LE 控制器

概述

../../../_images/ctlr_overview.png

  1. HCI

    • 主机控制器接口，蓝牙标准

    • 提供 Zephyr 蓝牙 HCI 驱动

  2. HAL

    • 硬件抽象层

    • 厂商特定实现和 Zephyr 驱动用法

  3. Ticker

    • 软实时射频/资源调度

  4. LL_SW

    • 基于软件的链路层实现

    • 状态与角色、控制过程、数据包控制器

  5. Util

    • 裸机内存池管理

    • 数量可变的队列，无锁使用

    • 固定数量的 FIFO，无锁使用

    • 基于 Mayfly 概念的延迟 ISR 执行

架构

执行概览

../../../_images/ctlr_exec_overview.png

架构概览

../../../_images/ctlr_arch_overview.png

调度

../../../_images/ctlr_sched.png

Ticker

../../../_images/ctlr_sched_ticker.png

上层链路层与下层链路层

../../../_images/ctlr_sched_ull_lll.png

调度变体

../../../_images/ctlr_sched_variant.png

ULL 与 LLL 时序

../../../_images/ctlr_sched_ull_lll_timing.png

事件处理

../../../_images/ctlr_sched_event_handling.png

调度间隔很近的事件

../../../_images/ctlr_sched_msc_close_events.png

中止活动事件

../../../_images/ctlr_sched_msc_event_abort.png

取消待处理事件

../../../_images/ctlr_sched_msc_event_cancel.png

抢占活动事件

../../../_images/ctlr_sched_msc_event_preempt.png

数据流

发送数据流

../../../_images/ctlr_dataflow_tx.png

接收数据流

../../../_images/ctlr_dataflow_rx.png

执行优先级

../../../_images/ctlr_exec_prio.png

  • 事件处理 (0, 1) < 事件准备 (2, 3) < 事件/接收完成 (4) < 发送请求 (5) < 角色管理 (6) < 主机 (7)。

  • LLL 是厂商 ISR，ULL 是 Mayfly ISR 概念，主机是内核线程。

链路层控制过程

以下是 ULL 中控制过程处理实现主要概念的简要介绍。

三种主要执行上下文

  • HCI/LLCP API

    • 其他过程发起 API

    • 通过 ull_llcp.c::ull_cp_<proc>() 发起本地过程

    • 与正在运行的过程（本地和远程）交互

  • 由 lll_prepare 上下文驱动 ull_cp_run()

    • LLCP 主状态机入口/时钟节拍

    • 通过 ull_conn_llcp() 从 ull_peripheral.c/ull_central.c::ticker_cb 进入

  • rx_demux 上下文驱动 ull_cp_tx_ack() 和 ull_cp_rx()

    • LLCP Tx ACK 处理与 PDU 接收

    • 从 ull_conn.c::ull_conn_rx()

    • 负责将 PDU 传入正在运行的过程，也可能发起远程过程

数据结构和 PDU 辅助函数

  • struct llcp_struct

    • LLCP 主数据存储

    • 定义于 ull_conn_types.h，并声明为 struct ll_conn 的一部分

    • 保存本地和远程过程请求队列以及连接特定的 LLCP 数据

    • 基本的连接级抽象

  • struct proc_ctx

    • 通用过程上下文数据，包含各种过程数据和状态，以及用于入队的 sys_snode_t

    • 定义于 ull_llcp_internal.h，通过 ull_llcp.c::create_procedure() 声明/实例化

    • 还保存 tx_ack 中使用的节点引用以及 rx_node 保留机制

  • struct llcp_mem_pool

    • 用于实现过程上下文资源的内存池，分别实例化本地版本和远程版本

    • 通过 ull_llcp.c::create_procedure() 使用

  • 其他 PDU 处理技巧

    • 控制 PDU 的编码和解码由 ull_llcp_pdu.c::llcp_pdu_encode/decode_<PDU>() 完成

    • 其他 PDU 校验通过 ull_llcp.c::pdu_is_valid() 由 ull_llcp.c::pdu_validate_<PDU>() 处理

LLCP 本地和远程请求/过程状态机

  • ull_llcp_local.c

    • 处理本地发起过程的状态机

    • 命名约定：lr _<...> => 本地请求状态机

    • 本地过程队列处理

    • 本地 run/rx/tx_ack 切换

  • ull_llcp_remote.c

    • 上述内容的远程版本

    • 命名约定：rr_<...> => 远程请求状态机

    • 还处理由 llcp_rx_new() 发起的远程过程

    • 其他过程冲突处理（在 rr_st_idle() 中）

  • ull_llcp_common/conn_upd/phy/enc/cc/chmu.c

    • 各个过程的实现（ull_llcp_common.c 汇集了较简单的过程）

    • 命名约定：lp_<...> => 本地发起的过程，rp_<...> => 远程发起的过程

    • 处理从初始化（可能经过 instant）到完成的过程流程，以及适用时的主机通知

其他概念

  • 过程冲突处理

    • 有关说明，请参见蓝牙规范

    • 基本上，有些过程可以并行存在，有些则不能——例如同一时间只能有一个基于 instant 的过程

    • 规范规定了发生冲突时如何处理/解决冲突的规则

  • 终止处理

    • 关于如何处理终止，适用特定规则。

    • 由于过程上下文涉及资源处理，而终止必须始终可用，因此将其作为特殊情况处理。

    • 另请注意：在多种情况下，对端行为无效会触发连接终止。

  • 新远程过程处理

    • 表 new_proc_lut[] 将 LLCP PDU 映射到 llcp_rr_new() 中使用的过程/角色

    • 注意：对于任意给定连接，远程过程队列中始终只能有一个远程过程。

  • 其他细节

    • 暂停/恢复概念——共有两种（详情参见规范）

    • 过程执行可被加密过程暂停

    • 数据发送可被 PHY、DLE 和 ENC 过程暂停

    • RX 节点保留——确保通知需要 RX 节点时无需等待分配

其他单元测试概念

  • 为每个过程单独设置 ZTEST 单元测试

    • zephyr/tests/bluetooth/controller/ctrl_<proc>

  • Rx 节点处理采用模拟实现

    • 不同配置由独立的 conf 文件处理（例如参见 ctrl_conn_update）

    • ZTEST(periph_rem_no_param_req, test_conn_update_periph_rem_accept_no_param_req)

