實戰Linux Bluetooth編程（三） HCI層編程

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作者：Sam （甄峰） sam_code@hotmail.com

（HCI協議簡介，HCI
在BlueZ中的實現以及HCI編程介面）

 

1. HCI層協議概述：

HCI提供一套統一的方法來訪問Bluetooth底層。：

 

 

從圖上可以看出，Host Controller
Interface(HCI)
  就是用來溝通Host和Module。Host通常就是PC，
Module則是以各種物理串連形式（USB,serial,pc-card等）串連到PC上的bluetooth Dongle。

在Host這一端：application,SDP,L2cap等協議都是軟體形式提出的（Bluez中是以kernel層程式)。在Module這一
端：Link
Manager, BB, 等協議都是硬體中firmware提供的。

而HCI則比較特殊，它一部分在軟體中實現，用來給上層協議和程式提供提供者（Bluez中,hci.c
hci_usb.c，hci_sock.c等）.另一部分也是在Firmware中實現，用來將軟體部分的指令等用底層協議明白的方式傳遞給底層。

 

居於PC的上層程式與協議和居於Modules的下層協議之間通過HCI溝通，有4種不同形式的傳輸：Commands,
Event, ACL Data, SCO/eSCO Data。

 

1.1. HCI Command：

HCI Command是Host向Modules發送命令的一種方式。HCI Command Packet結構如下：

OpCode用來唯一標識HCI Command.它由2部分組成，10bit的Opcode Command.
6bit的Opcode Group。

 

1.1.1: OpCode Group:

Linux Kernel（BlueZ）中，~/include/net/bluetooth/hci.h中定義了OpCode
Group。

#define OGF_LINK_CTL 0x01

#define
OGF_LINK_POLICY 0x02  

#define OGF_HOST_CTL 0x03

#define
OGF_INFO_PARAM 0x04

#define
OGF_STATUS_PARAM 0x05

它們代表了不同的Command Group：

 

OGF_LINK_CTL:
Link control,這個Command
Group中的Command允許Host控制與其它bluetooth device 的串連。

OGF_LINK_POLICY
 ：Link
Policy。這個Command Group中的Command允許調整Link Manager control.

OGF_HOST_CTL:
Control and Baseband.

 

1.1.2: Opcode Command:
 

用來在同一個Group內唯一識別Command。~/include/net/bluetooth/hci.h中定義。

 

 

1.2: HCI Event：

Modules向Host發送一些資訊，使用HCI Event。Event Packet結構如下：

HCI Event分3種：Command complete Event, Command States
Event，Command Subsequently Completend.

Command complete Event
:
如果Host發送的Command可以立刻有結果，則會發送此類Event。也就是說，如果發送的Command只與本地Modules有關，不與
remote裝置打交道，則使用Command
complete Event。例如：HCI_Read_Buffer_Size.

Command States
Event：
如果Host發送的Command不能立刻得知結果，則發送此類Event。Host發送的Command執行要與
Remote裝置打交道，則必然無法立刻得知結果，所以會發送Command
States Event.例如：

HCI Connect。

Command Subsequently
Completend:
Command延後完成Event。例如：串連已建立。

 

是一個Command-Event例子：

從這裡可以看出，如果Host發送的Command是與Remote device有關的，則會先發送Command
States Event
 。等動作真正完成了，再發送
Command Subsequently Completend。

 

HCI ACL與SCO資料，這裡就不多講了。只需要明白，l2cap資料是通過ACL資料轉送給remote
device的。

很明白的展示了l2cap資料如何一步一步轉化為USB資料並傳遞給底層協議的。

很明顯，一個l2cap包會按照規則先切割為多個HCI資料包。HCI資料包再通過HCI-usb這一層傳遞給USB裝置。每個包又通過USB
driver發送到底層。

 

 

2. HCI
protocol的實現：

（稍後添加）

 

 

3. HCI 層的編程：

正如上一節所說，HCI是溝通上層協議以及程式與底層硬體協議的通道。所以，通過HCI發送的Command都是上層協議或者應用程式發送給
Bluetooth
Dongle的。它命令Bluetooth Dongle（或其中的硬體協議）去做什麼何種動作。

