蓝牙协议框架梳理

蓝牙基本概念

Piconet

在蓝牙设备没有跟其他蓝牙设备连线的时候，它自己属于一个piconet。当有连线后，piconet里有两种角色：master 和 slave。发起连线的一方是master，被连接的一方是slave。slave会以master的时钟为参照，以625us为时间单位，与master进行数据收发。每一个piconet里，一个master最多有7个slave。

PHY Mode

LE： LE采用频分多址（FDMA）和时分多址（TDMA），在FDMA中使用了40个（40）物理信道，相隔2 MHz。37,38,39用作主要广播，而另外37个通道用作数据渠道或者次要广播通道。

Basic Rate: 最基本的一种模式，采用GFSK，传输速率是 1Mb/s。

Enhanced Data rate: 增强模式，传输速率是 2Mb/s （π/4-DQPSK）或 3Mb/s（8DPSK），这种模式有两种编码。

BT clock

Clock是蓝牙通信最最基础的一个概念，clock定义了通信的时空范围，定义了这个Piconet时空的坐标系，只有在同一个坐标系里，网络内的各个角色才能相互了解对方的时间线，才知道什么时候发包，什么时候收包。
BT clock是个28bit的计数器，每tick一次是312.5us，所以总共有 (2^28 -1)个tick，算一下大约是(2^28-1)*312.5us/10^6/3600 = 23.3个小时后clock会翻转。

针对Clock有几个重要概念：

CLK0, 312.5us，是一个tick
CLK1, 625us, 是一个slot
CLK2, 1.25ms, 是一个frame（做一次TX 和 RX）
CLK12, 1.28s.
Clock的精确度要求为 +/-250ppm 和 +/-20ppm

蓝牙tx,rx会按时隙为节拍通信，数据以625us一个时隙作为最小单元，有些数据包会超过一个时隙，最多可持续5个时隙。

对于一个连接中的两个设备中，对于主设备，slave_offset应为零，因为CLK与其自身的本地时钟CLKN相同。每个从机应在其CLKN上添加一个适当的slave_offset，以使CLK对应于主机的CLKN，使得主从时钟保持同步尽管设备中的所有CLKN均以相同的标称速率运行，但相互漂移会导致CLK不准确。因此，必须定期更新从机中的偏移，以使CLK大约等于主机的CLKN

Physical Channel（信道）

Spec总共有定义如下5种channel

• Basic piconet physical channel
• Adapted piconet physical channel
• Page scan physical channel
• Inquiry scan physical channel
• Synchronization scan physical channel

以Basic piconet physical channel为例，在建立连线后，Slave会以Mater的clock为准。Master和Slave以一个slot为单位进行Tx和Rx，Master在clock为偶数时发包，Slave在clock为偶数时收包，如下图所示

蓝牙核心框架

核心架构

蓝牙核心框架信息量非常大，基本把蓝牙的构架和数据传输方向描述的非常清楚，绿色框图部分是Radio, 蓝牙射频，基带和链路管理放在该部分完成，红色部分称为Host端，俗称蓝牙协议。

Radio分为经典蓝牙，低功耗蓝牙和AMP。我们主要看LE Controller，顺带提一下BR/EDR。

Controller和Host直接的数据传输有几种方式：C/E，SCO，ACL，ISO。

• Synchronous Connection-Oriented (SCO) logical transport
• Extended Synchronous Connection-Oriented (eSCO) logical transport
• Asynchronous Connection-Oriented (ACL) logical transport
• Active Slave Broadcast (ASB) logical transport
• Connectionless Slave Broadcast (CSB) logical transport.

