深入解析 Sensor Hub Transport Protocol (SHTP) 协议

文章目录

[深入解析 Sensor Hub Transport Protocol (SHTP) 协议](#深入解析 Sensor Hub Transport Protocol (SHTP) 协议)
- [1. SHTP 概述](#1. SHTP 概述)
- [2. 工作原理与核心概念](#2. 工作原理与核心概念)
- - [2.1 通道（Channels）](#2.1 通道（Channels）)
  - [2.2 SHTP 报文头格式](#2.2 SHTP 报文头格式)
  - [2.3 核心传输规则](#2.3 核心传输规则)
  - [2.4 主机中断 (HINT) 与时间戳](#2.4 主机中断 (HINT) 与时间戳)
- [3. 同步物理层协议 (SPI / I2C)](#3. 同步物理层协议 (SPI / I2C))
- - [3.1 握手机制（Host-Hub Handshaking）](#3.1 握手机制（Host-Hub Handshaking）)
  - [3.2 I2C 传输规范](#3.2 I2C 传输规范)
  - [3.3 SPI 全双工传输](#3.3 SPI 全双工传输)
  - [3.4 读状态机](#3.4 读状态机)
- [4. 异步物理层协议 (SHTP over UART)](#4. 异步物理层协议 (SHTP over UART))
- - [4.1 帧定界与字符转义](#4.1 帧定界与字符转义)
  - [4.2 UART 消息结构](#4.2 UART 消息结构)
  - [4.3 串口控制消息（Protocol ID = 0）](#4.3 串口控制消息（Protocol ID = 0）)
  - [4.4 流控与 WAKE 模式](#4.4 流控与 WAKE 模式)
- [5. 命令通道 (Channel 0) 与广播机制](#5. 命令通道 (Channel 0) 与广播机制)
- - [5.1 命令与响应格式](#5.1 命令与响应格式)
  - - 常用命令/响应：
  - [5.2 广播格式（TLV 结构）](#5.2 广播格式（TLV 结构）)
  - - [全局广播标签 (Global Advertisement Tags):](#全局广播标签 (Global Advertisement Tags):)
    - [SHTP 专用标签 (SHTP Advertisement Tags):](#SHTP 专用标签 (SHTP Advertisement Tags):)
- [6. 总结](#6. 总结)

1. SHTP 概述

Sensor Hub Transport Protocol (SHTP) 是由 Hillcrest Labs 开发的一种低开销、结构简单的传输层协议。它主要用于管理主机（Host）与传感器枢纽（Sensor Hub）之间在物理层（如 SPI、I2C 或 UART）之上的数据通信。

SHTP 的核心定位是"传输机制"：它不关心"货物"（Cargo，即具体的数据负载）的具体内容，只负责在主机与 Hub 之间安全、有序地传递数据。数据的解析工作由接收端的具体应用来完成。

写入操作（Write）： 数据从 Host 传输到 Hub。
读取操作（Read）： 数据从 Hub 传输到 Host。

2. 工作原理与核心概念

2.1 通道（Channels）

SHTP 引入了"通道"的概念，用于在 Host 和 Hub 之间隔离不同的通信路径。

通道是独占分配给特定用户或应用的。
通道是双向的，即某一通道的发送和接收均归属于同一个用户。
通道 0（Channel 0） 被保留为 命令通道（Command Channel），专门用于 SHTP 协议自身的控制与配置。

2.2 SHTP 报文头格式

所有的 SHTP 读写操作，其数据负载（Cargo）前都必须附加一个 4 字节的报文头（Header）。其具体结构如下：

字节 (Byte)	字段名称 (Field)	说明
0	Length LSB	长度字段低字节
1	Length MSB	长度字段高字节（含控制位）
2	Channel	通道号（0 为命令通道）
3	SeqNum	序列号

Length (长度字段，16位)：
- 第 15 位 (MSB)： 用于指示当前传输是否为前一次传输的延续（Continuation）。若该位为 1，代表分片延续。
- 第 14:0 位： 指示该数据包的总字节数（包含 4 字节的 Header 长度）。
- 限制： 长度值 0xFFFF (65535) 被保留作为错误指示（防止因外设损坏持续输出高电平而产生误判）。因此，单次传输的最大 Cargo 长度为 32766 字节（减去 Header 字节）。
SeqNum (序列号)：
- 每个通道拥有独立的、单调递增的序列号。
- 用于检测重复报文、漏发报文以及重建分包传输的完整数据。

