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标题: 蓝牙概述及基本架构介绍 [打印本页]

作者: 大号在练葵花宝典 时间: 2024-10-20 23:22
标题: 蓝牙概述及基本架构介绍
1. 概述

1.1 蓝牙的概念

蓝牙，是一种利用低功率无线电，支持设备短距离通信的无线电技术，能在包罗移动电话、PDA（掌上电脑）、无线耳机、条记本电脑、相关外设等浩繁设备之间进行无线信息互换，蓝牙工作在全球通用的2.4GHz ISM（即工业、科学、医学）频段，利用IEEE802.11协议。
1.2 蓝牙的发展历程

自1994年由爱立信推出至今，蓝牙技术已经走过了20个光阴。从最初的Bluetooth V1.0，到Bluetooth V5.2，经历了近9个版本的修订后，发展为当前的状态。
“蓝牙”的形成配景:
1998 年 5 月，爱立信、诺基亚、东芝、 IBM和英特尔公司等五家闻名厂商，在联合开展短程无线通信技术的标准化运动时提出了蓝牙技术，其宗旨是提供一种短距离、低本钱的无线传输应用技术。
芯片霸主 Intel 公司负责半导体芯片和传输软件的开发，爱立信负责无线射频和移动电话软件的开发， IBM 和东芝负责条记本电脑接口规格的开发。
1999 年下半年，闻名的业界巨头微软、摩托罗拉、三星、朗讯与蓝牙特别小组的五家公司共同发起创建了蓝牙技术推广组织，从而在全球范围内掀起了一股“蓝牙”热潮。
全球业界即将开发一大批蓝牙技术的应用产品，使蓝牙技术呈现出极其广阔的市场前景，并预示着 21 世纪初将迎来波澜壮阔的全球无线通信海潮。
蓝牙版本发布时间最大传输速率传输距离蓝牙1.01998723Kbps10米蓝牙1.12002810Kbps10米蓝牙1.220031Mbps10米蓝牙2.0+EDR20042.1Mbps10米蓝牙2.1+EDR20073Mbps10米蓝牙3.0+HS200924Mbps10米蓝牙4.0-4.22010/2013/201424Mbps50米蓝牙5.0-5.22016/2019/202048Mbps300米

第一代蓝牙：关于短距离通讯早期的探索，利用的是BR技术，此时蓝牙的理论传输速率，只能到达721.2Kbps。
第二代蓝牙：新增的 EDR（Enhanced Data Rate）技术，使得蓝牙设备的传输率可达 3Mbps。
第三代蓝牙：核心是 AMP（Generic Alternate MAC/PHY），这是一种全新的交替射频技术，支持动态地选择精确射频，传输速率高达 24Mbps
第四代蓝牙：主推” Low Energy”低功耗， BLE（Bluetooth Low Energy）低功耗功能
第五代蓝牙：开启「物联网」期间大门，在低功耗模式下具备更快更远的传输能力

1.3 蓝牙技术概述

蓝牙协议包罗两种技术：BR：Basic Rate和LE：Low Energy。这两种技术都包罗搜刮（discovery）管理、连接（connection）管理等机制，但它们是不能互通的。
厂商假如只实现了一种，那么只能与同样实现该技术的设备互通。
假如厂商要确保能和全部的蓝牙设备互通，那么就只能同时实现两种技术，而不去管是否真的需要。
1.3.1 Basic Rate(BR)

BR：Basic Rate是正宗的蓝牙技术，可以包罗可选（optional）的EDR（Enhanced Data Rate）技术，以及交替利用的（Alternate）的MAC（Media Access Control）层和PHY层扩展（简称AMP（Alternate MAC and PHY layer extension））。
BR：最早期的蓝牙技术，速率只能到达721.2Kbps，在那个年代，已为高大上了。
EDR：随着技术的提升，利用EDR技术的蓝牙，理论速率可以到达2.1Mbps。
AMP：利用AMP技术的蓝牙，理论速率可以到达54Mbps。

AMP的Alternate交替利用体如今：由于蓝牙自身的物理层和AMP技术差异太显着，BR/EDR和AMP是不能同时利用的。
简朴的说，就是：BR和EDR是可以同时存在的，但BR/EDR和AMP只能二选一。
1.3.2 Low Energy（LE）