简单来说C/E是HOST和Controller通信方式之一，Command用于下发指令，Event是Host用于接收controller上报指令，SCO和eSCO是经典蓝牙下用于音频传输，ACL为异步数据传输（没有严格同步时间要求的数据传输方式），ISO是蓝牙5.2的最新规范的大数据传输通道，分为基于连接的数据流传输和基于广播的数据流传输。上图中灰色的箭头表示控制指令的传输路径，黑体箭头表示数据流向。

Synchronous Connection Oriented (SCO)

• Circuit switched typically used for voice
• Symmetric, synchronous service
• Slot reservation at fixed intervals
• Point-to-point

Asynchronous Connectionless Link (ACL)

• Packet switched
• Symmetric or asymmetric, asynchronous service
  Polling mechanism between master and slave(s)
• Point-to-point and point-to-multipoint

以设置LE设备广播为例，LE 设备上电后，host发送reset command重启蓝牙设备，发送广播参数command，配置广播内容，使能广播command，完成蓝牙设备的广播设置command。

(```)
########################################################
## Legacy Adv Command
########################################################
#reset
Send_HCI_Reset
Wait_HCI_Command_Complete_Reset_Event 5000, any, HCI_Reset, 0x00

# set Adv parameter
Send_HCI_LE_Set_Advertising_Parameters 800, 800, 0x00, 0x00, 0x00, "01:02:03:04:05:06", "0x07", "0x00"
Wait_HCI_Command_Complete_LE_Set_Advertising_Parameters_Event 5000, any, HCI_LE_Set_Advertising_Parameters, 

# set Adv data Payload
Send_HCI_LE_Set_Advertising_Data 0x10, "00:01:02:03:04:05:06:07:08:09:0A:0B:0C:0D:0E:0F"
Wait_HCI_Command_Complete_LE_Set_Advertising_Data_Event 5000, any, HCI_LE_Set_Advertising_Data, 

# set Scan rsp data Payload
Send_HCI_LE_Set_Scan_Response_Data 0x10, "00:01:02:03:04:05:06:07:08:09:0A:0B:0C:0D:0E:0F"
Wait_HCI_Command_Complete_LE_Set_Scan_Response_Data_Event 5000, any, HCI_LE_Set_Scan_Response_Data, 

# enable adv
Send_HCI_LE_Set_Advertise_Enable 0x01
Wait_HCI_Command_Complete_LE_Set_Advertise_Enable_Event 5000, any, HCI_LE_Set_Advertise_Enable, 
(```)

完整的Command/Event交互LOG如下:

20:23:26.378 * Script Started: “C:\Users\xcoder\Documents\Texas Instruments\HCI TESTER\hci_tester\controller scripts\adv.txt” *
20:23:26.378 –
20:23:26.378 Packet “HCI_Reset”, Opcode 0x0c03
20:23:26.378 –
20:23:26.378 Outgoing Dump:
20:23:26.378 0000: 01 03 0c 00 ….
20:23:26.398 Incoming Dump:
20:23:26.398 0000: 04 0e 04 01 03 0c 00 …….
20:23:26.398 –
20:23:26.398 Packet “HCI_Command_Complete_Reset_Event”, Opcode 0x0c03
20:23:26.398 Parameters:
20:23:26.398 | Number HCI commands : 0x01
20:23:26.398 | Command Opcode : 0x0c03
20:23:26.398 | Status : 0x00 (Success)
20:23:26.398 –
20:23:26.398 –
20:23:26.398 Packet “HCI_LE_Set_Advertising_Parameters”, Opcode 0x2006
20:23:26.398 Parameters:
20:23:26.398 | Advertise Min Interval : 800
20:23:26.398 | Advertise Max Interval : 800
20:23:26.398 | Advertising Type : 0x00 (Connectable Undirected Event)
20:23:26.398 | Own Address Type : 0x00 (Public Device Address)
20:23:26.398 | Direct Address Type : 0x00 (Public Device Address)
20:23:26.398 | Direct Address : “01:02:03:04:05:06”
20:23:26.398 | Advertising Channel Map : 0x07
20:23:26.398 | Advertising Filter Policy : 0x00
20:23:26.398 –
20:23:26.398 Outgoing Dump:
20:23:26.398 0000: 01 06 20 0f 20 03 20 03 00 00 00 06 05 04 03 02 .. . . ………
20:23:26.398 0010: 01 07 00 …
20:23:26.418 Incoming Dump:
20:23:26.418 0000: 04 0e 04 01 06 20 00 ….. .
20:23:26.418 –
20:23:26.418 Packet “HCI_Command_Complete_LE_Set_Advertising_Parameters_Event”, Opcode 0x2006
20:23:26.418 Parameters:
20:23:26.418 | Number HCI commands : 0x01
20:23:26.418 | Command Opcode : 0x2006
20:23:26.418 | Status : 0x00 (Success)
20:23:26.418 –
20:23:26.418 –
20:23:26.418 Packet “HCI_LE_Set_Advertising_Data”, Opcode 0x2008
20:23:26.418 Parameters:
20:23:26.418 | Data Length : 0x10
20:23:26.418 | Advertising data : “00:01:02:03:04:05:06:07:08:09:0A:0B:0C:0D:0E:0F”
20:23:26.418 –
20:23:26.418 Outgoing Dump:
20:23:26.418 0000: 01 08 20 11 10 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0a .. ………….
20:23:26.418 0010: 0b 0c 0d 0e 0f …..
20:23:26.428 Incoming Dump:
20:23:26.428 0000: 04 0e 04 01 08 20 00 ….. .
20:23:26.428 –
20:23:26.428 Packet “HCI_Command_Complete_LE_Set_Advertising_Data_Event”, Opcode 0x2008
20:23:26.428 Parameters:
20:23:26.428 | Number HCI commands : 0x01
20:23:26.428 | Command Opcode : 0x2008
20:23:26.428 | Status : 0x00 (Success)
20:23:26.428 –
20:23:26.428 –
20:23:26.428 Packet “HCI_LE_Set_Scan_Response_Data”, Opcode 0x2009
20:23:26.428 Parameters:
20:23:26.428 | Data Length : 0x10
20:23:26.428 | Data : “00:01:02:03:04:05:06:07:08:09:0A:0B:0C:0D:0E:0F”
20:23:26.428 –
20:23:26.428 Outgoing Dump:
20:23:26.428 0000: 01 09 20 11 10 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0a .. ………….
20:23:26.428 0010: 0b 0c 0d 0e 0f …..
20:23:26.448 Incoming Dump:
20:23:26.448 0000: 04 0e 04 01 09 20 00 ….. .
20:23:26.448 –
20:23:26.448 Packet “HCI_Command_Complete_LE_Set_Scan_Response_Data_Event”, Opcode 0x2009
20:23:26.448 Parameters:
20:23:26.448 | Number HCI commands : 0x01
20:23:26.448 | Command Opcode : 0x2009
20:23:26.448 | Status : 0x00 (Success)
20:23:26.448 –
20:23:26.448 –
20:23:26.448 Packet “HCI_LE_Set_Advertise_Enable”, Opcode 0x200a
20:23:26.448 Parameters:
20:23:26.448 | Advertise Enable : 0x01 (Enable)
20:23:26.448 –
20:23:26.448 Outgoing Dump:
20:23:26.448 0000: 01 0a 20 01 01 .. ..
20:23:26.468 Incoming Dump:
20:23:26.468 0000: 04 0e 04 01 0a 20 00 ….. .
20:23:26.468 –
20:23:26.468 Packet “HCI_Command_Complete_LE_Set_Advertise_Enable_Event”, Opcode 0x200a
20:23:26.468 Parameters:
20:23:26.468 | Number HCI commands : 0x01
20:23:26.468 | Command Opcode : 0x200a
20:23:26.468 | Status : 0x00 (Success)
20:23:26.468 –
20:23:26.468 –
20:23:26.468  Script End

蓝牙Host和controller层通过HCI Command/Event交互数据，在早期的BR/EDR蓝牙中，Controller和Host会分开两颗芯片，再蓝牙4.x以后，芯片原厂已经把两颗芯片集成到一颗SOC中，hci层只有在蓝牙测试时候会单独用到，工程中，往往已经看不到hci层（已经打包在lib里），这一章有了一个层级间数据传输的感性认识，下面了解蓝牙协议的全貌。

