RTT zephyr_polling软件包 Bluenrg2 蓝牙芯片启动流程
“开源之夏”“蓝牙HOST协议栈zephyr_polling完善” 项目个人记录
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项目软件包地址：RTT_PACKAGE_zephyr_polling
前面已经完成了 SPI 接口的实现，要让 zephyr_polling 在 Bluenrg2 上运行起来，下一步是实现其特殊的芯片启动流程。
蓝牙芯片启动流程
在用标准的 HCI 指令控制设备进行蓝牙操作之前，需要提前通过 VS Command 对设备进行配置，只有正确配置好的设备才能正常使用。
芯片产商只出售芯片，并不关注外围电路和具体的产品形态，这些是具体的ODM厂商来实现的。也就是芯片产商提供带HCI蓝牙功能的芯片，ODM设计电路并设计产品，之后通过HCI和芯片进行交互。实际各家ODM产商的需求各不相同，芯片产商为了满足不同客户的需要，并且为了减少和客户的对接，就必然在同一套代码的基础上，需要提供一系列的配置参数来满足不同 ODM 厂商的需要。
配置可以包括：固件烧录(部分没有带 FLASH 的蓝牙芯片每次上电都需要重新烧录最新的固件)、蓝牙地址配置、硬件接口配置(如RF接口，晶振类型等，部分蓝牙芯片需要)、波特率配置(HCI 一般是UART接口，默认是115200)以及芯片需要的由厂商要求的其他参数配置。
此外，对于一些有Flash的芯片，完全可以将配置参数等预烧录到了 Flash 中，使用时完全不需要配置任何参数，直接通过HCI接口操作使用即可。
zephyr_polling 协议栈提供了 Boot 流程接口和 Prepare 流程接口，可以根据实际芯片的需求实现启动配置。
Boot流程：
完成厂商的初始化流程，如固件下载，蓝牙地址配置等。在 chipset 注册好接口后，协议栈启动时会通过boot_start()回调启动 chipset(指协议栈 chipset 目录下的启动流程代码，下同) 的 Boot 流程，由于操作接口是 HCI，所以一般都是下发一个VS Command，然后根据 VS Event 来进行后续动作，协议栈会通过event_process()回调接口将收到的 event 上报给 chipset，当 chipset 认为操作结束时，通过调用bt_hci_set_boot_ready()接口通知协议栈boot流程结束。
Prepare流程：
部分厂商的参数要求在 HCI_Reset Command 之后进行(意思是它们的 HCI_Reset Command 会清空配置的参数)。为了兼容这类参数形态，HCI_Reset Command 之后还加入了 Prepare 流程。协议栈收到 HCI_Reset 的 Command Complete Event 后会通过prepare_start()回调启动 chipset 的 Prepare 流程，和 Boot 流程一样，协议栈会通过event_process()回调接口将收到的 event 上报给 chipset ，当chipset 认为操作结束时，通过调用bt_hci_set_prepare_ready()接口通知协议栈prepare流程结束。
BlueNRG-2 启动流程
查阅 ST 官方提供的手册和例程资料，可以了解到 BlueNRG-2 的启动配置需求。
对于 BlueNRG-2：
Boot 流程：无事务。
Prepare 流程：关闭Host功能；蓝牙地址配置；设置 TX power；GATT配置；GAP配置。
BlueNRG-2 启动流程实现
Boot 流程
BlueNRG-2 的 HCI_Reset Command 会清空配置的参数，所以实际的配置放在协议栈的 Prepare 流程中。Boot 流程的回调函数直接调用bt_hci_set_boot_ready()结束流程。
1void boot_start(void) {
2 state = STATE_POLLING_BOOTING;
3 // nothing to do
4 bt_hci_set_boot_ready(); //finish boot
5}
Prepare 流程 - 关闭 Host 功能
开发使用的蓝牙模块 X-NUCLEO-BNRG2A1 中的 BLE 本身是一个 SOC，里面集成了 host 的协议栈。厂商 ST 提供了一套 ACI 指令来控制芯片行为，包括 host 的接口。也就是说默认的情况下，这个芯片的 ACL 交互都被接管了，所以需要通过 ACI 命令，关闭 host 行为。需要通过aci_hal_write_config_data里的CONFIG_DATA_LL_WITHOUT_HOST关闭 host。
Prepare 流程第一步，关闭 host：
1void prepare_start(void) {
2 state = STATE_POLLING_PREPARING;
3 step = 1;
4 // step 1 close host
5 bluenrg2_config_without_host(); // It can be written only if aci_hal_write_config_data() is the first command after reset.