  • 单元测试中使用 rx_demux/prepare 上下文的模拟版本——仅测试过程 PDU 流程

    • 模拟 LLL 准备/完成流程的 event_prepare()/event_done() 辅助函数

    • lt_rx()/lt_tx() 模拟“下层测试器”的 rx/tx

    • ut_rx_node() 模拟“上层测试器”的通知流程处理

    • 用于生成和解析 PDU 的一组辅助函数，以及各种模拟的 ull_stuff()

下层链路层

LLL 执行

../../../_images/ctlr_exec_lll.png

LLL 恢复

../../../_images/ctlr_exec_lll_resume_top.png ../../../_images/ctlr_exec_lll_resume_bottom.png

裸机工具

内存 FIFO 和内存队列

../../../_images/ctlr_mfifo_memq.png

Mayfly

../../../_images/ctlr_mayfly.png

  • Mayfly 是多实例、可扩展的 ISR 执行上下文

  • Work 之于线程，犹如 Mayfly 之于 ISR

  • 在 ISR 中执行的函数列表

  • 执行优先级映射到 IRQ 优先级

  • 便于跨执行上下文调度

  • 尽快进入空闲（race-to-idle）执行

  • 无锁、裸机

旧版控制器

../../../_images/ctlr_legacy.png

低功耗蓝牙控制器——厂商特定细节

硬件要求

Nordic Semiconductor

Nordic Semiconductor 低功耗蓝牙控制器实现需要以下硬件外设。

SoC 外设使用

资源

nRF 外设

实例数

Zephyr 驱动可访问

描述

时钟

NRF_CLOCK

1

是

  • 低频时钟（LFCLOCK）或睡眠时钟，用于在蓝牙射频事件之间实现低功耗

  • 高频时钟（HFCLOCK）或有源时钟，用于高精度数据包定时，以及在蓝牙射频事件内借助帧间间隔（tIFS）时序完成基于软件的收发器状态切换。

RTC [a]

NRF_RTC0

1

否

  • 使用 2 个捕获/比较寄存器

定时器

NRF_TIMER0 或 NRF_TIMER4 [1]，以及 NRF_TIMER1 [0]

2 或 1 [1]

否

  • 2 个实例，分别用于数据包定时和 tIFS 软件切换

  • 第一个实例有 7 个捕获/比较寄存器（3 个必需，1 个可选用于 ISR 性能分析，4 个用于单定时器 tIFS 切换）

  • 如果未使用单 tIFS 定时器，则第二个实例使用 4 个捕获/比较寄存器。

PPI [b]

NRF_PPI

21 个通道（20 [2]），以及 2 个通道组 [3]

是 [4]

  • 用于射频模式切换以实现 tIFS 时序，以及 PA/LNA 控制

DPPI [c]

NRF_DPPI

20 个通道，以及 2 个通道组 [3]

是 [4]

  • 用于射频模式切换以实现 tIFS 时序，以及 PA/LNA 控制

SWI [d]

NRF_SWI4 和 NRF_SWI5，或 NRF_SWI2 和 NRF_SWI3 [5]

2

否

  • 2 个实例，用于下层链路层和上层链路层的低优先级执行上下文

射频

NRF_RADIO

1

否

  • 2.4 GHz 射频收发器，支持多种射频标准，例如 1 Mbps、2 Mbps 和 Coded PHY S2/S8 远距离低功耗蓝牙技术

RNG [e]

NRF_RNG

1

是

ECB [f]

NRF_ECB

1

否

CBC-CCM [g]

NRF_CCM

1

否

AAR [h]

NRF_AAR

1

否

GPIO [i]

NRF_GPIO

2 个 GPIO 引脚，分别用于 PA 和 LNA，各 1 个

是

  • 此外还有 10 个调试 GPIO 引脚（可选）

GPIOTE [j]

NRF_GPIOTE

1

是

  • 用于 PA/LNA

TEMP [k]

NRF_TEMP

1

是

  • 用于 RC 源 LFCLOCK 校准

UART [l]

NRF_UART0

1

是

  • 用于仅控制器构建中的 HCI 接口

IPC [m]

NRF_IPC [5]

1

是

  • 用于仅控制器构建中的 HCI 接口
[a]

实时计数器（RTC）

[b]

可编程外设互连（PPI）

[c]

分布式可编程外设互连（DPPI）

[d]

软件中断（SWI）

[e]

随机数生成器（RNG）

[f]

AES 电子密码本模式加密（ECB）

[g]

密码块链接（CBC）——使用计数器模式加密的消息认证码（CCM）

[h]

加速地址解析器（AAR）

[i]

通用输入输出（GPIO）

[j]

GPIO 任务和事件（GPIOTE）

[k]

温度传感器（TEMP）

[l]

通用异步收发器（UART）

[m]

进程间通信外设（IPC）