经典蓝牙和蓝牙BLE的区别

说起蓝牙，大家一定听过蓝牙1.0 2.0 3.0 4.0，不过现在已经不再用版本号区分蓝牙了，蓝牙1.0~3.0都是经典蓝牙，在塞班系统就已经开始使用了，确实很经典。有些人一直认为蓝牙4.0就是蓝牙BLE，其实是错误的。因为4.0是双模的，既包括经典蓝牙又包括低能耗蓝牙。经典蓝牙和蓝牙BLE虽然都是蓝牙，但其实还是存在很大区别的。蓝牙BLE相比于经典蓝牙的优点是搜索、连接的速度更快，关键就是BLE(Bluetooth Low Energy)低能耗，缺点呢就是传输的速度慢，传输的数据量也很小，每次只有20个字节。但是蓝牙BLE因为其低能耗的优点，在智能穿戴设备和车载系统上的应用越来越广泛。

蓝牙4.0BLE协议与协议栈的关系

• 协议定义的是一系列的通信标准，通信双方需要共同按照这一标准进行正常的数据收发。

• 协议栈是协议的具体实现形式，通俗的理解为用代码实现的函数库，以便于开发人员调用。

蓝牙4.0BLE协议栈就是将各个层定义的协议都集合在一起，以函数的形式实现，并提供一些应用层API，供用户调用。

注意：虽然协议是统一的，但是协议的具体实现形式是变化的，即不同厂商提供的协议栈是有区别的，例如：函数名称和参数列表可能有区别，选择协议栈以后，需要学习具体的例子，查看厂商提供的Demo演示程序、说明文档（通常，实现协议栈的厂商会提供一些API手册供用户查询）来学习各个函数的使用方式，进而快速地使用协议栈进行应用程序的开发工作。

如何使用蓝牙4.0BLE协议栈

既然蓝牙4.0BLE协议栈已经实现了蓝牙4.0BLE协议，那么用户就可以使用协议栈提供的API进行应用程序的开发，在开发过程中不必过多的关注蓝牙4.0BLE协议的具体实现细节，只需要关注一个核心的问题：应用程序数据从哪里来到哪里去。

至于调用协议栈中函数后，如何初始化应用进行数据发送等工作，蓝牙4.0BLE协议栈已经完成了所需要的初始化。

如果开发过程中确实需要或者是想要了解蓝牙4.0BLE协议，可以查看SIG提供的标准协议规范。

深入理解蓝牙4.0BLE协议栈

协议栈概述

我们以TI的CC254X系列BLE芯片为例来深入了解下蓝牙4.0BLE协议栈。TI的蓝牙4.0BLE协议栈包含两部分：主机和控制器。主机和控制器的分离要追溯到蓝牙BR/EDR设备时期，控制器和主机通常会分开实现。

协议栈的实现方式采用分层的思想，

• 控制器部分包括：物理层、链路层、主机控制接口层；

• 主机部分包括：逻辑链路控制及自适应协议层、安全管理层、属性协议层、通用访问配置文件层、通用属性配置文件层。

上层可以调用下层提供的函数来实现需要的功能。

BLE蓝牙协议栈结构低

功耗蓝牙协议栈包含两部分共8层：主机（Host）和控制器（Controller）。

控制器部分包括：

• 物理层（Physical Layer）
• 链路层（Link Layer）
• 主机控制接口层（Host Controller Interface）

主机部分包括：

• L2CAP 逻辑链路控制及自适应协议层（Logical Link Control and Adaptation Protocol）
• 安全管理层（Security Manager）
• ATT 属性协议层（Attribute Protocol）
• GAP 通用访问配置文件层（Generic Access Profile）
• GATT 通用属性配置文件层（Generic Attribute Profile）

蓝牙系统核心包括射频收发器，基带和协议栈。

核心系统协议 包括射频(RF)协议、链路控制(LC)协议、链路管理 (LM)协议、逻辑链路的控制和适配 (L2CAP)协议。

蓝牙核心系统最底三层是射频，链路控制，链路管理协议，通常会把这三者归为一个子系统——蓝牙控制器。把往上的其他层一起称为为蓝牙主机。在蓝牙控制器和蓝牙主机之间实现通信通常需要有主机-控制器接口，Host to Controller Interface(HCI)。蓝牙系统的具体应用apps，就是建立在蓝牙主机之上。而host部分由蓝牙软件厂商开发和维护，control部分由蓝牙的硬件厂商提供，两部分通过hci(主机控制器接口)进行通信和数据交互。

