Apache NimBLE v1.5版本的BLE HCI层设计

RTThread物联网操作系统 2022-07-22 1868

描述

作者信息

本文主要分析了 Apache NimBLE v1.5 版本的 BLE HCI 层设计，并分析了官方仓库自带 UART 对接例程；关于 BLE 层次结构可以先看一下这篇参考文档。

NimBLE 目录结构

 1NimBLE
 2   ├───apps                   /* Bluetooth 示例应用程序 */
 3   ├───docs                   /* 官方文档及 API 说明 */
 4   ├───ext
 5   ├───nimble
 6   │   ├───controller         /* Controller 实现 */
 7   │   ├───doc                /* 当前包含 transport 层说明文档 */   
 8   │   ├───drivers            /* Nordic 系列 Phy 驱动 */
 9   │   ├───host               /* Host Stack(主机控制器)实现 */
10   │   ├───include
11   │   ├───src
12   │   └───transport          /* HCI 传输抽象层 */
13   └───porting                /* OS 抽象层及系统配置 */

观察目录，可以看出 NimBLE 是实现了 Host 与 Controller 分离的，在官方介绍中也有说明。

nimble 的 Host 可以跑在任一芯片上；Controller 则限制比较多，需要有特殊的硬件以及驱动支持。

nimble/controller 则是 Controller 相关代码；nimble/host 对应 Host 代码；nimble/transport 就是 HCI 层代码；这一版本 nimble/doc 下还包含了 HCI 层的说明文档 transport.md。

顺带一提，porting 目录下是 OS 抽象层及系统配置；rt-thread 的移植就实现在 porting/npl 下。

NimBLE HCI 层

主机控制接口层（Host Controller Interface，简写 HCI）：HCI是可选的，主要用于2颗芯片实现BLE协议栈的场合（一个当作 Host 一个当作 Controller），用来规范两者之间的通信协议和通信命令等。

NimBLE HCI 层主要是了解 nimble/transport 下的内容。首先看一下官方文档 nimble/doc/transport.md 中对 transport 层的说明，主要看下面这张图：

BLE

HCI 层包括这4接口：

Host 从 Controller 端接收接口 ble_transport_to_hs_evt 和 ble_transport_to_hs_acl；以及 Host 向 Controller 发送接口 ble_transport_to_ll_cmd 和 ble_transport_to_ll_acl。

在目录下，官方流出的接口定义主要包含在下面几个文件中：

1transport
2   └───inlucde
3       ├───nimble
4       │   └───transport
5       │       └───monitor.h
6       ├───transport_impl.h
7       └───transport.h

其中比较重要的是 transport_impl.h 文件，从名字也可以看出这是一个需要实现的接口定义文件，其主要内容如下：

1/* Init functions to be implemented for transport acting as HS/LL side */
2extern void ble_transport_ll_init(void);
3extern void ble_transport_hs_init(void);
4/* APIs to be implemented by HS/LL side of transports */
5extern int ble_transport_to_ll_cmd_impl(void *buf);
6extern int ble_transport_to_ll_acl_impl(struct os_mbuf *om);
7extern int ble_transport_to_hs_evt_impl(void *buf);
8extern int ble_transport_to_hs_acl_impl(struct os_mbuf *om);

这些接口在 transportinclude imble ransportmonitor.h 中被引用：

 1static inline int
 2ble_transport_to_ll_cmd(void *buf)
 3{
 4    return ble_transport_to_ll_cmd_impl(buf);
 5}
 6static inline int
 7ble_transport_to_ll_acl(struct os_mbuf *om)
 8{
 9    return ble_transport_to_ll_acl_impl(om);
10}
11static inline int
12ble_transport_to_hs_evt(void *buf)
13{
14    return ble_transport_to_hs_evt_impl(buf);
15}
16static inline int
17ble_transport_to_hs_acl(struct os_mbuf *om)
18{
19    return ble_transport_to_hs_acl_impl(om);
20}

看完这个文件，大概明白了，之前官方文档图中提到的 HCI 4个接口，在这里与对应的 _impl() 接口绑定了起来。而 impl() 接口就是官方提供给开发者具体实现对接的接口。