6}
关闭 host 的指令的 ogf 为0x3f，ocf 为0x00c，参数为2c11。其中，0x2C是关闭 Host 在 CONFIG_DATA 中的 offset。
1#define CONFIG_DATA_LL_WITHOUT_HOST (0x2C) /**< Switch on/off Link Layer only mode. Set to 1 to disable Host. */
2#define CONFIG_DATA_LL_WITHOUT_HOST_LEN (1)
3static int bluenrg2_config_without_host()
4{
5 uint8_t cmd_buffer[CONFIG_DATA_LL_WITHOUT_HOST_LEN + 2];
6 struct net_buf *buf;
7 cmd_buffer[0] = CONFIG_DATA_LL_WITHOUT_HOST; //offset
8 cmd_buffer[1] = CONFIG_DATA_LL_WITHOUT_HOST_LEN; //config len
9 cmd_buffer[2] = 1; //Set to 1 to disable Host
10 uint16_t ogf = 0x3f, ocf = 0x00c;
11 uint16_t opcode = (uint16_t)((ocf & 0x03ff)|(ogf << 10));
12 buf = bt_hci_cmd_create(opcode, sizeof(cmd_buffer));
13 if (!buf)
14 {
15 return -ENOBUFS;
16 }
17 net_buf_add_mem(buf, cmd_buffer, sizeof(cmd_buffer));
18 return bt_hci_cmd_send(opcode, buf);
19}
Prepare 流程 - 蓝牙地址设置
需要通过aci_hal_write_config_data里的CONFIG_DATA_PUBADDR_OFFSET配置蓝牙地址。
配置蓝牙地址的指令的 ogf 为0x3f，ocf 为0x00c。配置蓝牙地址指令在 CONFIG_DATA 中的 offset 为 0x00，后面跟上地址长度和设置的蓝牙地址。
1#define BLE_MAC_ADDR \
2 { \
3 { \
4 0xf5, 0x00, 0x00, 0xE1, 0x80, 0x02 \
5 } \
6 }
7#define CONFIG_DATA_PUBADDR_OFFSET (0x00) /**< Bluetooth public address */
8#define CONFIG_DATA_PUBADDR_LEN (6)
9static int bluenrg2_config_set_public_addr()
10{
11 uint8_t cmd_buffer[CONFIG_DATA_PUBADDR_LEN + 2];
12 struct net_buf *buf;
13 bt_addr_t addr = BLE_MAC_ADDR;
14 cmd_buffer[0] = CONFIG_DATA_PUBADDR_OFFSET; //offset
15 cmd_buffer[1] = CONFIG_DATA_PUBADDR_LEN; //config len
16 memcpy(cmd_buffer + 2, addr.val, CONFIG_DATA_PUBADDR_LEN); // addr
17 uint16_t ogf = 0x3f, ocf = 0x00c;
18 uint16_t opcode = (uint16_t)((ocf & 0x03ff)|(ogf << 10));
19 buf = bt_hci_cmd_create(opcode, sizeof(cmd_buffer));
20 if (!buf)
21 {
22 return -ENOBUFS;
23 }
24 net_buf_add_mem(buf, cmd_buffer, sizeof(cmd_buffer));
25 return bt_hci_cmd_send(opcode, buf);
26}
Prepare 流程 - 设置发射功率
配置发射功率的指令的 ogf 为0x3f，ocf 为0x00f。命令参数为是否启用高功率模式(0x00启用普通功率，0x01启用高功率)和功率放大器输出电平(允许的PA电平取决于设备)。
PA_Level 值对应功率
0: -14 dBm (High Power)
1: -11 dBm (High Power)
2: -8 dBm (High Power)
3: -5 dBm (High Power)
4: -2 dBm (High Power)
5: 2 dBm (High Power)
6: 4 dBm (High Power)
7: 8 dBm (High Power)
1static int bluenrg2_set_tx_power_level(uint8_t En_High_Power, uint8_t PA_Level)
2{
3 uint8_t cmd_buffer[2];
4 struct net_buf *buf;
5 cmd_buffer[0] = En_High_Power; //En_High_Power
6 cmd_buffer[1] = PA_Level; //config PA_Level
7 uint16_t ogf = 0x3f, ocf = 0x00f;
8 uint16_t opcode = (uint16_t)((ocf & 0x03ff)|(ogf << 10));
9 buf = bt_hci_cmd_create(opcode, sizeof(cmd_buffer));
10 if (!buf)
11 {
12 return -ENOBUFS;
13 }
14 net_buf_add_mem(buf, cmd_buffer, sizeof(cmd_buffer));
15 return bt_hci_cmd_send(opcode, buf);
16}
GATT 初始化的指令的 ogf 为0x3f，ocf 为0x101，没有其它参数。
1static int bluenrg2_gatt_init(void)
2{
3 uint16_t ogf = 0x3f, ocf = 0x101;
4 uint16_t opcode = (uint16_t)((ocf & 0x03ff)|(ogf << 10));
5 return bt_hci_cmd_send(opcode, NULL);
6}
Prepare 流程 - GAP 配置
初始化 GAP 层。注册GAP服务，并设置标准 GAP 服务特性：设备名称、Appearance、外围设备首选连接参数(仅限外围设备)。
GAP 配置的指令的 ogf 为0x3f，ocf 为0x08a。配置为外围设备，如果需要用做其他角色，需要修改此处；不启用隐私策略(为保护地址不被窃取，进行地址加密/解密，并周期更新)；设置设备名字长度。
privacy:
0x00: Privacy disabled
0x01: Privacy host enabled
0x02: Privacy controller enabled
1#define GAP_PERIPHERAL_ROLE (0x01)
2#define GAP_BROADCASTER_ROLE (0x02)
