从零实现BLE协议栈（2-3）nRF52 的 TIFS 硬件实现

带着镣铐跳舞：nRF52 的 TIFS 硬件实现

本章示例代码：https://github.com/ixbwer/write-BLE-stack-from-scratch/tree/master/02_active_scan

前提知识

阅读本文需要具备以下基础：

  • 理解 T_IFS 是什么以及为何 CPU 无法胜任（2-2 篇有详细讲解）：本文直接从"计时必须下沉到硬件"出发，不重复 T_IFS 的成因分析。
  • 理解 TASK / EVENT 模型（1-1 有详细讲解）：本文大量使用 TASKS_TXEN、EVENTS_END、EVENTS_COMPARE 等寄存器。
  • 理解 SHORTS 机制（1-1 有详细讲解）：本文后半段的 SW TIFS 刻意不使用 DISABLED_RXEN/TXEN 这条 SHORTS，理解 SHORTS 是什么，才能理解"为什么要绕开它"。
  • 理解三包握手场景（2-1 篇有详细讲解）：本文的代码示例以 ADV_IND → SCAN_REQ → SCAN_RSP 交互为场景。

一、两种实现：HW TIFS 和 SW TIFS

nRF52 上有两套完全不同的机制可以实现 T_IFS 的精确计时。它们解决同一个问题，用的却是截然不同的策略：

HW TIFS（硬件 TIFS）：RADIO 外设内置了一个 TIFS 寄存器。向它写入 150 后，RADIO 自己记住这个间隔，在每次 RX/TX 结束后自动以芯片级时钟精度完成"110 µs 后触发下一次 Ramp-Up"的动作，CPU 完全不参与计时。一行寄存器写入，搞定一切。

SW TIFS（软件 TIFS）：完全不依赖 RADIO 内置逻辑，改用外挂的 TIMER1 外设作为精度为 1 µs 的时钟，用 PPI（可编程外设互联） 把 Timer 的比较事件直接连线到 RADIO 的 TXEN/RXEN 输入。Timer 计到 110 µs 时，PPI 触发 Ramp-Up，150 µs 时第一个 bit 准时发出——全程不经过 CPU。

Zephyr BLE Controller 用一个编译开关来选择：CONFIG_BT_CTLR_TIFS_HW=y 时走 HW TIFS 路径，关闭时走 SW TIFS 路径。理解两者的差异，就是理解 Zephyr BLE Controller 底层两条计时路径的真实工作方式。

二、HW TIFS：让 RADIO 自己记住 150 µs

使用 HW TIFS 只需要一行配置：

NRF_RADIO->TIFS = 150;   /* 单位 µs */

这行写入后，RADIO 外设内部的一个硬件倒计时电路被激活。它的工作逻辑是这样的：

每次 RADIO 完成一帧收发（EVENTS_END 触发），RADIO 内部的倒计时电路立即启动。这个电路做了一件聪明的事：它不是从 150 µs 开始倒计时再触发 Ramp-Up，而是自动从 150 µs 中减去 Ramp-Up 时间（约 40 µs），然后在 110 µs 后触发 TXEN/RXEN。这样，PLL 有 40 µs 完成预热，TX/RX 在 150 µs 时恰好准备好发出第一个 bit。

正确的 SHORTS 配置是：

NRF_RADIO->SHORTS = RADIO_SHORTS_READY_START_Msk   |  /* PLL 就绪后自动开始收发 */
                    RADIO_SHORTS_END_DISABLE_Msk    |  /* 收发完毕后自动进入 DISABLED */
                    RADIO_SHORTS_DISABLED_RXEN_Msk;   /* DISABLED 后自动切换到 RX（或 TXEN）*/

CPU 只需要在 EVENTS_END 触发后的约 100 µs 窗口内，把 PACKETPTR 更新为指向待发送的回包缓冲区。精确的 150 µs 计时完全由硬件保证。

三、PPI：跨外设的飞线

HW TIFS 看起来完美，但有时候不够用——例如，当 Coded PHY（BLE 长距离模式）的 Ramp-Up 时间与 1M PHY 不同时，内置 TIFS 电路的行为就可能需要额外补偿。这时需要一套更灵活的方案：使用 PPI 完全掌控计时逻辑。

