RTT zephyr_polling软件包 Bluenrg2蓝牙芯片启动流程

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。

void boot_start(void) {
state = STATE_POLLING_BOOTING;
// nothing to do
bt_hci_set_boot_ready(); //finish boot
}

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：

void prepare_start(void) {
state = STATE_POLLING_PREPARING;
step = 1;
// step 1 close host
bluenrg2_config_without_host(); // It can be written only if aci_hal_write_config_data() is the first command after reset.
}
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。

#define CONFIG_DATA_LL_WITHOUT_HOST (0x2C) /**< Switch on/off Link Layer only mode. Set to 1 to disable Host. */
#define CONFIG_DATA_LL_WITHOUT_HOST_LEN (1)
static int bluenrg2_config_without_host()
{
uint8_t cmd_buffer[CONFIG_DATA_LL_WITHOUT_HOST_LEN + 2];
struct net_buf *buf;
cmd_buffer[0] = CONFIG_DATA_LL_WITHOUT_HOST; //offset
cmd_buffer[1] = CONFIG_DATA_LL_WITHOUT_HOST_LEN; //config len
cmd_buffer[2] = 1; //Set to 1 to disable Host
uint16_t ogf = 0x3f, ocf = 0x00c;
uint16_t opcode = (uint16_t)((ocf & 0x03ff)|(ogf << 10));
buf = bt_hci_cmd_create(opcode, sizeof(cmd_buffer));
if (!buf)
{
return -ENOBUFS;
}
net_buf_add_mem(buf, cmd_buffer, sizeof(cmd_buffer));
return bt_hci_cmd_send(opcode, buf);
}

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。

#define BLE_MAC_ADDR
{
{
0xf5, 0x00, 0x00, 0xE1, 0x80, 0x02
}
}
#define CONFIG_DATA_PUBADDR_OFFSET (0x00) /**< Bluetooth public address */
#define CONFIG_DATA_PUBADDR_LEN (6)
static int bluenrg2_config_set_public_addr()
{
uint8_t cmd_buffer[CONFIG_DATA_PUBADDR_LEN + 2];
struct net_buf *buf;
bt_addr_t addr = BLE_MAC_ADDR;
cmd_buffer[0] = CONFIG_DATA_PUBADDR_OFFSET; //offset
cmd_buffer[1] = CONFIG_DATA_PUBADDR_LEN; //config len
memcpy(cmd_buffer + 2, addr.val, CONFIG_DATA_PUBADDR_LEN); // addr
uint16_t ogf = 0x3f, ocf = 0x00c;
uint16_t opcode = (uint16_t)((ocf & 0x03ff)|(ogf << 10));
buf = bt_hci_cmd_create(opcode, sizeof(cmd_buffer));
if (!buf)
{
return -ENOBUFS;
}
net_buf_add_mem(buf, cmd_buffer, sizeof(cmd_buffer));
return bt_hci_cmd_send(opcode, buf);
}
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)

static int bluenrg2_set_tx_power_level(uint8_t En_High_Power, uint8_t PA_Level)
{
uint8_t cmd_buffer[2];
struct net_buf *buf;
cmd_buffer[0] = En_High_Power; //En_High_Power
cmd_buffer[1] = PA_Level; //config PA_Level
uint16_t ogf = 0x3f, ocf = 0x00f;
uint16_t opcode = (uint16_t)((ocf & 0x03ff)|(ogf << 10));
buf = bt_hci_cmd_create(opcode, sizeof(cmd_buffer));
if (!buf)
{
return -ENOBUFS;
}
net_buf_add_mem(buf, cmd_buffer, sizeof(cmd_buffer));
return bt_hci_cmd_send(opcode, buf);
}
Prepare 流程 - GATT 配置
GATT 初始化的指令的 ogf 为0x3f，ocf 为0x101，没有其它参数。

static int bluenrg2_gatt_init(void)
{
uint16_t ogf = 0x3f, ocf = 0x101;
uint16_t opcode = (uint16_t)((ocf & 0x03ff)|(ogf << 10));
return bt_hci_cmd_send(opcode, NULL);
}

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

#define GAP_PERIPHERAL_ROLE (0x01)
#define GAP_BROADCASTER_ROLE (0x02)
#define GAP_CENTRAL_ROLE (0x04)
#define GAP_OBSERVER_ROLE (0x08)
#define privacy_enabled (0x00)
#define device_name_char_len (0x08)
static int bluenrg2_gap_init()
{
uint8_t cmd_buffer[3];
struct net_buf *buf;
cmd_buffer[0] = GAP_PERIPHERAL_ROLE; //role
cmd_buffer[1] = privacy_enabled; //privacy
cmd_buffer[2] = device_name_char_len; //device_name_char_len
uint16_t ogf = 0x3f, ocf = 0x08a;
uint16_t opcode = (uint16_t)((ocf & 0x03ff)|(ogf << 10));
buf = bt_hci_cmd_create(opcode, sizeof(cmd_buffer));
if (!buf)
{
return -ENOBUFS;
}
net_buf_add_mem(buf, cmd_buffer, sizeof(cmd_buffer));
return bt_hci_cmd_send(opcode, buf);
}

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。

void event_process(uint8_t event, struct net_buf *buf)
{
if(state == STATE_POLLING_PREPARING) // boot do nothing
{
if (event == BT_HCI_EVT_CMD_COMPLETE) //only complete
{
printk("prepare_event_process, step: %dn", step);
switch (step)
{
case 1: //close host just now
bluenrg2_config_set_public_addr(); //step2 set_public_addr
step = 2;
break;
case 2:
bluenrg2_set_tx_power_level(1, 4); //step3 set_public_addr
step = 3;
break;
case 3:
bluenrg2_gatt_init(); //step4 gatt_ini
step = 4;
break;
case 4:
bluenrg2_gap_init(); //step5 gap_ini
step = 5;
break;
case 5:
bt_hci_set_prepare_ready(); //finish prepare
step = 0;
break;
}
}
}
}

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。

static const struct bt_hci_chipset_driver chipset_drv = {
init_work, boot_start, prepare_start, event_process,
};
// public drv API
const struct bt_hci_chipset_driver *bt_hci_chipset_impl_local_instance(void)
{
return &chipset_drv;
}

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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do components initialization.
initialize rti_board_end:0 done
initialize stm32l4_hw_lptim_init:0 done
initialize finsh_system_init:0 done
msh >zephyr
zephyr_polling_init
bt_init_hci_driver
SPI_init_process device_name: spi10, spi_name: spi1, rate: 1000000, databits: 8, LSB_MSB: 1, Master_Slave: 0, CPOL: 0, CPHA: 1
SPI_init_process cs_pin_num: 1, irq_pin_num: 0
hci_driver_open, SPI_config_finish
I: (bt_hci_core)hci_init():3230: work start.
msh >prepare_event_process, step: 1
prepare_event_process, step: 2
prepare_event_process, step: 3
prepare_event_process, step: 4
prepare_event_process, step: 5
I: (bt_hci_core)hci_init_end():3205: work end.
E: (bt_smp)smp_self_test():5695: smp_self_test start
I: (bt_hci_core)bt_dev_show_info():3008: Identity: 02:80:e1:00:00:f5 (public)
I: (bt_hci_core)bt_dev_show_info():3042: HCI: version 5.2 (0x0b) revision 0x1222, manufacturer 0x0030
I: (bt_hci_core)bt_dev_show_info():3044: LMP: version 5.2 (0x0b) subver 0x0015
Bluetooth initialized
Advertising successfully started
Connected
BAS Notifications enabled
HRS 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。