2.3 核心传输规则

分片读取（Segmented Reads）： 如果主机读取的字节数少于报文头指示的长度，主机会在后续发起额外的读取操作。Hub 会设置长度字段的 MSB（表示延续），并递增序列号，直到整包 Cargo 传输完毕。
填充规则： 在全双工物理层（如 SPI）中，如果读取的数据长度超出了实际 Cargo 长度，超出部分必须填充 0。
空报文头（Null Header）： 长度为 0 的报文头代表无数据（空 Cargo），通常用于 SPI 物理层或主机在无可用数据时发起的空读。
系统启动： 系统复位启动时，Hub 必须先向主机发送完整的 应用广播消息（Advertisement Message），在此之前不得发送任何其他数据。

2.4 主机中断 (HINT) 与时间戳

HINT（Host Interrupt） 是一个边沿触发的中断信号。当 Hub 有数据等待读取时，会拉低/断言 HINT。主机开始读取后，HINT 被去断言（恢复高电平）。
时间戳重建： 为了精确记录传感器事件，主机应当在 HINT 发生边沿跳变的时刻记录系统时间戳。Hub 发送的传感器数据中会包含相对于该 HINT 触发时刻的相对时间，主机通过"HINT时间戳 + 相对时间"即可还原出高精度的事件时间。

3. 同步物理层协议 (SPI / I2C)

在 SPI 和 I2C 等同步 serial 接口上，SHTP 定义了专门的握手和传输状态机。

3.1 握手机制（Host-Hub Handshaking）

为防止竞争关系（Race Conditions），推荐采用以下三步握手流程：

主机断言 WAKE 信号，请求 Hub 准备传输。
Hub 断言 HINT 信号，表示其已就绪。
主机发起传输，Hub 在传输开始时去断言 HINT。

3.2 I2C 传输规范

不支持 I2C 的重复起始条件（Repeated Start）。
每次 SHTP 传输必须以 STOP 信号 结束。

3.3 SPI 全双工传输

SPI 支持同时读写。如果读写双方的长度限制不同，超出较小限制的部分将被截断。例如，写限制 64 字节，读限制 128 字节，那么在 128 字节的双工传输中，写 Cargo 的 65~128 字节将被 Hub 忽略。

3.4 读状态机

为了管理读取流程，主机与 Hub 分别运行读状态机：

主机侧（Host-Side）：
- 检测到 HINT -> 触发 READ。
- 解析 Header 中的 Length：
  - 若读取完成（字节数 ≥ \ge ≥ Length 且 Length ≠ \ne = 0）-> 处理 Cargo，回到 IDLE。
  - 若读取未完成 -> 继续发起读取，组装分片。
Hub侧（Hub-Side）：
- 数据就绪 -> 断言 HINT 进入 READY。
- 主机开始读取 -> 传输数据，去断言 HINT 进入 READ。
- 根据主机读取的实际字节数，决定进入 IDLE（传输完毕）或 CONTINUE（继续等待读取剩余分片）。

4. 异步物理层协议 (SHTP over UART)

UART 是异步两线协议。由于缺乏同步时钟，且为了支持低功耗和时间戳，SHTP over UART 引入了帧定界符以及专门的流控机制。

4.1 帧定界与字符转义

为了标示一帧数据的开始和结束，协议引入了类似 RFC-1662 标准的控制字符：

Flag Byte（帧标志）： 0x7E
Control Escape（转义字符）： 0x7D

转义规则： 当 Payload 数据中出现 0x7E 或 0x7D 时，需先发送 0x7D，随后发送该字节与 0x20 进行异或（XOR）运算后的结果。例如：

数据 0x7E → \rightarrow → 发送 0x7D 0x5E

4.2 UART 消息结构

UART 帧的基本结构如下：

text 复制代码

+-------------+-------------+-----------------------+-------------+
| Flag (0x7E) | Protocol ID |        Payload        | Flag (0x7E) |
+-------------+-------------+-----------------------+-------------+

