浅谈蓝牙低功耗协议栈

Blah

蓝牙低能耗(BLE)技术是低成本、短距离、可互操作的鲁棒性无线技术，工作在免许可的2.4GHz ISM射频频段。它从一开始就设计为超低功耗(ULP)无线技术。它利用许多智能手段最大限度地降低功耗。蓝牙低能耗技术采用可变连接时间间隔，这个间隔根据具体应用可以设置为几毫秒到几秒不等。另外，因为BLE技术采用非常快速的连接方式，因此平时可以处于“非连接”状态（节省能源），此时链路两端相互间只是知晓对方，只有在必要时才开启链路，然后在尽可能短的时间内关闭链路。$ g% ?% {3 k" \- }% J
BLE技术的工作模式非常适合用于从微型无线传感器（每半秒交换一次数据）或使用完全异步通信的遥控器等其它外设传送数据。这些设备发送的数据量非常少（通常几个字节），而且发送次数也很少（例如每秒几次到每分钟一次，甚至更少）。
1 O: V( o" q* @- Z' R+ L3 H  I! B8 J% U2 Z$ a+ D
1 s9 H3 \$ D" g' r
下面就用趣说的方式，介绍一些BLE协议栈，帮助大家理解。$ A( K- B: Y# D9 J4 l, u- q, S

9 s& L, B9 S5 o6 F

) l0 L8 [! N" K, _

附图  BLE蓝牙协议栈结构图

5 h, z2 h5 E4 e
6 t6 v% H6 ~  d4 V, `" Z分为两部分：控制器和主机。对于4.0以前的蓝牙，这两部分是分开的。所有profile（姑且称为剧本吧，用来定义设备或组件的角色）和应用都建构在GAP或GATT之上。下面由结构图的底层组件开始介绍。: \) U" y4 |: c: M9 n# P, ]
  s6 J- U. }/ M·        PHY层，工作车间，1Mbps自适应跳频GFSK（高斯频移键控），运行在2.4GHz
·        LL层为RF控制器，控制室，控制设备处于准备（standby）、广播、监听/扫描（scan）、初始化、连接，这五种状态中一种。五种状态切换描述为：未连接时，设备广播信息（向周围邻居讲“我来了”），另外一个设备一直监听或按需扫描（看看有没有街坊邻居家常里短可聊，打招呼“哈，你来啦”），两个设备连接初始化（搬几把椅子到院子），设备连接上了（开聊）。发起聊天的设备为主设备，接受聊天的设备为从设备，同一次聊天只能有一个意见领袖，即主设备和从设备不能切换。
·        HCI层，为接口层，通信部，向上为主机提供软件应用程序接口（API），对外为外部硬件控制接口，可以通过串口、SPI、USB来实现设备控制。
( d! ~; k. |2 A7 ^8 y# h) r·        L2CAP层，物流部，行李打包盒拆封处，提供数据封装服务
·        SM层，保卫处，提供配对和密匙分发，实现安全连接和数据交换
$ x& |) Q/ S- i! a9 N8 q# z9 Q# m·        ATT层，库房，负责数据检索) m9 \7 i" ~7 R" ?7 m
·        GATT层，出纳/库房前台，出纳负责处理向上与应用打交道，而库房前台负责向下把检索任务子进程交给ATT库房去做，其关键工作是把为检索工作提供合适的profile结构，而profile由检索关键词（characteristics）组成。# ?  _$ ~, B; @: W' N# \
·        GAP层，秘书处，对上级，提供应用程序接口，对下级，管理各级职能部门，尤其是指示LL层控制室五种状态切换，指导保卫处做好机要工作。! F1 R( S. A: d3 r0 n6 l
  q$ |$ u! Y7 O1 B- ~" gTI的这款CC2540器件可以单芯片实现BLE蓝牙协议栈结构图的所有组件，包括应用程序。
7 g& S4 q* N8 s' o! M& L; ~: I/ H9 [' A( V0 B6 Z# P0 h
7 G+ |2 S0 {9 N, Z' ]2 e
# e3 I; q0 C: @% l. N9 g2 y2 M2、任务调度---OSAL操作系统抽象层5 L. ~1 U; ]0 h  }+ K0 |8 J
正如一个公司为了实现扩大产能和产品多样化，建立了多个办公室和工厂一样，蓝牙为了实现同多个设备相连，或实现多功能，也实现了功能扩充，这就产生了调度问题。因为，虽然软件和协议栈可扩充，但终究最底层的执行部门只有一个。! {7 y. Q) k  Z4 x
为了实现多事件和多任务切换，需要把事件和任务对应的应用，以及其相关的提供支撑“办公室”和“工厂”打包起来，并起一个名字OSAL操作系统抽象层，类似于集团公司以下的子公司。
/ m; Y* P; ?) w: x1 S1 }
5 L8 Q2 X8 W; Q' ^! B/ N5 Q- i/ C+ ~2 }5 q
3、设备改造---HAL硬件抽象层
& R; R: U$ W# K. t* f9 N' Q如果实现软件和硬件的低耦合，使软件不经改动或很少改动即可应用在另外的硬件上，这样就方便硬件改造、升级、迁移后，软件的移植。HAL硬件抽象层正是用来抽象各种硬件的资源，告知给软件。其作用类似于嵌入式系统设备驱动的定义硬件资源的h头文件。其角色类似于现代工厂的设备管理部。

0 w0 E, ~3 U3 f: S7 M' L+ Z5 ?* I& P+ R5 a* d! S  [( b. `
4、BLE低功耗蓝牙系统架构
7 c' B  s/ D' `0 u9 f5 L- L1 v

! d2 K5 N! A- D0 g0 M* @+ _; j
附图 BLE低功耗蓝牙系统架构图

  M# G: g9 l! w3 u8 f: I
6 I5 t; d8 H6 R* F" ~( ~5 ]8 M图中的Task用BLE蓝牙协议栈结构图来描述7 {4 f" q7 w9 d0 E% E
/ d9 |% @5 b" B% F0 p+ ?% z, j& I. E. b& A7 A
BLE低功耗蓝牙软件有2个主要组成： OSAL操作系统抽象层和 HAL硬件抽象层，多个Task任务和事件在OSAL管理下工作，而每个任务和事件又包括3个组成：BLE 协议栈，profiles和应用程序。6 J# E& u8 ?9 V; ^. y4 f- v
附图7同样可以用现代工厂模式来类比，如附图8。

3 O  w1 d' |: M* e8 X4 ^7 j

附图  BLE低功耗蓝牙软件5个主要组成用现代工厂架构来类比。

' e: r+ N; M4 D* [" ?8 t