柚子快報激活碼778899分享：網(wǎng)絡協(xié)議 BLE 簡介

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介紹：BLE 的全稱叫做 Bluetooth Low Energy，也稱之為低功耗藍牙，屬于藍牙技術(shù)中的一種。與之對應的是 Classic Bluetooth，經(jīng)典藍牙，低功耗藍牙雖工作原理與經(jīng)典藍牙類似，但是有著獨特的架構(gòu)體系，所以LE獨立出來成為一種藍牙形態(tài)。不過LE和經(jīng)典藍牙使用相同的2.4G無線電頻率，可以共享同一個天線，組成雙模藍牙。

BLE頻段與信道：BLE和傳統(tǒng)藍牙不同，把傳統(tǒng)藍牙的79個信道分為40個，帶寬也有1MHz變?yōu)?MHz。其中37、38、39作為主廣播信道，其余的既可以作數(shù)據(jù)信道也可以作備用廣播信道。如下圖所示：

其中信道的頻率由下圖所示方法計算：

由圖可得最小頻率是2402MHz，最大頻率是 2480MHz。

BLE芯片的組成：由軟硬件共同構(gòu)成，軟件部分主要是協(xié)議棧，硬件部分包括藍牙基帶（Baseband）、調(diào)制解調(diào)部分（Modem）、無線接收部分（RF）。

BLE協(xié)議棧：

BLE的協(xié)議棧如下圖所示：

協(xié)議棧主要是三部分組成，Controller、Host和profiles。其中硬件部分像藍牙基帶、RF等都在Controller中實現(xiàn)，軟件部分則主要通過Host來控制，軟硬件通過HCL來進行交互。我們設(shè)計BLE芯片的話，要設(shè)計它的Controller和Host，我們所有的設(shè)計都要遵循藍牙協(xié)議規(guī)范。

軟硬件以及軟硬件交互分明的協(xié)議棧的設(shè)計，可以大大的提高設(shè)計效率，我們可以同時進行軟件和硬件的設(shè)計，只要按照標準來設(shè)計，我們的設(shè)計就可以同步進行了。

下面首先來大致看一下每一部分的功能和作用：

物理層（Physical Layer，簡寫 PHY）：PHY層用來指定BLE所用的無線頻段，調(diào)制解調(diào)方式和方法等。由于我們使用的頻段2.4G是大家都可以免費使用的，也就是說藍牙必定會面臨干擾，簡單來說物理層的作用正是要盡可能的屏蔽掉我們不需要的信號，排除干擾，使物理層上面的數(shù)據(jù)鏈路層可以正常運作。鏈路層（Link Layer,簡寫LL）：可以說LL層是整個藍牙數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮诵模龅氖虑榉浅６?，包括頻道的選擇，空中數(shù)據(jù)識別，數(shù)據(jù)的比特流處理等等。不過LL層只是對接收到的或者要發(fā)送的數(shù)據(jù)進行處理，對于數(shù)據(jù)的解析還是要看Host的軟件部分。鏈路層可以理解為一個狀態(tài)機，控制著各種狀態(tài)，在藍牙協(xié)議4.0中，如下圖所示：

一共有以下五種狀態(tài)：就緒態(tài)(Stanby)、掃描態(tài)(Scanning)、廣播態(tài)(Advertsing)、發(fā)起態(tài)(Initiating)、連接態(tài)(Connection)。 在藍牙5.x中，又增加了幾種狀態(tài)，如下圖所示：

一共有以下七種狀態(tài)：Standby State（待機）、Advertising State（廣播）、Scanning State（掃描）、Initiating State （初始發(fā)起）、Connection State（連接）、Synchronization State（同步）、Isochronous Broadcasting State（等待連接）。具體鏈路層細節(jié)會在后續(xù)文章繼續(xù)介紹。

主機控制接口層（Host Controller Interface，簡寫 HCI）：它的作用就如名字所示，是一個主機和控制器的接口，主要用于主機通過向控制器發(fā)送命令數(shù)據(jù)包來執(zhí)行命令或者控制器反饋之前輸入的命令等等。HCI主要包括邏輯接口（數(shù)據(jù)包）和物理接口（UART、USB等等），HCI不是必須要有的，如果是雙芯片的BLE，通常用HCI來規(guī)范兩者之間的通信協(xié)議和通信命令等。屬性協(xié)議層（Attribute protocol，簡寫 ATT）：ATT是GATT和GAP的基礎(chǔ)。簡單來說，ATT層用來定義用戶命令及命令操作的數(shù)據(jù)，比如讀取某個數(shù)據(jù)或者寫某個數(shù)據(jù)。在ATT中主要用到的就是attribute概念，attribute本身可以簡單地理解為一條數(shù)據(jù)，或者說一種操作，Attribute定義數(shù)據(jù)，同時定義該數(shù)據(jù)可以使用的ATT命令。軟件開發(fā)者們最多接觸的就是ATT層面的設(shè)計與開發(fā)。通用訪問配置文件層（Generic access profile，簡寫GAP）：GAP可以對LL層payload進行解析，主要用來控制設(shè)備連接和廣播， 使你的設(shè)備被其他設(shè)備可見，并決定了你的設(shè)備是否可以或者怎樣與交互設(shè)備進行通訊。GAP層有4種不同類型的廣播：通用的、定向的、不可連接的以及可發(fā)現(xiàn)的。設(shè)備每次廣播時，會在3個廣播信道上發(fā)送相同的報文。這些報文被稱為一個廣播事件，例如 Beacon 設(shè)備就只是向外廣播，不支持連接。通用屬性配置文件層（Generic Attribute profile，簡寫 GATT）：GATT更像是一種SPEC和一種橋梁，用來規(guī)范attribute中的數(shù)據(jù)內(nèi)容，并運用對attribute進行分類管理。一旦兩個設(shè)備建立起了連接，GATT 就開始起作用了，也就是說要想經(jīng)過GATT，必須先符合GAP協(xié)議。邏輯鏈路控制及自適應協(xié)議層（Logical Link Control and Adaptation Protocol，簡寫 L2CAP）：L2CAP在經(jīng)典藍牙中的作用更為強大，在BLE中主要負責協(xié)議復用的功能，無論是SM還是ATT等協(xié)議棧的數(shù)據(jù)都可以通過L2CAP連接HCL傳輸?shù)娇刂破骼锩?，并向上連接應用的接口。LL只關(guān)心傳輸?shù)臄?shù)據(jù)本身，L2CAP就要區(qū)分是加密通道還是普通通道，在BLE中不是主要模塊。安全管理層（Security Manager，簡寫 SM）：此模塊用來保證數(shù)據(jù)安全的加密模塊，數(shù)據(jù)加密需要一個密鑰key，密鑰key的一系列處理就在SM中進行。

本文對于BLE藍牙的基本內(nèi)容進行了簡單的介紹，之后會對每一部分詳細的展開分析。

本文章僅供學習交流，如有引用請標注出處。

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