上面所讲的BR技术的进化门路，就是传输速率的加快、加快、再加快。但能量是守恒的，你想传的更快，代价就是斲丧更多的能量。而有许多的应用场景，并不关心传输速率，反而非常关心功耗。这就是Bluetooth LE（称作蓝牙低功耗）产生的配景。
从它的英文名字上就可以看出它是一种低功耗蓝牙技术，是蓝牙技术联盟设计和贩卖的一种个人局域网技术，旨在用于医疗保健、运动健身、信标、安防、家庭娱乐等范畴的新兴应用。
低功耗蓝牙与经典蓝牙利用相同的2.4GHz无线电频率，因此双模设备可以共享同一个天线。低功耗蓝牙利用的调制体系更简朴。
LE技术相比BR技术，差异非常大，大概说就是两种差别的技术，凑巧都加一个“蓝牙”的前缀而已。
如今BLE主要广泛应用于IoT产品范畴。
技术规范经典蓝牙（BT）低功耗蓝牙（BLE）无线电频率2.4GHz2.4GHz距离10米最大100米发送数据所需时间100ms<3ms响应延时约100ms6ms安全性64/128-bit及用户自定义的应用层128-bit AES及用户自定义的应用层能耗100%（ref）1%-50%空中传输数据速率1-3Mb/s1Mb/s主要用途手机游戏机耳机汽车 PC手机游戏机 PC 智能穿着设备汽车家用电子 2. 蓝牙的基本架构

2.1 芯片架构

蓝牙的核心体系，由一个Host和一个或多个Controller构成。

BT Host：一个逻辑实体，在HCI（Host Controller Interface）的上层。
BT Controller：一个逻辑实体，在HCI（Host Controller Interface）的下层。

Bluetooth的主控制器，可能是以下几种：

BR/EDR Controller：内部包含Radio, Baseband，Link Manager，可选的HCI。
LE Controller ：内部包含LE PHY，Link Layer ，可选的HCI
BR/EDR & LE Controller：BR/EDR与LE的组合的控制器
MAC/PHY (AMP) Controller：二级控制器，可替换的，内部包含 802.11 PAL (Protocol Adaptation Layer)，802.11 MAC，PHY，可选的HCI。

根据Host与Controller的构成关系，常见的蓝牙芯片也分为以下几种：

单模蓝牙芯片：单一传统蓝牙的芯片，单一低功耗蓝牙的芯片。即（1个Host结合1个Controller）
双模蓝牙芯片：同时支持传统蓝牙和低功耗蓝牙的芯片。即（1个Host结合多个Controller）

因此，蓝牙芯片就会有以下几种架构：

2.2 协议架构

蓝牙的协议架构我们从两个视角来进行熟悉。
2.2.1 官方协议中所展示的蓝牙协议架构

2.2.1.1 全局分析

Controller：

BR/EDR Controller：由Link Manager、Link Controller、BR/EDR Radio构成
LE Controller：由Link Manager、Link Controller、 LE Radio 构成
AMP Controller：由 AMP PAL, AMP MAC, AMP PHY构成

Host:

BR/EDR Host：由 L2CAP、SDP 、GAP 构成
LE Host：由 L2CAP、SMP 、GAP 、Attribute protocol、GATT构成

2.2.1.2 局部分析

Host层

Channel Manager：通道管理，主要用于创建、管理、关闭L2CAP通道，用于服务协媾和应用数据的传输。
L2CAP Resource Manage：L2CAP资源管理，主要负责管理分片的PDU的精确提交。
Security Manager Protocol：SMP安全管理协议，主要负责生成加密密钥和身份密钥。
Attribute Protocol：ATT，属性协议，主要负责服务端与客户端点到点的数据传输。
AMP Manager Protocol：直接利用L2CAP与远程设备通信。
Generic Attribute Profile：GATT，提供更多的功能，概要文件形貌了属性服务器中利用的服务条理结构、特征和属性，用于LE设备
Generic Access Profile：GAP，标识了根本的蓝牙设备的通用功能

Controller层

Device Manager：控制蓝牙设备的通用举动，负责与蓝牙通信过程中，全部的与数据无关的操作，如查询设备，连接设备
Link Manager：链路管理，主要负责创建，修改，释放逻辑链路。
Baseband Resource Manager：基带资源管理，主要负责全部的访问无线电媒体
Link Controller：链路控制，主要负责从编码和解码蓝牙数据包
PHY：物理层，主要负责发送，吸取物理通道的信息包