Direct Test Mode
厂商提供的测试模块，可以通过HCI或者串口直接控制蓝牙的物理层来让它收发数据包

Physical Layer（PHY）物理层
负责数据和语音的发送和接收，特点是短距离、低功耗。蓝牙天线一般体积小、重量轻，属于微带天线。
1Mbps自适应跳频GFSK（高斯频移键控），运行在免费的工业频段2.4GHz。

Link Layer（LL）链路层
LL层为RF控制器，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，另外一个设备一直监听或按需扫描，两个设备连接初始化，设备连接上了。
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。

Host-Controller Interface（HCI）主机控制器接口
HCI层为接口层，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。

L2CAP逻辑链路控制和适配协议
L2CAP层提供数据封装服务，允许逻辑上的点对点通讯。
基于包的协议，将包传输到HCI，对于无主机系统，就将包传给链路管理器LM。支持多路复用，包的分割和重组，以及向上层协议提交服务质量信息。

Security Manager（SM）安全管理
SM层提供配对和密匙分发，实现安全连接和数据交换。

Attribute Protocal（ATT）属性协议
ATT层负责数据检索，允许设备向另外一个设备展示一块特定的数据称之为属性，在ATT环境中，展示属性的设备称之为服务器，与它配对的设备称之为客户端。链路层状态（主机和从机）与设备的ATT角色是相互独立的。例如：主机设备既可以是ATT服务器，也可以是ATT客户端；从机设备既可以是ATT服务器，也可以是ATT客户端。

Generic Attribute Profile（GATT）通用属性协议
GATT层定义了使用 ATT 的服务框架和配置文件（profiles）的结构。BLE 中所有的数据通信都需要经过GATT。
它定义两个 BLE 设备通过叫做 Service 和 Characteristic 的东西进行通信。GATT 就是使用了 ATT（Attribute Protocol）协议，ATT 协议把 Service, Characteristic遗迹对应的数据保存在一个查找表中，次查找表使用 16 bit ID 作为每一项的索引。

当两个设备建立连接之后，它们就处于下面两种角色之一：
GATT服务器：为GATT客户端提供数据服务的设备。
GATT客户端：从GATT服务器读写应用数据的设备。

Generic Access Profile（GAP）通用访问协议
GAP直接与应用程序或配置文件（profiles）通信的接口，处理设备发现和连接相关服务。另外还处理安全特性的初始化。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。GAP给设备定义了若干角色，其中主要的两个是：外围设备（Peripheral）和中心设备（Central）。

PHY层，工作车间，1Mbps自适应跳频GFSK（高斯频移键控），运行在免证的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。

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

ATT层，库房，负责数据检索

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。

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。

https://blog.csdn.net/ooakk/article/details/7302425

任务调度—OSAL操作系统抽象层

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。

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。

设备改造—HAL硬件抽象层

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。

BLE低功耗蓝牙系统架构

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。

蓝牙4.0BLE协议栈分层思想的优点

蓝牙4.0BLE协议栈采用分层思路的最大优点是：将服务、接口和协议这三个概念明确的区分开来。服务说明某一层为上一层提供了一些什么样的功能；接口说明上一层如何使用下一层的服务；而协议涉及到如何实现本层的服务。这样，各层之间就具有很强的独立性，当协议的一部分发送变化时，只需对与此相关的分层进行修改即可，其他分层不需要改变。

蓝牙4.0BLE协议栈开发平台配置

单一设备

网络处理器

OSAL操作系统抽象层

OSAL功能：协议栈中所谓的OSAL就是一个小型的操作系统，实现了最基本的任务轮询。

任务注册，初始化，启动
任务间的同步，互斥
中断处理
存储器分配管理
提供定时器功能

常用术语

• 资源
• 共享资源
• 任务
• 多任务运行
• 内核
• 互斥
• 消息队列

OSAL运行机理

蓝牙4.0 BLE中事件和任务的处理采用方法是：

• 建立事件表，保存各任务对应的事件，

• 建立函数表，保存各任务事件处理函数的地址。

• 通过不断的查询事件表来判断是否有事件发生，如果有事件发生，则查找函数表找到对应的事件处理函数对事件进行处理。

• 事件表使用数组来实现，数组每一项对应一个事件的任务，每一位表示一个事件；
• 函数表使用函数指针数组来实现，数组的每一项就是一个函数指针，指向了事件处理函数。

