实战Linux Bluetooth编程（三） HCI层编程

作者：Sam （甄峰） 

（HCI协议简介，HCI 在BlueZ中的实现以及HCI编程接口）

 

1. HCI层协议概述：

HCI提供一套统一的方法来访问Bluetooth底层。如图所示：

 

 

从图上可以看出，Host Controller Interface(HCI)  就是用来沟通Host和Module。Host通常就是PC， Module则是以各种物理连接形式（USB,serial,pc-card等）连接到PC上的bluetooth Dongle。

在Host这一端：application,SDP,L2cap等协议都是软件形式提出的（Bluez中是以kernel层程序)。在Module这一端：Link Manager, BB, 等协议都是硬件中firmware提供的。

而HCI则比较特殊，它一部分在软件中实现，用来给上层协议和程序提供访问接口（Bluez中,hci.c hci_usb.c，hci_sock.c等）.另一部分也是在Firmware中实现，用来将软件部分的指令等用底层协议明白的方式传递给底层。

 

居于PC的上层程序与协议和居于Modules的下层协议之间通过HCI沟通，有4种不同形式的传输：Commands, Event, ACL Data, SCO/eSCO Data。

 

1.1. HCI Command：

HCI Command是Host向Modules发送命令的一种方式。HCI Command Packet结构如下：

OpCode用来唯一标识HCI Command.它由2部分组成，10bit的Opcode Command. 6bit的Opcode Group。

 

1.1.1: OpCode Group:

Linux Kernel（BlueZ）中，~/include/net/bluetooth/hci.h中定义了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

它们代表了不同的Command Group：

 

OGF_LINK_CTL: Link control,这个Command Group中的Command允许Host控制与其它bluetooth device 的连接。

OGF_LINK_POLICY ：Link Policy。这个Command Group中的Command允许调整Link Manager control.

OGF_HOST_CTL: Control and Baseband.

 

1.1.2: Opcode Command: 

用来在同一个Group内唯一识别Command。~/include/net/bluetooth/hci.h中定义。

 

 

1.2: HCI Event：

Modules向Host发送一些信息，使用HCI Event。Event Packet结构如下：

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

Command complete Event: 如果Host发送的Command可以立刻有结果，则会发送此类Event。也就是说，如果发送的Command只与本地Modules有关，不与remote设备打交道，则使用Command complete Event。例如：HCI_Read_Buffer_Size.

Command States Event：如果Host发送的Command不能立刻得知结果，则发送此类Event。Host发送的Command执行要与Remote设备打交道，则必然无法立刻得知结果，所以会发送Command States Event.例如：

HCI Connect。

Command Subsequently Completend:Command延后完成Event。例如：连接已建立。

 

下图是一个Command-Event例子：

从这里可以看出，如果Host发送的Command是与Remote device有关的，则会先发送Command States Event 。等动作真正完成了，再发送 Command Subsequently Completend。

 

HCI ACL与SCO数据，这里就不多讲了。只需要明白，l2cap数据是通过ACL数据传输给remote device的。

下图很明白的展示了l2cap数据如何一步一步转化为USB数据并传递给底层协议的。

很明显，一个l2cap包会按照规则先切割为多个HCI数据包。HCI数据包再通过HCI-usb这一层传递给USB设备。每个包又通过USB driver发送到底层。

 

 

2. HCI protocol的实现：

（稍后添加）

 

 

3. HCI 层的编程：

正如上一节所说，HCI是沟通上层协议以及程序与底层硬件协议的通道。所以，通过HCI发送的Command都是上层协议或者应用程序发送给Bluetooth Dongle的。它命令Bluetooth Dongle（或其中的硬件协议）去做什么何种动作。

 

3.0：得到Host上插入Dongle数目以及Dongle信息：

我们先复习一下socket的概念：

使用函数socket()建立一个Socket，就如同你有一部电话.bind()则是把这个电话和某个电话号码（网络地址）对应起来。

类似的，我们可以把Host理解为一个房间，这个房间有多部电话（Dongle）。

当使用socket() 打开一个HCI protocol的socket，表明得到这个房间的句柄。HOST可能会有多个Dongle。换句话说，这个房间可以有多个电话号码。所以HCI会提供一套指令去得到这些Dongle。

 

 

// 0. 分配一个空间给 hci_dev_list_req。这里面将放所有Dongle信息。

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. 打开一个HCI socket.此socket相当于一个房间。

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，得到对应Device ID的Dongle信息。

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

 

这样就能得到所有Dongle信息。

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连接方式：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的数据信息，如发送多少个ACL Packet，正确多少，错误多少，等等。
};

 

3.0.1: UP和Down Bluetooth Dongle：

ioctl(ctl, HCIDEVUP, hdev)

ioctl(ctl, HCIDEVDOWN, hdev)

ctl：为使用socket(AF_BLUETOOTH, SOCK_RAW, BTPROTO_HCI)打开的Socket.

hdev: Dongle Device ID.(所以上面的Socket不需要bind,因为这边指定了)

 

 

 

 

 

3.1 BlueZ提供的HCI编程接口一（针对本地Dongle的API系列）：

3.1。1 打开一个HCI Socket---int hci_open_dev(int dev_id):

这个function用来打开一个HCI Socket。它首先打开一个HCI protocol的Socket（房间），并将此Socket与device ID=参数dev_id的Dongle绑定起来。只有bind后，它才将Socket句柄与Dongle对应起来。

注意，所有的HCI Command发送之前，都需要使用 hci_open_dev打开并绑定。

 

3.1.2: 关闭一个HCI Socket：

int hci_close_dev(int dd) //简单的关闭使用hci_open_dev打开的Socket。

 

3.1.3: 向HCI Socket（对应一个Dongle）发送 request:

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

BlueZ提供这个function非常有用，它可以实现一切Host向Modules发送Command的功能。

参数1：HCI Socket。

参数2：Command内容。

参数3：以milliseconds为单位的timeout.