 

3.0：得到Host上插入Dongle數目以及Dongle資訊：

我們先複習一下socket的概念：

使用函數socket()建立一個Socket，就如同你有一部電話.bind()則是把這個電話和某個電話號碼（網路地址）對應起來。

類似的，我們可以把Host理解為一個房間，這個房間有多部電話（Dongle）。

當使用socket() 開啟一個HCI
protocol的socket，表明得到這個房間的控制代碼。HOST可能會有多個Dongle。換句話說，這個房間可以有多個電話號碼。所以HCI會提供
一套指令去得到這些Dongle。

 

 

//
0. 分配一個空間給 hci_dev_list_req。這裡面將放所有Dongle資訊。

struct hci_dev_list_req *dl;
struct hci_dev_req *dr;

struct hci_dev_info di;

int i;

 

 if (!(dl = malloc(HCI_MAX_DEV * sizeof(struct
hci_dev_req) + sizeof(uint16_t)))) {
  perror("Can't allocate
memory");
  exit(1);
 }
 dl->dev_num = HCI_MAX_DEV;
 dr = dl->dev_req;

 

 

//1. 開啟一個HCI socket.此socket相當於一個房間。

if ((ctl = socket(AF_BLUETOOTH, SOCK_RAW, BTPROTO_HCI))
< 0) {
  perror("Can't open HCI
socket.");
  exit(1);
 }

 

// 2. 使用HCIGETDEVLIST,得到所有dongle的Device
ID。存放在dl中。  

 if (ioctl(ctl, HCIGETDEVLIST, (void *) dl)
< 0) {
  perror("Can't get device
list");
  exit(1);
 }

 

// 3 使用HCIGETDEVINFO，得到對應Device ID的Dongle資訊。

di.dev_id = (dr+i)->dev_id;
ioctl(ctl, HCIGETDEVINFO, (void *) &di)；

 

這樣就能得到所有Dongle資訊。

struct hci_dev_info {
 uint16_t
dev_id;   //dongle Device
ID
 char    
name[8];  //Dongle name

 bdaddr_t
bdaddr;   //Dongle bdaddr

 uint32_t
flags;   
//Dongle Flags：如：UP，RUNING，Down等。
 uint8_t 
type;   //Dongle串連方式：如USB，PC
Card，UART，RS232等。

 uint8_t  features[8];

 uint32_t pkt_type;
 uint32_t link_policy;
 uint32_t link_mode;

 uint16_t acl_mtu;
 uint16_t acl_pkts;
 uint16_t sco_mtu;
 uint16_t sco_pkts;

 struct  
hci_dev_stats stat;  //此Dongle的資料資訊，如發送多少個ACL
Packet，正確多少，錯誤多少，等等。
};

 

3.0.1: UP和Down Bluetooth Dongle：

ioctl(ctl, HCIDEVUP, hdev)

ioctl(ctl, HCIDEVDOWN, hdev)

ctl：為使用socket(AF_BLUETOOTH, SOCK_RAW, BTPROTO_HCI)開啟的Socket.

hdev: Dongle Device ID.(所以上面的Socket不需要bind,因為這邊指定了)

 

 

 

 

 

3.1
BlueZ提供的HCI編程介面一（針對本地Dongle的API系列）：

3.1。1 開啟一個HCI Socket---int hci_open_dev(int
dev_id):

這個function用來開啟一個HCI Socket。它首先開啟一個HCI
protocol的Socket（房間），並將此Socket與device
ID=參數dev_id的Dongle綁定起來。只有bind後，它才將Socket控制代碼與Dongle對應起來。

注意，所有的HCI Command發送之前，都需要使用
hci_open_dev
開啟並綁定。

 

3.1.2: 關閉一個HCI Socket：

int hci_close_dev(int dd)
//簡單的關閉使用hci_open_dev
開啟的Socket。

 

3.1.3: 向HCI Socket（對應一個Dongle）發送
request:

int hci_send_req(int dd, struct
hci_request *r, int to)

BlueZ提供這個function非常有用，它可以實現一切Host向Modules發送Command的功能。

參數1：HCI Socket。

參數2：Command內容。

參數3：以milliseconds為單位的timeout.