2.2.2 HW层，Transport层，Host层

2.2.2.1 HW层——蓝牙芯片层

HW层，指的是蓝牙芯片层，也就是我们上面说的Controller，包罗以下几个部分：

RF（RADIO）：射频层，本地蓝牙数据通过射频发送给远端设备，而且通过射频吸取来自远端蓝牙设备的数据。
BB（BASEBAND）：基带层，进行射频信号与数字或语音信号的相互转化，实现基带协媾和别的的底层连接规程。
LMP（LINK MANAGER PROTOCOL）：链路管理层，负责管理蓝牙设备之间的通信，实现链路的创建、验证、链路设置等操作
HCI（HOST CONTROLLER INTERFACE）：主机控制器接口层，HCI层在芯片以及协议栈都有，芯片层面的HCI负责把协议栈的数据做处理，转换为芯片内部动作，而且吸取到远端的数据，通过HCI上报给协议栈。
BLE PHY：BLE的物理层
PHY层用来指定BLE所用的无线频段，调制解调方式和方法等。PHY层做得好不好，直接决定整个BLE芯片的功耗，敏捷度以及selectivity等射频指标。
BLE LL：BLE的链路层
LL层是整个BLE协议栈的核心，也是BLE协议栈的难点和重点。像Nordic的BLE协议栈能同时支持20个link（连接），就是LL层的功劳。LL层要做的事情非常多，好比具体选择哪个射频通道进行通信，怎么识别空中数据包，具体在哪个时间点把数据包发送出去，怎么保证数据的完整性，ACK如何吸取，如何进行重传，以及如何对链路进行管理和控制等等。LL层只负责把数据发出去大概收回来，对数据进行怎样的解析则交给上面的GAP大概ATT。

2.2.2.2 Transport——数据传输层

Transport层，主机控制层接口，通过硬件接口UART/USB/SDIO把HOST协议层的数据发送给Controller层，而且吸取Controller层的数据。
该部分有几个协议：

H2：基于USB的传输
H4：基于UART的传输，最简朴的传输方式，只在HCI raw data前面加上一个type
H5: 基于UART的传输
BCSP: 基于UART的传输
SDIO ：基于SDIO的传输

H4需要蓝牙芯片的UART_TX/UART_RX/UART_CTS/UART_RTS/VCC/GND接到MCU；
H5只需要蓝牙芯片的UART_TX/UART_RX/VCC/GND接到MCU就可以通信。
2.2.2.3 HOST——协议层