下面详细解释此function和用法：

当应用程序需要向Dongle(对应为一个bind后的Socket)发送Command时，调用此function.

其中，参数一dd对应一个使用hci_open_dev（）打开的Socket（Dongle）。

参数三to则为等待Dongle执行并回复命令结果的timeout.以毫秒为单位。

参数二hci_request * r 最为重要,首先看它的结构：

struct hci_request {
 uint16_t ogf;    //Opcode Group
 uint16_t ocf;    //Opcode Command
 int      event;  //此Command产生的Event类型。
 void     *cparam; //Command 参数
 int      clen;    //Command参数长度
 void     *rparam;  //Response 参数
 int      rlen;    //Response 参数长度
};

ogf,ocf不用多说，对应前面的图就明白这是Group Code和Command Code。这两项先确定下来，然后可以查HCI Spec。察看输入参数（cparam）以及输出参数（rparam）含义。至于他们的结构以及参数长度，则在~/include/net/bluetooth/hci.h中有定义。

至于event.如果设置，它会被setsockopt设置于Socket。

 

例1：得到某个连接的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).

因为这个Command用来读取某个ACL连接的Policy Setting。所以输入参数即为此连接Handle.

返回参数则包含3部分，status（Command是否顺利执行）， handle(连接Handle)。 policy（得到的policy值）

这就又引入了一个新问题，如何得到某个ACL连接的Handle。

可以使用ioctl HCIGETCONNINFO得到ACL 连接Handle。

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

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

 

所以完整的过程如下：

 

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.填写Command输入参数
 Command_Param.handle = Connect_handle;

 

 

HCI_Request.ogf = OGF_LINK_POLICY;  //Command组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;
 }

//如果返回值状态不对

 if (Response_Param.status) {
  return -1;
 }
 

//得到当前policy
 *policy = Response_Param.policy;

 

 

3.1.4:几个更基础的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 比较

 

 

3.1.5: 得到指定Dongle BDAddr：

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

参数1：HCI Socket,使用hci_open_dev（）打开的Socket（Dongle）。

参数2：输出参数，其中会放置bdaddr.

参数3：以milliseconds为单位的timeout.

 

 

 

3.1.6: 读写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)

参数1：HCI Socket,使用hci_open_dev（）打开的Socket（Dongle）。

参数2：读取或设置Name。

参数3：以milliseconds为单位的timeout.

注意：这里的Name与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：得到已经UP的Dongle BDaddr：

int hci_devba(int dev_id, bdaddr_t *bdaddr)；

dev_id: Dongle Device ID.

bdaddr:输出参数，指定Dongle如果UP， 则放置其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信息。

出错返回 -1。

注意，这个Function的做法与3.0的方法完全一致。

 

3.1.10：从hciX中得到X：

int hci_devid(const char *str)

str: 类似 hci0这样的字串。

如果hciX对应的Device ID(X)是现实存在且UP。则返回此设备Device ID。 

 

3.1.11：得到BDADDR不等于参数bdaddr的Dongle Device ID：

int hci_get_route(bdaddr_t *bdaddr)

查找Dongle，发现Dongle Bdaddr不等于参数bdaddr的第一个Dongle，则返回此Dongle Device ID。

所以，如果: int hci_get_route(NULL),则得到第一个可用的Dongle Device ID。

 

 

3.1.12: 将BDADDR转换为字符串：

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

 

3.1.13: 将自串转换为BDADDR：

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

 

 

3.2 BlueZ提供的HCI编程接口二（针对Remote Device的API系列）：

3.2.1  inquiry 远程Bluetooth Device：

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

hci_inquiry（）用来命令指定的Dongle去搜索周围所有bluetooth device.并将搜索到的Bluetooth Device bdaddr 传递回来。

参数1：dev_id：指定Dongle Device ID。如果此值小于0，则会使用第一个可用的Dongle。

参数2：len: 此次inquiry的时间长度（每增加1，则增加1.25秒时间）

参数3：nrsp:此次搜索最大搜索数量，如果给0。则此值会取255。

参数4：lap:BDADDR中LAP部分，Inquiry时这块值缺省为0X9E8B33.通常使用NULL。则自动设置。

参数5：ii:存放搜索到Bluetooth Device的地方。给一个存放inquiry_info指针的地址，它会自动分配空间。并把那个空间头地址放到其中。

参数6：flags:搜索flags.使用IREQ_CACHE_FLUSH，则会真正重新inquiry。否则可能会传回上次的结果。

 

返回值是这次Inquiry到的Bluetooth Device 数目。

 

注意：如果*ii不是自己分配的，而是让hci_inquiry()自己分配的，则需要调用bt_free（）来帮它释放空间。

 

 

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)

参数1：使用hci_open_dev（）打开的Socket。

参数2：对方BDAddr.

参数3：name 长度。

参数4：(out)放置name的位置。

参数5：等待时间。

 

3.2.3: 读取连接的信号强度：

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

注意，所有对连接的操作，都会有一个参数，handle.这个参数是连接的Handle。前面讲过如何得到连接Handle的。