下面詳細解釋此function和用法：

當應用程式需要向Dongle(對應為一個bind後的Socket)發送Command時，調用此function.

其中，參數一dd
對應一個使用hci_open_dev（）
打
開的Socket（Dongle）。

參數三to
則為等待Dongle執行並回複命令結果的timeout.以毫秒為單位。

參數二hci_request * r
最
為重要,首先看它的結構：

struct hci_request {
 uint16_t
ogf;    //Opcode
Group

 uint16_t
ocf;    //Opcode
Command

 int     
event;  //此Command產生的Event類型。

 void    
*cparam; //Command 參數

 int     
clen;   
//Command參數長度

 void    
*rparam;  //Response
參數

 int     
rlen;   
//Response 參數長度

};

ogf,ocf不用多說，對應前面的圖就明白這是Group Code和Command Code。這兩項先確定下來，然後可以查HCI
Spec。察看輸入參數（cparam）以及輸出參數（rparam）含義。至於他們的結構以及參數長度，則在~/include/net
/bluetooth/hci.h中有定義。

至於event.如果設定，它會被setsockopt設定於Socket。

 

例1：得到某個串連的Policy Setting.

HCI
Spec以及~/include/net/bluetooth/hci.h中均可看到，OGF=OGF_LINK_POLICY(0x02).
OCF=OCF_READ_LINK_POLICY(0x0C).

因為這個Command用來讀取某個ACL串連的Policy Setting。所以輸入參數即為此串連Handle.

返回參數則包含3部分，status（Command是否順利執行）， handle(串連Handle)。
policy（得到的policy值）

這就又引入了一個新問題，如何得到某個ACL串連的Handle。

可以使用ioctl HCIGETCONNINFO得到ACL 串連Handle。

ioctl(dd, HCIGETCONNINFO, (unsigned long) cr)；

Connect_handle =
htobs(cr->conn_info->handle);

 

所以完整的過程如下：

 

struct hci_request HCI_Request;
 read_link_policy_cp Command_Param;
 read_link_policy_rp Response_Param;

// 1.得到ACL Connect Handle

if (ioctl(dd, HCIGETCONNINFO, (unsigned long) cr)
< 0) 
 {  
  return -1；

 }
 Connect_handle =
htobs(cr->conn_info->handle);

 

memset(&HCI_Request, 0,
sizeof(HCI_Request));
 memset(&Command_Param, 0 ,
sizeof(Command_Param));
 memset(&Response_Param, 0 ,
sizeof(Response_Param));

 

// 2.填寫Command輸入參數
 Command_Param.handle = Connect_handle;

 

 

HCI_Request.ogf = OGF_LINK_POLICY; 
//Command組ID
 HCI_Request.ocf = OCF_READ_LINK_POLICY; //Command
ID
 HCI_Request.cparam =
&Command_Param;
 HCI_Request.clen =
READ_LINK_POLICY_CP_SIZE;
 HCI_Request.rparam =
&Response_Param;
 HCI_Request.rlen = READ_LINK_POLICY_RP_SIZE;

 

if (hci_send_req(dd, &HCI_Request, to)
< 0)
 {
  perror("/nhci_send_req()");

  return -1;
 }

//如果傳回值狀態不對

 if (Response_Param.status) {
  return -1;

 }

//得到當前policy
 *policy = Response_Param.policy;

 

 

3.1.4:幾個更基礎的function:

static inline void bacpy(bdaddr_t *dst, const bdaddr_t *src)
//bdaddr copy

static inline int bacmp(const bdaddr_t *ba1, const bdaddr_t
*ba2)//bdaddr 比較

 

 

3.1.5: 得到指定Dongle BDAddr：

int hci_read_bd_addr(int dd, bdaddr_t *bdaddr, int to)；

參數1：HCI
Socket,使用hci_open_dev（）
開啟的Socket（Dongle）。

參數2：輸出參數，其中會放置bdaddr.