HOST层，此部分就是蓝牙协议栈，该部分包罗多个协议：

L2CAP（Logical Link Control and Adaptation Protocol）：逻辑链路控制与适配协议，将ACL数据分组，对高层应用的数据进行分组，并提供协议复用和服务质量互换等功能。通过协议多路复用、分段重组操作和组概念,向高层提供面向连接的和无连接的数据服务。
L2CAP对LL进行了一次简朴封装，LL只关心传输的数据自己，L2CAP就要区分是加密通道还是普通通道，同时还要对连接间隔进行管理。
SDP（SERVICE DISCOVERY PROTOCOL）：服务发现协议，为应用步调提供发现可用服务，并确定服务特征的方法。
RFCOMM（Serial Port Emulation）：串口仿真协议，上层协议蓝牙电话，蓝牙透传SPP等协议都是直接走的RFCOMM
SPP（SERIAL PORT PROFILE）：蓝牙串口协议
HID（HUMAN INTERFACE DEVICE）：人机接口协议，HID还是有许多广泛的用途的，好比蓝牙鼠标，蓝牙键盘，蓝牙自拍杆，蓝牙手柄等。
IAP：苹果的特有协议，分为IAP1/IAP2，一般做Carplay大概iPod功能会涉及到该协议
PBAP（Phone Book Access）：蓝牙电话本访问协议
MAP（MESSAGE ACCESS PROFILE）：蓝牙短信访问协议
OBEX：对象互换协议，蓝牙电话本，蓝牙短信，文件传输等协议都是走的OBEX
HFP（Hands-Free）：蓝牙免提协议
HSP：蓝牙耳机协议，最开始的蓝牙耳机协议，算是一个简化版的HFP。
A2DP（Advanced Audio Distribution）: 蓝牙音乐协议
SM: 蓝牙BLE安全管理协议
SMP用来管理BLE连接的加密和安全的，如何保证连接的安全性，同时不影响用户的体验，这些都是SMP要思量的工作。
GAP（GENERIC ACCESS PROFILE）：它定义了蓝牙设备的基本要求。
它联系了全部的差别的层之间的交互，也形貌了设备发现、创建连接、安全、认证、关联模子和发现服务的举动和方法。
对于BR/EDR，它定义了一个蓝牙设备，包罗无线电、基带、链路管理器、L2CAP和服务发现协议（SDP）功能。
对于LE，它定义一个物理层（PHY），链路层，L2CAP，安全管理器，属性协媾和通用属性设置文件。
GAP是对LL层payload（有效数据包）如何进行解析的两种方式中的一种，而且是最简朴的那一种。GAP简朴的对LL payload进行一些规范和定义，因此GAP能实现的功能极其有限。GAP如今主要用来进行广播，扫描和发起连接等。
ATT（Attribute Protocol）：蓝牙属性协议,用于发现、读、写对端设备的协议(针对BLE设备),ATT允许设备作为服务端提供拥有关联值的属性集，让作为客户端的设备来发现、读、写这些属性；同时服务端能主动通知客户端。
简朴来说，ATT层用来定义用户命令及命令操作的数据，好比读取某个数据大概写某个数据。BLE协议栈中，开发者打仗最多的就是ATT。BLE引入了attribute概念，用来形貌一条一条的数据。Attribute除了定义数据，同时定义该数据可以利用的ATT命令，因此这一层被称为ATT层。
GATT（Generic Attribute Profile）：蓝牙通用属性协议，形貌了一种利用ATT的服务框架，该框架定义了数据互换的格式。
GATT用来规范attribute中的数据内容，并运用group（分组）的概念对attribute进行分类管理。没有GATT，BLE协议栈也能跑，但互联互通就会出题目，也正是因为有了GATT和各种各样的应用profile，BLE摆脱了ZigBee等无线协议的兼容性困境，成了出货量最大的2.4G无线通信产品。

GATT与ATT的关系：GATT 是脱胎于 ATT ，ATT 是 Attribute Protocol Specification 属性规范协议，注意ATT是协议，而GATT是规范，两者差别点在于 ATT规定了数据格式，而 GATT 则是按照 ATT 的格式将具体数据填充进去。
2.2.3 BLE蓝牙体系架构

3. 市场常见的蓝牙技术方案

3.1 SOC单芯片方案

一般是半导体厂商半开源协议栈，把开发的蓝牙协议栈直接烧写到蓝牙芯片中，（好比CSR BC4/5,CSR8670,CSR8675,TI CC2540，NRF51xxx，NRF52xxx，乐鑫ESP32等等），架构如下：

市场上的常见产品：蓝牙音箱，蓝牙耳机，蓝牙手环，蓝牙心率带
3.2 SOC蓝牙+MCU方案

就是在1）的根本上，通过特定的interface(UART居多)，发送自定义的command来到达想要的功能，好比发送0x01代表搜刮周围设备，当然在产品中肯定不会定义这么简朴的command，一般要加上command id + command len + command para data + command check sum来实现功能。
架构如下：

此部分的应用一般用于外设功能相对于复杂，需要驱动许多外设，但是单芯片方案的性能达不到的情况下一般用这种方案。
3.3 蓝牙host+controller分开方案

这种应用算是蓝牙最复杂的应用，适用于蓝牙利用情景较复杂的情况下利用，好比车载蓝牙等。客户需要有许多蓝牙协议，好比蓝牙电话（HFP），蓝牙音频（A2DP），蓝牙音乐控制（AVRCP），蓝牙电话本（PBAP），蓝牙短信（MAP），BLE,HID，假如你说以上还能用soc做，那么再加上Carplay的IAP/IAP2，Android Auto的RFCOMM BT呢，基本以上就需要这种方案了。
此中Transport是一个协议，H2就是在USB的根本上的协议，H4,H5,BCSP是UART根本上的协议，当然另有SDIO。

市场上常见产品：手机，功能较为复杂的蓝牙手表。
4 Bluez介绍

4.1 Bluez概述

BlueZ 是官方 Linux Bluetooth 栈，由主机控制接口（Host Control Interface ，HCI）层、Bluetooth 协议核心、逻辑链路控制和适配协议（Logical Link Control and Adaptation Protocol，L2CAP）、SCO 音频层、其他 Bluetooth 服务、用户空间后台历程以及设置工具构成。
BlueZ 的架构主要分为以下几个组件：