3#define GAP_CENTRAL_ROLE (0x04)
4#define GAP_OBSERVER_ROLE (0x08)
5#define privacy_enabled (0x00)
6#define device_name_char_len (0x08)
7static int bluenrg2_gap_init()
8{
9 uint8_t cmd_buffer[3];
10 struct net_buf *buf;
11 cmd_buffer[0] = GAP_PERIPHERAL_ROLE; //role
12 cmd_buffer[1] = privacy_enabled; //privacy
13 cmd_buffer[2] = device_name_char_len; //device_name_char_len
14 uint16_t ogf = 0x3f, ocf = 0x08a;
15 uint16_t opcode = (uint16_t)((ocf & 0x03ff)|(ogf << 10));
16 buf = bt_hci_cmd_create(opcode, sizeof(cmd_buffer));
17 if (!buf)
18 {
19 return -ENOBUFS;
20 }
21 net_buf_add_mem(buf, cmd_buffer, sizeof(cmd_buffer));
22 return bt_hci_cmd_send(opcode, buf);
23}
启动事件处理
对于启动流程的返回响应，需要由event_process()回调进行判断和推进。这里为了方便，只对CMD_COMPLETE事件进行判断处理，推进 Prepare 流程进行。
GAP 设置完成后调用bt_hci_set_prepare_ready()结束流程。
1void event_process(uint8_t event, struct net_buf *buf)
2{
3 if(state == STATE_POLLING_PREPARING) // boot do nothing
4 {
5 if (event == BT_HCI_EVT_CMD_COMPLETE) //only complete
6 {
7 printk("prepare_event_process, step: %d\n", step);
8 switch (step)
9 {
10 case 1: //close host just now
11 bluenrg2_config_set_public_addr(); //step2 set_public_addr
12 step = 2;
13 break;
14 case 2:
15 bluenrg2_set_tx_power_level(1, 4); //step3 set_public_addr
16 step = 3;
17 break;
18 case 3:
19 bluenrg2_gatt_init(); //step4 gatt_ini
20 step = 4;
21 break;
22 case 4:
23 bluenrg2_gap_init(); //step5 gap_ini
24 step = 5;
25 break;
26 case 5:
27 bt_hci_set_prepare_ready(); //finish prepare
28 step = 0;
29 break;
30 }
31 }
32 }
33}
启动流程注册
将上述实现的启动流程的函数指针打包到bt_hci_chipset_driver结构体中，供协议栈调用注册。
1static const struct bt_hci_chipset_driver chipset_drv = {
2 init_work, boot_start, prepare_start, event_process,
3};
4// public drv API
5const struct bt_hci_chipset_driver *bt_hci_chipset_impl_local_instance(void)
6{
7 return &chipset_drv;
8}
验证
完成 HCI 接口的时候虽然成功运行了 Beacon 例程，但 Beacon 例程是不需要进行 chipset 启动配置流程的（运行时启用的是common空白回调）。运行外设的心率例程验证 Bluenrg2 蓝牙芯片启动流程。
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5do components initialization.
6initialize rti_board_end:0 done
7initialize stm32l4_hw_lptim_init:0 done
8initialize finsh_system_init:0 done
9msh >zephyr
10zephyr_polling_init
11bt_init_hci_driver
12SPI_init_process device_name: spi10, spi_name: spi1, rate: 1000000, databits: 8, LSB_MSB: 1, Master_Slave: 0, CPOL: 0, CPHA: 1
13SPI_init_process cs_pin_num: 1, irq_pin_num: 0
14hci_driver_open, SPI_config_finish
15I: (bt_hci_core)hci_init():3230: work start.
16msh >prepare_event_process, step: 1
17prepare_event_process, step: 2
18prepare_event_process, step: 3
19prepare_event_process, step: 4
20prepare_event_process, step: 5
21I: (bt_hci_core)hci_init_end():3205: work end.
22E: (bt_smp)smp_self_test():5695: smp_self_test start
23I: (bt_hci_core)bt_dev_show_info():3008: Identity: 02:80:e1:00:00:f5 (public)
24I: (bt_hci_core)bt_dev_show_info():3042: HCI: version 5.2 (0x0b) revision 0x1222, manufacturer 0x0030
25I: (bt_hci_core)bt_dev_show_info():3044: LMP: version 5.2 (0x0b) subver 0x0015
26Bluetooth initialized
27Advertising successfully started
28Connected
29BAS Notifications enabled
30HRS notifications enabled
prepare_event_process 步骤的日志输出正常，设备连接、电池服务、心率服务正常。
———————End———————
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