參數3：以milliseconds為單位的timeout.

 

 

 

3.1.6: 讀寫Dongle Name：

int hci_read_local_name(int dd, int len, char *name, int to)

int hci_write_local_name(int dd, const char *name, int to)

參數1：HCI
Socket,使用hci_open_dev（）
開啟的Socket（Dongle）。

參數2：讀取或設定Name。

參數3：以milliseconds為單位的timeout.

注意：這裡的Name與IOCTL HCIGETDEVINFO 得到hci_dev_info中的name不同。

 

3.1.7：得到HCI Version:

int hci_read_local_version(int dd, struct hci_version *ver, int
to)

 

 

3.1.8：得到已經UP的Dongle BDaddr：

int hci_devba(int dev_id, bdaddr_t *bdaddr)；

dev_id: Dongle Device ID.

bdaddr:輸出參數，指定Dongle如果UP， 則放置其BDAddr。

 

3.1.9: 得到Dongle Info：

int hci_devinfo(int dev_id, struct hci_dev_info *di)

dev_id: Dongle Device ID.

di: 此Dongle資訊。

出錯返回 -1。

注意，這個Function的做法與3.0的方法完全一致。

 

3.1.10：從hciX中得到X：

int hci_devid(const char *str)

str: 類似 hci0這樣的字串。

如果hciX對應的Device ID(X)是現實存在且UP。則返回此裝置Device
ID。 

 

3.1.11：得到BDADDR不等於參數
bdaddr的Dongle
Device ID：

int hci_get_route(bdaddr_t *bdaddr)

尋找Dongle，發現Dongle Bdaddr不等於參數bdaddr的第一個Dongle，則返回此Dongle Device
ID。

所以，如果: int hci_get_route(NULL),則得到第一個可用的Dongle Device ID。

 

 

3.1.12: 將BDADDR轉換為字串：

int ba2str(const bdaddr_t *ba, char *str)

 

3.1.13: 將自串轉換為BDADDR：

int str2ba(const char *str, bdaddr_t *ba)

 

 

3.2
BlueZ提供的HCI編程介面二（針對Remote Device的API系列）：

3.2.1  inquiry 遠程Bluetooth
Device：

int hci_inquiry(int dev_id, int len, int nrsp, const uint8_t
*lap, inquiry_info **ii, long flags)

hci_inquiry（）用來命令指定的Dongle去搜尋周圍所有bluetooth
device.並將搜尋到的Bluetooth Device bdaddr 傳遞迴來。

參數1：dev_id：指定Dongle Device ID。如果此值小於0，則會使用第一個可用的Dongle。

參數2：len: 此次inquiry的時間長度（每增加1，則增加1.25秒時間）

參數3：nrsp:此次搜尋最大搜尋數量，如果給0。則此值會取255。

參數4：lap:BDADDR中LAP部分，Inquiry時這塊值預設為0X9E8B33.通常使用NULL。則自動化佈建。

參數5：ii:存放搜尋到Bluetooth
Device的地方。給一個存放inquiry_info指標的地址，它會自動分配空間。並把那個空間頭地址放到其中。

參數6：flags:搜尋flags.使用IREQ_CACHE_FLUSH，則會真正重新inquiry。否則可能會傳回上次的結果。

 

傳回值是這次Inquiry到的Bluetooth Device 數目。

 

注意：如果*ii不是自己分配的，而是讓hci_inquiry()自己分配的，則需要調用
bt_free（）來幫它釋放空間。

 

 

3.2.2：得到指定BDAddr的reomte device Name:

int hci_read_remote_name(int dd, const bdaddr_t *bdaddr, int
len, char *name, int to)

參數1：使用hci_open_dev（）開啟的Socket。

參數2：對方BDAddr.

參數3：name 長度。

參數4：(out)放置name的位置。

參數5：等待時間。

 

3.2.3: 讀取串連的訊號強度：

int hci_read_rssi(int dd, uint16_t handle, int8_t *rssi, int
to)

注意，所有對串連的操作，都會有一個參數，handle.這個參數是串連的Handle。前面講過如何得到串連Handle的。