在解释 SW TIFS 之前，先单独介绍 PPI（Programmable Peripheral Interconnect，可编程外设互联）——这是理解整套方案的核心。

你在 1-1 里学到 SHORTS：它是 RADIO 外设内部的硬件短路，把同一外设内的一个 EVENT 和一个 TASK 用导线直连。SHORTS 的限制是：它只能连接同一外设内部的 EVENT 和 TASK，无法跨外设。

PPI 是 SHORTS 的超集，是整个 nRF52 芯片级别的"飞线板"。它允许你把任意外设的任意 EVENT 直接连到任意外设的任意 TASK，完全不经过 CPU。就像在电路板上焊一根飞线，把两个芯片的引脚直接连通——信号触发是纯电气的，不过 MCU 的任何软件路径。

nRF52840 有 20 个可编程 PPI 通道（编号 0~19），每个通道独立配置：

/* 把"外设 A 的事件 X"连接到"外设 B 的任务 Y" */
nrf_ppi_channel_endpoint_setup(
    NRF_PPI,
    PPI_CHANNEL_0,                        /* 使用哪条通道 */
    (uint32_t)&PERIPHERAL_A->EVENTS_X,   /* 触发源（EVENT 寄存器地址） */
    (uint32_t)&PERIPHERAL_B->TASKS_Y     /* 目标（TASK 寄存器地址） */
);
nrf_ppi_channels_enable(NRF_PPI, BIT(PPI_CHANNEL_0));  /* 启用该通道 */

PPI 通道一旦启用，每次"外设 A 的事件 X"触发，"外设 B 的任务 Y"就在硬件层面立即执行，延迟在纳秒量级，完全不经过任何软件代码。

四、SW TIFS 的架构：三条 PPI 通道

SW TIFS 用三条 PPI 通道构建了一套独立的计时系统，脱离 RADIO 内置逻辑，用 TIMER1 作为精确时钟：

SW TIFS 的 PPI 连线架构：

外设 A                    PPI 通道     外设 B（目标动作）
─────────────────────────────────────────────────────────────
RADIO EVENTS_END    ──[CH14]──→  TIMER1 TASKS_CLEAR    （包结束 → Timer 归零）
TIMER1 CC[0] 匹配   ──[CH15]──→  RADIO  TASKS_RXEN     （110 µs → 触发 RX 预热）
TIMER1 CC[1] 匹配   ──[CH16]──→  RADIO  TASKS_TXEN     （100 µs → 触发 TX 预热）

CH14：全程始终启用，每次包结束都让 Timer 归零并重新计数。
CH15：在需要 TX→RX 切换之前启用，CC[0]=110µs 比较匹配时触发 RXEN。
CH16：在需要 RX→TX 切换之前启用，CC[1]=100µs 比较匹配时触发 TXEN。

★ CC[0] 和 CC[1] 不同的原因：
  TX END 与空口最后 bit 对齐（无延迟），所以 CC[0] = T_IFS - Ramp = 110µs。
  RX END 比空口最后 bit 晚 ~10µs（RX chain delay），必须额外扣除，
  所以 CC[1] = T_IFS - Ramp - RX_chain_delay = 150 - 40 - 10 = 100µs。

TIMER1 被配置为每 tick 等于 1 µs（16 MHz 系统时钟经过 2⁴ = 16 分频后得到 1 MHz，1 µs/tick）：

NRF_TIMER1->MODE      = TIMER_MODE_MODE_Timer;
NRF_TIMER1->PRESCALER = 4;          /* 16 MHz / 2^4 = 1 MHz → 1 µs/tick */
NRF_TIMER1->BITMODE   = TIMER_BITMODE_BITMODE_16Bit;
NRF_TIMER1->TASKS_START = 1;        /* 立即开始计数 */

CC（Compare/Capture）是 TIMER 外设的比较寄存器。当 Timer 的计数值达到 CC[x] 里写入的数值时，EVENTS_COMPARE[x] 会被置 1——这个事件就是 PPI 通道的触发源：