由于 Host 和 Contoller 是双向交互的，所以发送与接收 HCI 包接口是要完整实现的，也就是大多数情况下上述 4 个 *impl() 接口都需要全部实现。

分析 UART 对接 HCI 层官方例程

官方提供了一个使用 UART 对接 HCI 层的例程，源码文件为

nimble/transport/uart/src/hci_uart.c

首先找到熟悉的接口：代码中显式实现了 ble_transport_to_hs_evt_impl 以及 ble_transport_to_hs_acl_impl ，这两个接口中基本上就是使用 uart 向 host 发送数据包，涉及到某个板子 uart 发送数据的具体细节，这里不过多关注。

看完上面两个接口，其实 HCI 中向 Host 发送数据包功能算实现完了，且当前文件中没有实现其他的 impl 接口，很容易能想到，这是写的 Controller 端的 HCI 层代码。

有了这个定性信息，可以开始分析如何从 uart 中接收 Host 层发来的数据包。

通过 uart 初始化函数找到 uart 接收回调函数：

1// uart 初始化函数
2rc = hal_uart_init_cbs(MYNEWT_VAL(BLE_TRANSPORT_UART_PORT),                       
3                           hci_uart_tx_char, NULL,                       
4                           hci_uart_rx_char, NULL);

1// uart 接收回调函数
2static int hci_uart_rx_char(void *arg, uint8_t data)
3{
4    hci_h4_sm_rx(&hci_uart_h4sm, &data, 1);
5    return 0;
6}

可以看到每接收一个字符，都使用 hci_h4_sm_rx 进行接收。该函数声明在 transportcommonhci_h4include imble ransporthci_h4.h 文件下，是关于 H4 的一个函数，大概看一下具体定义，接收字符后有一个组帧判断的过程。看一下 hci_h4.h 下比较关键的两个接口：

1void hci_h4_sm_init(struct hci_h4_sm *h4sm,
2                    const struct hci_h4_allocators *allocs,
3                    hci_h4_frame_cb *frame_cb);
4int hci_h4_sm_rx(struct hci_h4_sm *h4sm, const uint8_t *buf, uint16_t len);

hci_h4_sm_init() 中出现了一个 hci_h4_frame_cb *frame_cb 参数，这是一个函数指针参数，初步猜测用于回调函数的注册。且在

hci_uart.c 代码中，也找到了 hci_h4_sm_init() 相关调用：

244:  hci_h4_sm_init(&hci_uart_h4sm, &hci_h4_allocs_from_hs, hci_uart_frame_cb)

这里将 hci_uart_frame_cb 注册成了回调函数，源码中定义如下：

 1static int 
 2hci_uart_frame_cb(uint8_t pkt_type, void *data)
 3{
 4    switch (pkt_type) {
 5    case HCI_H4_CMD:
 6        return ble_transport_to_ll_cmd(data);
 7    case HCI_H4_ACL:
 8        return ble_transport_to_ll_acl(data);
 9    default:
10        assert(0);
11        break;
12    }
13    return -1;
14}

hci_uart_frame_cb 基本上是对一个完整的 HCI 包的处理，根据不同的类型使用 ble_transport_to_ll_cmd 和 ble_transport_to_ll_acl 传输给 Link Layer 层( Link Layer 是 Controller 上的一个层次，更加确定这是 Controller 上的 HCI 层实现 )。

结合 hci_uart.c 中对 hci_h4_sm 的使用，以及对 hci_h4_sm 相关接口源码的分析，hci_h4_sm 其实是官方提供的一个类似保证包完整性的东西，用于判断一帧完整的 HCI 数据包，并且提供组包完成回调函数的机制。

看到这里，大概脉络应该已经捋清楚了。这是一个 Controller 上的 UART HCI 层对接实现：

1、向 Host 发送 HCI 包：主要通过显式实现 ble_transport_to_hs_evt_impl 以及 ble_transport_to_hs_acl_impl 接口实现，具体何时被调用，协议栈已经自动处理好。

