认识BLE 5协议栈 —— 主机控制器接口

BLE协议栈规定物理层、链路层和DTM层属于控制器,其他协议层属于主机,主机与控制器之间的通信是通过主机控制器接口传输层完成的。

主机控制器接口常简称为HCI(Host Controller Interface)。

HCI定义了一套“命令-事件”机制,主机向控制器发送HCI命令,控制器向主机返回命令执行结果。应用层的所有操作都会转换成HCI命令传给控制器。

1. HCI通信

HCI接口物理形式可以是串口、SPI、USB和三线串口。

对于串口HCI,其通信模型如下:

HCI_UART_Interface

左侧蓝牙主机向右侧蓝牙控制器发送命令,控制器返回命令执行状态。当收到对端设备发送的消息,控制器会以事件形式发送给主机。

通过HCI的数据包括:HCI命令、HCI事件和连接数据。HCI层本身不能区分这三种类型,因此在发送HCI数据包前需要先发送该数据包的类型指示信息。串口HCI的数据包类型指示信息如下:

HCI包类型 指示信息
HCI命令 0x01
连接数据 0x02
HCI事件 0x04

指示信息中缺少0x03,该信息用于经典蓝牙概念。

包类型指示位在HCI包发送前发给给主机或控制器。

2. 连接数据

两个设备建立连接后相互收发数据,从主机将数据发送给控制器,再通过无线发送到对端设备,或控制器接收到对端设备数据后通过HCI发送给主机。连接数据的结构如下所示:

HCI_Data_Packet_Format

  • Handle:连接句柄。
  • FB Flag:数据边界标志(Packet Boundary Flag),表示当前数据包是一个完整数据包的开头片段或中间片段。
  • BC Flag:播报标志(Broadcast Flag),不用于BLE。
  • Data Total Length:数据总长度。
  • Data:有效数据。

3. HCI命令

HCI命令包包括:操作码OpCode、参数总长度和参数个数,如下所示:

HCI_Command_Packet_Format

为了避免控制器的缓冲区溢出,发送命令包时需要应用流程控制。主机向控制器发送一个命令,控制器返回命令执行状态事件,事件中包含参数Num HCI Command Packets,该参数指主机可以发送的最大命令包的数量。

控制器按接收顺序执行主机命令,但后面的命令可能提前执行完毕。

如果命令执行出错,将在控制器的状态事件中包含错误码。

HCI命令非常多,将近300个,BLE仅支持部分命令,所有BLE专属的命令OGF字段都等于0x08。

下面列出BLE支持的最基础的一部分HCI命令:

命令 描述
LE Add Device To White List Command 添加白名单
LE Clear White List Command 清空白名单
LE Read Buffer Size Command 读控制器缓存
LE Read Local Supported Features Command 读本设备支持的功能
LE Read Supported States Command 读本设备支持的状态
LE Read White List Size Command 读白名单空间
LE Remove Device From White List Command 从白名单移除设备
LE Set Event Mask Command 设置事件掩码
LE Test End Command 结束测试
Read BD_ADDR Command 读取设备地址
Reset Command 重启
LE Read Advertising Channel TX Power Command 读取广播发射功率
LE Transmitter Test Command 发送数据测试
LE Set Advertising Data Command 设置广播数据
LE Set Advertising Enable Command 开启广播
LE Set Advertising Parameters Command 设置广播参数
LE Set Random Address Command 设置随机地址
LE Receiver Test Command 接收数据测试
LE Set Scan Enable Command 开启扫描
LE Set Scan Parameters Command 设置扫描参数
Disconnect Command 断开连接

4. HCI事件

HCI事件包包括:时间代码, 参数总长度和具体参数,如下所示:

HCI_Event_Packet_Format

HCI事件包不强制要求流程控制,因为通常主机总是具有充足资源来处理控制器返回的事件。

当连接断开时,主机默认所有命令都已经执行完毕,将不再接收任何事件。

控制器收到不同的主机命令,可能返回以下类型事件:

  • 执行完毕事件
  • 状态信息事件

对于不涉及连接的命令,可以立即得到执行结果,执行完毕事件报告该命令执行成功或失败。

对于涉及连接的命令,无法立即得到执行结果,命令执行完毕后,先返回执行完毕事件,等命令最终结果产生,再返回新的执行完毕事件。比如LE Create Connection Command命令,执行命令时先返回执行完毕,表面链路层开始执行或加入执行队列,待两端设备建立连接,将返回连接完成事件。

部分读命令,比如LE Read Advertising Channel Tx Power Command,执行完毕后将读取结果存放在状态信息事件中返回。

HCI事件包括BLE专有事件和通用事件,通用事件适用于经典蓝牙和BLE。BLE专有事件称为“元事件(LE Meta Event)”,共有20个,它们的事件代码均为0x3E,事件参数的第一个字节为Subevent_code,用以区分不同的元事件。如下:

事件 Subevent_Code 描述
LE Connection Complete Event 0x01 建立连接完毕
LE Advertising Report Event 0x02 检测到广播数据或收到扫描响应数据
LE Connection Update Complete Event 0x03 连接参数更新完毕
LE Read Remote Features Complete Event 0x04 读取对端设备功能完毕
LE Long Term Key Request Event 0x05 控制器向主机发送LTK以加密链接
LE Remote Connection Parameter Request Event 0x06 对端设备发起更新连接参数请求
LE Data Length Change Event 0x07 控制器通知主机链路层数据长度发生了更新
LE Read Local P-256 Public Key Complete Event 0x08 控制器通知主机P-256密钥生成完毕
LE Generate DHKey Complete Event 0x09 控制器通知主机椭圆加密算法密钥生成完毕
LE Enhanced Connection Complete Event 0x0A 建立连接完毕(还支持扩展连接)
LE Directed Advertising Report Event 0x0B 检测到定向广播数据或扫描响应数据
LE PHY Update Complete Event 0x0C 物理层更新完毕
LE Extended Advertising Report Event 0x0D 检测到扩展广播数据或扫描响应数据
LE Periodic Advertising Sync Established Event 0x0E 建立周期广播同步完毕
LE Periodic Advertising Report Event 0x0F 检测到周期广播数据或扫描响应数据
LE Periodic Advertising Sync Lost Event 0x10 周期广播数据无法同步
LE Scan Timeout Event 0x11 扫描超时
LE Advertising Set Terminated Event 0x12 终止广播数据集事件
LE Scan Request Received Event 0x13 收到扫描请求
LE Channel Selection Algorithm Event 0x14 使用了信道选择算法

(完)

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