，再返回LE Connection Complete事件。需要注意的是，命令是否执行完毕并不以收到特定命令完成事件作为标志。
具体的BLE事件类型参看； 蓝牙核心卷5.2,Vol 4, Part E, 7.7.65
2.3.1 一个具体的事件，连接完成事件
2.2.1.1 描述
HCI_LE_Connection_Complete 两端的Controller向各自的Host通知连接成功。在创建连接时，Controller应分配一个 Connection_Handle，并在此事件中传递给主机。如果连接创建失败，则应将此事件提供给发出 HCI_LE_Create_Connection 命令的主机。此事件向发出 HCI_LE_Create_Connection 命令并接收 HCI_Command_Status 事件的主机指示连接创建失败或成功。
2.2.1.2 参数
1 Subevent_Code
2 Status
3 Connection_Handle
4 Role
5 Peer_Address_Type
6 Peer_Address
7 Connection_Interval
8 Connection_Latency
9 Supervision_Timeout
10 Master_Clock_Accuracy
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