#define T_IFS_US          150
#define RAMP_UP_US         40    /* TX/RX Ramp-Up 时间，nRF52832 PS Section 6.20.15.7 */
#define RX_CHAIN_DELAY_US  10    /* RX END 比空口最后 bit 晚 ~10µs */

/* CC[0]: TX→RX 转换 (TX END 后切 RX)
 * TX END 与空口最后 bit 对齐（无 chain delay）
 * 110 + 40 µs Ramp-Up = 150 µs 时 RX 启动 */
nrf_timer_cc_set(NRF_TIMER1, CC_IDX_RXEN, T_IFS_US - RAMP_UP_US);  /* = 110 */

/* CC[1]: RX→TX 转换 (RX END 后切 TX)
 * RX END 比空口最后 bit 晚 RX_CHAIN_DELAY（~10µs），必须额外扣除
 * 100 + 40 + 10 = 150 µs 时 TX 第一个 bit 出现在天线上 */
nrf_timer_cc_set(NRF_TIMER1, CC_IDX_TXEN,
                 T_IFS_US - RAMP_UP_US - RX_CHAIN_DELAY_US);  /* = 100 */

五、SW TIFS 不能使用 DISABLED_RXEN/TXEN SHORTS

这里有一个容易混淆的关键差异。在 HW TIFS 模式下，SHORTS 配置包含 DISABLED_RXEN：

/* HW TIFS 的 SHORTS 配置 */
NRF_RADIO->SHORTS = READY_START | END_DISABLE | DISABLED_RXEN;

而在 SW TIFS 模式下，DISABLED_RXEN（和 DISABLED_TXEN）这两条 SHORTS 绝对不能出现：

/* SW TIFS 的 SHORTS 配置（不含任何 DISABLED_RXEN/TXEN！） */
NRF_RADIO->SHORTS = RADIO_SHORTS_READY_START_Msk |
                    RADIO_SHORTS_END_DISABLE_Msk;

原因是：SW TIFS 通过 PPI 的 CC[x] 事件来控制 Ramp-Up 的触发时机（CC[0]=110 µs 或 CC[1]=100 µs 后）。如果同时启用了 DISABLED_RXEN SHORTS，RADIO 进入 DISABLED 状态后会立刻触发 RXEN——完全不等 PPI 的 CC 匹配，Ramp-Up 在 0 µs 时就开始了，最终 TX 或 RX 会在 40 µs 处启动，而不是 150 µs 处。T_IFS 的计时逻辑就此彻底被破坏。

如果不小心保留了 DISABLED_RXEN SHORTS，系统不会崩溃，但所有回包都会提前约 110 µs 发出，必然导致通信对端 CRC 校验失败、扫描请求无法建立——属于静默的时序错误，调试极为困难。

此外，CC 值需要在最开始就预置好，由 TIMER1 在每次 EVENTS_END 触发时归零（PPI CH14）来刷新计时基准。归零之后，下一次 CC 匹配就会精确地在对应的 µs 后发生（CC[0]=110 µs 用于 TX→RX，CC[1]=100 µs 用于 RX→TX）。这是 SW TIFS 和 HW TIFS 最大的思维差异：HW TIFS 是"响应式"的（END 发生了再自动启动计时），SW TIFS 是"预置式"的（提前设好目标，用归零事件来刷新基准）。

六、HW TIFS 与 SW TIFS 的对比

特性 HW TIFS SW TIFS (PPI 方案)
配置 RADIO->TIFS = 150 TIMER1 + PPI 通道
灵活性 较低（固定逻辑） 极高（支持 Coded PHY 等各种模式）
SHORTS 必须开启 DISABLED_RXEN 严禁开启 DISABLED_RXEN
CPU 职责 只需更新数据指针 需管理 PPI 开关及清除 EVENT
适用场景 简单、标准 BLE 应用 复杂协议栈、多 PHY 切换（Zephyr 默认）

本系列教程同款硬件：👇
芯片： nRF 52832 开发板
工具： nRF 52840 BLE Dongle 蓝牙嗅探器
工具： 逻辑分析仪
工具： BPA low energy 蓝牙分析仪

posted @ 2026-03-28 10:54  ixbwer  阅读(76)  评论(0)    收藏  举报