重要变量：

• tasksCnt : 任务总个数
• tasksEvents: 指向事件表的指针
• taskArr : 函数指针数组，指向事件处理函数

各种初始化—运行操作系统—有任务触发—执行任务

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int main(void)
{

  HAL_BOARD_INIT();
  InitBoard( OB_COLD );

  HalDriverInit();
  osal_snv_init(); 
  osal_init_system();

  HAL_ENABLE_INTERRUPTS();
 
  InitBoard( OB_READY );
 
  #if defined ( POWER_SAVING )
    osal_pwrmgr_device( PWRMGR_BATTERY );
  #endif
    
  osal_start_system(); // No Return from here       /启动系统
 
  return 0;
}

主函数一进去就是各种系统初始化：包括硬件、GATT、 GAP 层、任务等的初始化。然后执行 osal_start_system();操作系统。我们重点关心2 个函数：

• 初始化操作系统 osal_init_system()

• 运行操作系统 sal_start_system()

osal_init_system()

系统初始化函数，进入函数。发现里面有 6个初始化函数，这里我们只关心osalInitTasks();任务初始化函数。继续由该函数进入，进入后发现终于看到各层任务的添加，taskID 依次递增表示优先级降低，即越底层优先级越高（LL、HAL、HCI、L2CAP、GAP、GATT、SM、Profiles、Application）,最高层即应用层优先级最低，最后执行应用层的任务初始化。

第二个函数 osal_start_system();运行操作系统。同样用 go to definition 的方法进入该函数。再进入 osal_run_system() ，我们欣喜地发现这里就是任务轮询的基本轮廓，源码和分析如下：

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void osal_run_system( void )
{
  uint8 idx = 0;
 
#ifndef HAL_BOARD_CC2538
  osalTimeUpdate();
#endif
  
  Hal_ProcessPoll();
  //这段代码扫描触发的任务
  do {
    if (tasksEvents[idx]) //优先级高的任务被置位，说明有任务触发 
    {
      break;//跳出任务扫描，得到的idx即为任务ID！
    }
  } while (++idx < tasksCnt);//idx从0开始递增，先查询高优先级的任务
 
  if (idx < tasksCnt)
  {
    uint16 events;
    halIntState_t intState;
    //然后进入临界保护区，提取事件后清清除
    HAL_ENTER_CRITICAL_SECTION(intState);
    events = tasksEvents[idx];
    tasksEvents[idx] = 0;  // 清除
    HAL_EXIT_CRITICAL_SECTION(intState);
    //然后通过函数指针调用对应的任务处理函数
    activeTaskID = idx;
    events = (tasksArr[idx])( idx, events );
    activeTaskID = TASK_NO_TASK;
    //taskArr[]即为函数指针数组，存放所有定义好的处理任务函数的入口地址
    HAL_ENTER_CRITICAL_SECTION(intState);
    tasksEvents[idx] |= events;  // 保存未处理的事件
    HAL_EXIT_CRITICAL_SECTION(intState);
  }
#if defined( POWER_SAVING )//如果定义了节能模式
  else  
  {
    osal_pwrmgr_powerconserve();  //进入睡眠
  }
#endif
 
#if defined (configUSE_PREEMPTION) && (configUSE_PREEMPTION == 0)
  {
    osal_task_yield();
  }
#endif
}

OSAL消息队列

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typeedef struct
{
	void    *next;
	uint16   len;
	uint8    dest_id;

} osal_msg_hdr_t;

从消息队列得到一个消息：

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pMsg = osal_msg_receive( simpleBLETASKId )

OSAL添加新任务

• 新任务的初始化函数
• 新任务的事件处理函数

OSAL应用编程接口 API：

• 消息管理
• 任务同步
• 时间管理
• 中断管理
• 任务管理
• 内存管理
• 电源管理
• 非易失性闪存管理