2、从 Host 接收 HCI 包：主要是使用的 hci_h4 中的组包接口，hci_h4_sm 即一个组包的状态机实例，通过 hci_h4_sm_rx 接收 uart 接收到的字符，在判断 hci 包完整接收时调用提前注册好的回调函数 hci_h4_frame_cb 。hci_h4_frame_cb 里则实现了将 uart 接收到的包传递给 LL 层，进而 Controller 可以对 Host 传下来的命令或数据做出响应动作。

完整的 HCI 层实现

Controller 使用 UART 做 HCI 层数据传输

开始说到无论在什么情况下都要完成 HCI 层中 4个主要接口的实现，当前 hci_uart.c 中只找到了两个接口的实现，还有另外两个接口在哪呢。使用全局搜索在 nimblecontrollersrcle_ll.c 下找到了另外两个接口的实现：

 1/* Transport APIs for LL side */
 2int
 3ble_transport_to_ll_cmd_impl(void *buf)
 4{
 5    return ble_ll_hci_cmd_rx(buf, NULL);
 6}
 7int
 8ble_transport_to_ll_acl_impl(struct os_mbuf *om)
 9{
10    return ble_ll_hci_acl_rx(om, NULL);
11}

因为目前默认在 Controller 端实现 HCI 层，剩下未实现的两个接口在 Controller 源码下实现了。

Host 使用 UART 做 HCI 层数据传输

那么假设当前需要实现 Host 端的 HCI 层，且还是需要使用 UART 对接。那么需要实现对接 UART 的接口应该刚好和 hci_uart.c 中相反。

需要在对接源码中，实现 ble_transport_to_ll_cmd_impl 和 ble_transport_to_ll_acl_impl 发送接口，具体同样也是使用 UART 发送包。相应的，在 nimblehostsrcle_hs.c 下找到了以下两个接口的实现：

 1/* Transport APIs for HS side */
 2int
 3ble_transport_to_hs_evt_impl(void *buf)
 4{
 5    return ble_hs_hci_rx_evt(buf, NULL);
 6}
 7int
 8ble_transport_to_hs_acl_impl(struct os_mbuf *om)
 9{
10    return ble_hs_rx_data(om, NULL);
11}

也就实现了 Host端 HCI 层的完整搭建。

在使用 UART 对接 HCI 层时，是默认当前环境只跑了 Host 或 Controller 中的一端，因此 nimblecontrollersrcle_ll.c 和nimblehostsrcle_hs.c 不会同时参与编译，自然也不会引起一些 *impl() 接口重复定义的错误。

不需要其他接口进行 HCI 传输

当 Host 与 Controller 跑在同一环境中，不需要对接具体的数据传输接口， nimblecontrollersrcle_ll.c 和nimblehostsrcle_hs.c 同时参与编译，此时无需再编写额外的代码，即可完整实现整个 HCI 层。

总结

在较早的版本中，NimBLE 对接 HCI 层需要实现以下接口(参考文档)：

 1int ble_hci_trans_hs_cmd_tx(uint8_t *cmd);
 2int ble_hci_trans_hs_acl_tx(struct os_mbuf *om);
 3void ble_hci_trans_cfg_hs(ble_hci_trans_rx_cmd_fn *cmd_cb,
 4                          void *cmd_arg,
 5                          ble_hci_trans_rx_acl_fn *acl_cb,
 6                          void *acl_arg);
 7uint8_t *ble_hci_trans_buf_alloc(int type);
 8void ble_hci_trans_buf_free(uint8_t *buf);
 9int ble_hci_trans_set_acl_free_cb(os_mempool_put_fn *cb, void *arg);
10int ble_hci_trans_reset(void);

可以看出来有一些麻烦，除了处理数据传输方向，还有处理数据包的内存申请与释放，实现起来较为复杂。

当前版本中官方对 HCI 层进行了重构，在 transport.c 中统一处理了数据包的内存申请与释放；让开发者专注于处理数据的发送与接收方式，并且提供了 H4 类型的 HCI 包接收工具，更加方便开发者的对接使用。

　　审核编辑：汤梓红

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