蓝牙协议架构

从OSI（Open System Interconnection）模型的角度看，蓝牙是一个比较简单的协议，它仅仅提供了物理层（Physical Layer）和数据链路层（Data Link Layer ）两个OSI层次，细化可分为如图所示的物理层（Physical Layer）、逻辑层（Logical Layer）、L2CAP Layer。

物理层，负责提供数据传输的物理通道（通常称为信道）。通常情况下，一个通信系统中存在几种不同类型的信道，如控制信道、数据信道、语音信道等等。
逻辑层，在物理层的基础上，提供两个或多个设备之间、和物理无关的逻辑传输通道（也称作逻辑链路）。
L2CAP层，L2CAP是逻辑链路控制和适配协议（Logical Link Control and Adaptation Protocol）的缩写，负责管理逻辑层提供的逻辑链路。基于该协议，不同Application可共享同一个逻辑链路。类似TCP/IP中端口（port）的概念。

在l2cap之上还可以有profile层，理解蓝牙协议的profile，基于L2CAP提供的channel，实现各种各样的应用功能。Profile是蓝牙协议的特有概念，为了实现不同平台下的不同设备的互联互通，蓝牙协议不止规定了核心规范（称作Bluetooth core），也为各种不同的应用场景，定义了各种Application规范。

数据和指令的传输通过C/E，SCO，ACL，ISO几个通道穿梭在不同层协议，既保证了蓝牙协议层级间的独立，又完成了蓝牙数据的交互。

蓝牙层级间的数据交互

蓝牙协议层级间的指令数据传输需要靠通道相互连接，操作系统消息传递机制以及callback函承担了实现层级间的数据通信和交互的桥梁。

我们以TI CC2541(真的很老了)的软件架构来讲述数据传输方式，工程内有多个线程同时工作：LL，HAL，HCI，L2CAP，GAP，SM，GATT，GAPROLE，GAPBondMgr，GATTServApp，SimpleBLEPeripheral。线程之间采用command/event方式交互数据。

(```)
void osalInitTasks( void )
{
  uint8 taskID = 0;

  tasksEvents = (uint16 *)osal_mem_alloc( sizeof( uint16 ) * tasksCnt);
  osal_memset( tasksEvents, 0, (sizeof( uint16 ) * tasksCnt));

  /* LL Task */
  LL_Init( taskID++ );

  /* Hal Task */
  Hal_Init( taskID++ );

  /* HCI Task */
  HCI_Init( taskID++ );

#if defined ( OSAL_CBTIMER_NUM_TASKS )
  /* Callback Timer Tasks */
  osal_CbTimerInit( taskID );
  taskID += OSAL_CBTIMER_NUM_TASKS;
#endif

  /* L2CAP Task */
  L2CAP_Init( taskID++ );

  /* GAP Task */
  GAP_Init( taskID++ );

  /* SM Task */
  SM_Init( taskID++ );

  /* GATT Task */
  GATT_Init( taskID++ );

  /* Profiles */
  GAPRole_Init( taskID++ );
  GAPBondMgr_Init( taskID++ );

  GATTServApp_Init( taskID++ );

  /* Application */
  SimpleBLEPeripheral_Init( taskID );
}
(```)

HOST端层级之间数据交互通道

HCI下层和controller的部分逻辑和上层host一样，只是在hci层做了一层数据传输的task，HCI_task作为host和controller的衔接，进行发送，解析指令，传输数据。

​HCI command packet format: cmd

• Packet Type + Command opcode + lengh + command payload
• | 1 octet | 2 | 1 | n |

HCI data packet format: eco acl

• Packet Type + Conn Handle + lengh + data payload
• | 1 octet | 2 | 2 | n |

总结

弄清楚了基本概念，弄清楚了框架和数据流向和软件实施办法，就基本对蓝牙协议有了一个宏观认识，对于理解软件代码有一定帮助。