蓝牙协议栈软件框架解析

　　BLE 协议架构总体上分成3块，从下到上分别是：控制器（Controller），主机（Host）和应用端（Apps）；3者可以在同一芯片类实现，也可以分不同芯片内实现，控制器（Controller）是处理射频数据解析，数据接收和发送，主机（Host）是控制不同设备之间如何进行数据交换；应用端（Apps）实现具体应用。
　　

　　控制器Controller
　　Controller实现射频相关的模拟和数字部分，完成最基本的数据发送和接收，Controller对外接口是天线，对内接口是主机控制器接口HCI（Hostcontroller interface）；控制器包含物理层PHY（physicallayer），链路层LL（linker layer），直接测试模式DTM（Direct Test mode）以及主机控制器接口HCI。
　　·物理层PHY
　　GFSK信号调制，2402MHz~2480MHz，40个channel，每两个channel间隔2MHz（经典蓝牙协议是1MHz），数据传输速率是1Mbps。
　　·链路层LL
　　基于物理层PHY之上，实现数据通道分发，状态切换，数据包校验，加密等；链路层LL分2种通道：广播通道（advertising channels）和数据通道（data channels）；广播通道有3个，37ch（2402MHz），38ch（2426MHz），39ch（2480MHz），每次广播都会往这3个通道同时发送（并不会在这3个通道之间跳频），为防止某个通道被其它设备阻塞，以至于设备无法配对或广播数据，只所以定3个广播通道是一种权衡，少了可能会被阻塞，多了加大功耗，还有一个有意思的事情是，三个广播通道刚好避开了wifi的1ch，6ch，11ch，所以在BLE广播的时候，不至于被wifi影响（冒出一个很邪恶想法，如果要干扰BLE广播数据，一个最最简单的办法，同时阻塞3个广播通道）；当BLE匹配之后，链路层LL由广播通道切换到数据通道，数据通道37个，数据传输的时候会在这37个通道间切换，切换规则在设备间匹配时候约定。为了增加容量，增大抗干扰能力，连接不会长期使用一个固定的Physical Channel，而是在多个Channel（如37个）之间随机但有规律的切换，这就是BLE的跳频（Hopping）技术，主机和从机建立连接之后，会生成一个channel map，这个channel map就是主从商量好的调频通道。
　　
　　·主机Host/控制器controller接口HCI
　　HCI作为一种接口，存在于主机Host和控制器controller当中，控制器Host通过HCI发送数据和事件给主机，主机Host通过HCI发送命令和数据给控制器controller。 HCI逻辑上定义一系列的命令，事件；物理上有UART，SDIO，USB，实际可能包含里面的任意1种或几种（常见RF测试时，我们常使用UART发送标准的HCI指令控制Controller，后续文章会详解HCI）。

　　主机HOST
　　主机host是蓝牙协议栈的核心部分，GAP层负责制定设备工作的角色，SS层负责指定安全连接，Logic Link层功能非常强大，官方作用为协议/通道的多路复用，负责上层应用数据（L2CAPService Data Units，SDUs）的分割（和重组），生成协议数据单元（L2CAP Packet Data Units，PDUs），以满足用户数据传输对延时的要求，并便于后续的重传、流控等机制的实现。
　　·L2CAP Protocol
　　数据经过Link Layer的抽象之后，两个BLE设备之间可存在两条逻辑上的数据通道：一条是无连接的广播通道；另一条是基于连接的数据通道，是一个点对点（Master对Slave）的逻辑通道。如之前文章讲到，BT 4.2 最大传输的数据包长度为251字节，那么应用层要传输的数据包长度超过了251个字节，这个时候就靠L2CAP层进行分包处理，送到LL层进行数据发送。Physical Layer负责提供一系列的PhysicalChannel；基于这些Physical Channel，LinkLayer可在两个设备之间建立用于点对点通信的Logical Channel；而L2CAP则将这个Logical Channel换分为一个个的L2CAPChannel，以便提供应用程序级别的通道复用。到此之后，基本协议栈已经构建完毕，应用程序已经可以基于L2CAP欢快的跑起来了。
　　·Attribute Protocol
　　Attribute Protocol定义了一套数据传输机制，采用client-server的形式，为数据传输提供一个通道。提供信息（以后都称作Attribute）的一方称作ATTserver（一般是那些传感器节点），访问信息的一方称作ATT client。一个Attribute由Attribute Type、Attribute Handle和Attribute Value组成。ATT层相当于数据传输通道，所有的数据都会通过该通道上传或者下发。
　　
　　·Security Manager（SM）
　　Security Manager负责BLE通信中有关安全的内容（毫无疑问，在物联网时代，安全变得更重要，谁也不想卧室的灯在深夜的时候会无缘无故的亮吧），包括配对（pairing，）、认证（authentication）和加密（encryption）等过程。
　　·Generic AttributeProfile
　　Attribute Protocol之所以称作“protocol”，是因为它还比较抽象，仅仅定义了一套机制，允许client和server通过Attribute的形式共享信息。而具体共享哪些信息，ATT并不关心，这是GATT（Generic Attribute Profile）的主场。GATT相对ATT只多了一个‘G‘，但含义却大不同，因为GATT是一个profile，下篇文章详细介绍GATT和profile。
　　·Generic AccessProfile 通用访问
　　定义GAP层的蓝牙设备角色（role）
　　1. Broadcaster Role，设备正在发送advertisingevents；
　　2. Observer Role，设备正在接收advertising events；
　　3. Peripheral Role，设备接受Link Layer连接（对应Link Layer的slave角色）；
　　4. Central Role，设备发起Link Layer连接（对应Link Layer的master角色）。
　　GAP层定义了用于实现各种通信的操作模式（Operational Mode）和过程（Procedures），实现单向的，无连接的通信方式，配对，连接操作等；同时GAP层也定义了User Interface相关的蓝牙参数，比如蓝牙地址，名称，类型等。

　　应用层
　　应用层可以分为两部分，以从机为例，我们可以通过GATT层定义自己的Profile，供主端设备读取放在从机服务器上的数据；另外我们需要做自己的应用层程序，这个和普通MCU并无差别。需要注意的是，市面上流行的芯片的软件框架都是基于RTOS展开，应用层单独是一个TASK执行，协议栈是另外的TASK在执行，协议栈是通过回调函数和应用层进行交互，协议栈通过消息传递机制让应用层TASK知道有蓝牙相关的操作，应用层通过相应的回调函数发现是GAP层的状态改变还是GATT层有数据进行传递，然后执行我们设计的功能。