HCI（Host Controller Interface）层：这是 BlueZ 与蓝牙硬件之间的接口层。它负责与蓝牙控制器进行通信，发送和吸取命令、事件和数据包。HCI 层通常由 Linux 内核提供的驱动步调来实现。
L2CAP（Logical Link Control and Adaptation Protocol）层：L2CAP 是蓝牙协议栈中的一个紧张组件，提供了对称的、面向连接的数据通佩服务。它在底层的物理链路之上创建逻辑连接，并负责分配信道和数据包的传输。
SDP（Service Discovery Protocol）层：SDP 提供了一种机制，用于在蓝牙设备之间发现和形貌可用的服务和其特性。它允许设备查询其他设备上支持的服务，并获取服务的详细信息。
RFCOMM（Radio Frequency Communication）层：RFCOMM 是一种在 L2CAP 上运行的协议，它模仿了串行通信接口，使蓝牙设备能够像利用串口一样进行数据通信。
GAP（Generic Access Profile）层：GAP 定义了蓝牙设备之间的通用访问规范，包罗设备发现、连接和身份验证等功能。它定义了设备的角色、广播和扫描举动，以及与配对和安全性相关的规则。
GATT（Generic Attribute Profile）层：GATT 是蓝牙 Low Energy（LE）模式中的一个紧张概念，用于定义蓝牙设备之间的通信协议。它基于客户端-服务器模子，此中服务提供者提供各种服务，并通过 GATT 协议使客户端可以读取和写入服务的属性。

BlueZ 还提供了一组丰富的工具和库，用于在 Linux 体系上开发和管理蓝牙应用步调。这些工具包罗 hciconfig（用于设置 HCI 接口）、hcitool（用于执行蓝牙设备和操作的低级别命令）、bluetoothctl（用于交互式地管理蓝牙设备）等。
4.2 Bluez目录介绍

Bluez协议栈下载地址：http://www.bluez.org/
目录架构介绍：

android/ - 用于替代android中bluedroid的android版本bluez源码。
attrib/ - 包含gatttool 源码以及与gatt attribute相关的代码，gatttool程序入口为gatttool.c。　　　
btio/ - 通过的标准socket接口与BlueZ5 kernel模块通信。
client/ - bluetoothctl源码，程序入口为main.c。
doc/ - BlueZ5 API文档。
emulator/ - 与bluetooth虚拟controller工具相关的代码。
gdbus/ - BlueZ5自带的内部gdbus库源码。
gobex/ - Blue5自带的内部gobex库源码。
lib/ - libbluetooth.so 源码，提供BlueZ4 API，用来支持某些第三方应用。
monitor/ - btmon源码, 程序入口为main.c。
obexd/ - obexd源码，程序入口为src/main.c。
peripheral/ - 与蓝牙ble的GATT相关的代码？。
plugins/ - BlueZ5插件源码（neard，autopair等插件）。
profiles/ - BlueZ5蓝牙上层协议（a2dp，hid等）源码。
src/ - bluetoothd源码，程序入口为main.c。
test/ - Bluez5测试脚本。
tools/ - Bluez5测试工具集源码。
unit/ - PTS测试相关的一些代码？。
README / INSTALL - 配置，编译，安装Bluez5的说明。
Makefile.obexd - 定义obexd编译规则，此文件被include于Makefile.am中。
Makefile.plugins - 定义BlueZ5的plugins（neard，autopair等）的编译规则，此文件被include于Makefile.am中。
Makefile.tools - 定义BlueZ5测试工具集的编译规则，此文件被include于 Makefile.am中。
Makefile.am - 定义了Bluez5的编译规则。用于automake工具，生成 Makefile.in文件。
Makefile.in - 用于configure脚本，生成最终的Makefile文件。
configure.ac - 用于autoconf工具，生成configure脚本。
configure - 配置编译选项，生成最终的Makefile文件,以及config.h文件

复制代码

bluez核心代码在src目录下，入口函数是main.c，bluez5编译后会生成bluetoothd可执行文件，该可执行文件在linux体系启动时自动加载，加载设置文件放在/etc/init/bluetooth.conf。

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