Protocol ID (协议ID):
- 0x00：SHTP over UART 控制消息
- 0x01：标准 SHTP 数据消息

4.3 串口控制消息（Protocol ID = 0）

控制消息主要用于协调主机写入的缓冲区安全性，防止 Hub 接收溢出：

Buffer Status Query (BSQ，缓冲状态查询): 主机发送给 Hub，查询其剩余接收空间。
- 格式：0x7E 0x00 0x7E
Buffer Status Notification (BSN，缓冲状态通知): Hub 回复给主机，告知可用缓冲区大小。
- 格式：0x7E 0x00 [Bytes available LSB] [Bytes available MSB] 0x7E

4.4 流控与 WAKE 模式

为了适配不同的功耗需求，UART 写入支持三种 WAKE 硬件管理模式：

WAKE 信号由主机控制（最省电）： 主机拉高 WAKE → \rightarrow → 等待 Hub 回复 BSN → \rightarrow → 发送数据 → \rightarrow → 释放 WAKE。
WAKE 始终断言： 适用于无 WAKE 信号线，但 Hub 需要 GPIO 维持工作模式的系统。主机必须在每次发送写操作前，通过发送 BSQ 获得 BSN，确认空间充足后才可发送数据。
WAKE 始终去断言： 适用于仅依靠串口 RX 唤醒的系统。首个 BSQ 可能会因为 Hub 唤醒延迟而丢失，主机会自动进行重试。

注意： 在 UART 模式下写入时，主机在字节之间必须延迟至少 100 微秒。

5. 命令通道 (Channel 0) 与广播机制

SHTP 将通道 0 定义为控制与配置通道。

5.1 命令与响应格式

命令通道上的数据采用"命令/响应"结构：

Command / Response (1 字节): 表示具体的控制命令或对应的应答。
P0 ... Pn-1 (参数): 可变长度的参数列表。

常用命令/响应：

Command 0 (Get Advertisement): 主机向 Hub 请求广播数据。参数 0 用于指定范围（0 代表仅请求 SHTP 广播；1 代表请求整个 Hub 广播）。
Response 0 (Advertisement): 广播响应。系统启动时，Hub 也会主动（unsolicited）向主机发送。
Command 1 (Send Error List): 请求 SHTP 协议错误列表。
Response 1 (Error List): 返回未处理的错误码列表（错误码参考 Figure 18，如：代码 1 超出最大读限制、代码 3 写报文超长等）。

5.2 广播格式（TLV 结构）

广播消息采用 TLV (Tag-Length-Value) 格式编码，用于告知主机 Hub 上的通道分配、缓冲区能力限制以及应用 GUID。

其中，长度和 Tag 均为 1 字节。多字节数值字段采用 小端字节序（LSB to MSB）。

全局广播标签 (Global Advertisement Tags):

Tag 1 (GUID): 全球唯一标识符。GUID 0 被分配给 SHTP 本身。
Tag 2 (MaxCargoPlusHeaderWrite): 最大写入 Cargo+Header 长度。
Tag 3 (MaxCargoPlusHeaderRead): 最大读取 Cargo+Header 长度。
Tag 4 (MaxTransferWrite): 单次写操作的最大传输限制。
Tag 5 (MaxTransferRead): 单次读操作的最大传输限制。
Tag 6 (NormalChannel): 常规数据通道（不会唤醒主机）。
Tag 7 (WakeChannel): 唤醒通道（会唤醒主机）。
Tag 8 (AppName): Null 结尾的应用名称字符串。
Tag 9 (ChannelName): Null 结尾的通道名称字符串。

SHTP 专用标签 (SHTP Advertisement Tags):

Tag 0x80 (SHTP Version): SHTP 协议的版本号。格式为 Null 结尾的 <major>.<minor>.<patch> 字符串（如 "1.0.0"）。
Tag 0x81 (SHTP over UART Timeout): 32 位无符号整数，表示 Hub 发送 BSN 后保持活跃状态的超时时间（单位：毫秒）。

6. 总结

SHTP 协议通过在底层总线（SPI/I2C/UART）之上构建轻量级的通道分用、长度指示和流控机制，成功解决了多应用数据复用同一物理接口的难题。其严谨的状态机设计与 BSN 流控机制，能够避免慢速主机或受限 Hub 在高速通信中发生丢包，是嵌入式传感器系统设计中非常经典且实用的传输层协议。