低功耗蓝牙协议栈入门（一）预备知识

低功耗蓝牙协议栈预备知识

最近收到两块中科蓝讯芯片的板子 . 本来只是想跑跑原厂示例代码,调调 api 简单玩一下的,但是后来发现上手没那么简单…至少一些基本的蓝牙协议栈概念是需要学习了解的。本文是我阅读<<低功耗蓝牙开发权威指南>> 以及 www.bluetooth.com 蓝牙官网文档的学习笔记，最终目的是将 NimBLE 协议栈给用起来！想要进一步深入理解低功耗蓝牙协议栈机制的建议去啃官方的文档！

(注意:本文所有的描述都是围绕低功耗蓝牙来讲的,不涉及到经典蓝牙.)

低功耗蓝牙协议栈概览

为了便于理解,我重新画了张框框图,这张图描述了低功耗蓝牙协议栈的结构,在后面章节内容里,我会对每一个框图分章节进行详细描述.

蓝牙协议栈从宏观角度上看大致分为三层: 1. 控制器;2. 主机;3. 应用;

一个蓝牙产品的芯片解决方案分为三种:

1. 单芯片解决方案: 一个芯片内部包含(控制器/主机/应用 ).
2. 双芯片解决方案:两个芯片,(A 芯片包含应用/主机, B 芯片包含控制器)或者(A 芯片包含应用,B 芯片包含主机/控制器).
3. 三芯片解决方案:三个芯片,应用/主机/控制 各一块芯片.

控制器 （Controller）

控制器不仅包含物理层和链路层,还包含直接测试模式以及主机控制器接口的下层部分.

物理层 （PHY）

物理层是蓝牙的基石,控制无线电信号的收发与调制.使用的是 2.4G 无线信号.传输无线电信号时候,控制信号频率,以每个信道的中心频率为基点,高出 185KHZ 的为逻辑 1,低出185KHZ 的为逻辑 0. 物理层每 us 可以传输 1 bit 数据.

链路层 （LL）

链路层用于规范无线电传输.负责 广播/扫描/建立连接/维护连接.

低功耗蓝牙协议栈将 2.4G 频段分为 40 个信道,每个信号的宽度为 2MHZ（经典蓝牙是 79 个信道，1MHZ 宽度） . 其中 37,38,39 为广播信道,其余为数据信道. 广播信道在整个 2.4G 频段内的排列比较特殊,可以看下图所示,之所以这样排列,是为了远离 WIFI 等信号接入点的干扰.具体原因可阅读 <<低功耗蓝牙开发权威指南>> 第七章-信道 章节内容.这里就不再赘述.

链路层一共有五种状态：

1. 就绪态
2. 广播态
3. 扫描态
4. 发起态
5. 连接态

链路层可以拥有多个独立的状态机，但是一个链路层不能同时成为主从设备。

直接测试模式

直接测试模式允许测试人员直接通过控制器来发送测试数据包。

主机控制器接口（HCI）

主机控制器接口顾名思义，处在主机与控制器之间 。 HCI 既定义了物理接口也定义了逻辑接口。

物理接口

1. UART 接口
2. 三线 UART 接口
3. USB 接口
4. SDIO 接口

逻辑接口

逻辑接口定义了 命令/事件/数据的封装格式。

主机 （HOST）

主机构建于 HCI 之上，包含了如下几个模块：

1. 逻辑链路控制和适配协议。
2. 安全管理器。
3. 属性协议。
4. 通用属性规范。
5. 通用访问规范。

主机对应用层开发来说，并没有规定统一的接口。（所以应用开发需要根据具体的协议栈实现而定？存疑）

逻辑链路控制和适配协议 （L2CAP）

低功耗蓝牙一共使用了三条不同的信道，这三条信道分别用于：

1. 属性协议
2. 低功耗蓝牙信令
3. 安全管理

L2CAP 是一个复用层，可以让低功耗蓝牙复用这三条不同的信道。低功耗蓝牙只支持固定信道，固定信道是指两个设备一建立连接就已经存在的，没有任何配置参数的信道。

安全管理器 （SM）

安全管理器负责蓝牙的配对和密钥的分发。为了保证低功耗蓝牙的绝大多数安全特性必须完成两件事：

1. 设备必须互相配对。
2. 连接一旦加密，设备必须分配用于加密、保障隐私并对消息进行验证的密钥。

属性协议 （AP）

属性协议定义了客户端与服务器如何相互发送符合标准的信息。一共有六种类型的信息：

1. 从客户端发送至服务器的请求；
2. 从服务器发送至客户端的回复请求的响应；
3. 从客户端发送至服务器的无需响应的命令；
4. 从服务器发送至客户端的无需确认的通知；
5. 从服务器发送至客户端的通知；
6. 从客户端发送至服务器的回复指示的确认；

通用属性规范 （GATT）

通用属性规范位于属性协议之上，定义了属性的类型及其使用方法（包括如何发现与使用服务、特性与描述符的标准方法）。GATT 定义了三种类型的规程：

1. 发现规程。
2. 客户端发起规程。
3. 服务器发起规程。

通用访问规范 （GAP）

通用访问规范定义了设备如何彼此发现、建立连接以及如何实现绑定、同时描述设备如何成为广播者和观察者，并且实现无需连接的数据传输。也定义了如何使用不同类型的地址来实现隐私性和可解析性。

低功耗蓝牙设备一共有四种 GAP 角色：

1. 广播者：发送广播报文的设备，通常广播一些服务数据给处于观察者角色的设备。（必须有发射装置）
2. 观察者：用于扫描广播者，并且将信息报告给应用的设备。（必须有接收装置）
3. 外围设备：利用可连续广播报文进行广播的设备。（发射装置 接收装置 必须同时拥有）
4. 中央设备：向外围设备发起连接的设备。（发射装置 接收装置 必须同时拥有）

一个设备可以同时支持多个角色。

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