山东诚祥建设集团公司网站,网站备案前置审批 成都,网页设计素材整理分级是什么意思,wordpress 游戏网页蓝牙概述及基本架构介绍 1. 概述1.1 蓝牙的概念1.2 蓝牙的发展历程1.3 蓝牙技术概述1.3.1 Basic Rate(BR)1.3.2 Low Energy#xff08;LE#xff09; 2. 蓝牙的基本架构2.1 芯片架构2.2 协议架构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2.2.1.2 局部分析 2.2.2… 蓝牙概述及基本架构介绍 1. 概述1.1 蓝牙的概念1.2 蓝牙的发展历程1.3 蓝牙技术概述1.3.1 Basic Rate(BR)1.3.2 Low EnergyLE 2. 蓝牙的基本架构2.1 芯片架构2.2 协议架构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2.2.1.2 局部分析 2.2.2 HW层Transport层Host层2.2.2.1 HW层——蓝牙芯片层2.2.2.2 Transport——数据传输层2.2.2.3 HOST——协议层 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3.2 SOC蓝牙MCU方案3.3 蓝牙hostcontroller分开方案 4 Bluez介绍4.1 Bluez概述4.2 Bluez目录介绍 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括移动电话、PDA掌上电脑、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换蓝牙工作在全球通用的2.4GHz ISM即工业、科学、医学频段使用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个岁月。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况。 “蓝牙”的形成背景:
1998 年 5 月爱立信、诺基亚、东芝、 IBM和英特尔公司等五家著名厂商 在联合开展短程无线通信技术的标准化活动时提出了蓝牙技术其宗旨是提供一种短距离、 低成本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 和东芝负责笔记本电脑接口规格的开发。
1999 年下半年著名的业界巨头微软、摩托罗拉、三星、朗讯与蓝牙特别小组的五家公司共同发起成立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浪潮。
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2.0EDR20042.1Mbps10米蓝牙2.1EDR20073Mbps10米蓝牙3.0HS200924Mbps10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使用的是BR技术此时蓝牙的理论传输速率只能达到721.2Kbps。第二代蓝牙新增的 EDREnhanced 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 AMPGeneric Alternate MAC/PHY这是一种全新的交替射频技术支持动态地选择正确射频传输速率高达 24Mbps第四代蓝牙主推” Low Energy”低功耗 BLEBluetooth Low Energy低功耗功能第五代蓝牙开启「物联网」时代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
蓝牙协议包括两种技术BRBasic Rate和LELow Energy。这两种技术都包括搜索discovery管理、连接connection管理等机制但它们是不能互通的。 厂商如果只实现了一种那么只能与同样实现该技术的设备互通。 如果厂商要确保能和所有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)
BRBasic Rate是正宗的蓝牙技术可以包括可选optional的EDREnhanced Data Rate技术以及交替使用的Alternate的MACMedia Access Control层和PHY层扩展简称AMPAlternate MAC and PHY layer extension。BR最早期的蓝牙技术速度只能达到721.2Kbps在那个年代已为高大上了。EDR随着技术的提升使用EDR技术的蓝牙理论速率可以达到2.1Mbps。AMP使用AMP技术的蓝牙理论速率可以达到54Mbps。
AMP的Alternate交替使用体现在由于蓝牙自身的物理层和AMP技术差异太明显BR/EDR和AMP是不能同时使用的。
简单的说就是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 EnergyLE
上面所讲的BR技术的进化路线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消耗更多的能量。而有很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背景。
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销售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、家庭娱乐等领域的新兴应用。
低功耗蓝牙与经典蓝牙使用相同的2.4GHz无线电频率因此双模设备可以共享同一个天线。低功耗蓝牙使用的调制系统更简单。
LE技术相比BR技术差异非常大或者说就是两种不同的技术凑巧都加一个“蓝牙”的前缀而已。
目前BLE主要广泛应用于IoT产品领域。
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100ms3ms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%ref1%-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 智能穿戴设备汽车 家用电子
2. 蓝牙的基本架构
2.1 芯片架构
蓝牙的核心系统由一个Host和一个或多个Controller组成。
BT Host一个逻辑实体在HCIHost Controller Interface的上层。BT Controller一个逻辑实体在HCIHost 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, BasebandLink Manager可选的HCI。LE Controller 内部包含LE PHYLink Layer 可选的HCIBR/EDR LE ControllerBR/EDR与LE的组合的控制器MAC/PHY (AMP) Controller二级控制器可替代的内部包含 802.11 PAL (Protocol Adaptation Layer)802.11 MACPHY可选的HCI。
根据Host与Controller的组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认识。
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组成LE Controller由Link Manager、Link Controller、 LE Radio 组成AMP Controller由 AMP PAL, AMP MAC, AMP PHY组成
Host:
BR/EDR Host由 L2CAP、SDP 、GAP 组成LE Host由 L2CAP、SMP 、GAP 、Attribute protocol、GATT组成
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通道用于服务协议和应用数据的传输。L2CAP Resource ManageL2CAP资源管理主要负责管理分片的PDU的正确提交。Security Manager ProtocolSMP安全管理协议主要负责生成加密密钥和身份密钥。Attribute ProtocolATT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直接使用L2CAP与远程设备通信。Generic Attribute ProfileGATT提供更多的功能概要文件描述了属性服务器中使用的服务层次结构、特征和属性用于LE设备Generic Access ProfileGAP标识了基础的蓝牙设备的通用功能
Controller层
Device Manager控制蓝牙设备的通用行为负责与蓝牙通信过程中所有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所有的访问无线电媒体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接收物理通道的信息包
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包括以下几个部分
RFRADIO射频层本地蓝牙数据通过射频发送给远端设备并且通过射频接收来自远端蓝牙设备的数据。BBBASEBAND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议和其它的底层连接规程。LMPLINK 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建立、验证、链路配置等操作HCIHOST 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并且接收到远端的数据通过HCI上报给协议栈。BLE PHYBLE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芯片的功耗灵敏度以及selectivity等射频指标。BLE LLBLE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比如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如何接收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或者收回来对数据进行怎样的解析则交给上面的GAP或者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层并且接收Controller层的数据。 该部分有几个协议
H2基于USB的传输H4基于UART的传输最简单的传输方式只在HCI raw data前面加上一个typeH5: 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括多个协议 L2CAPLogical 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交换等功能。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进行了一次简单封装LL只关心传输的数据本身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。 SDPSERVICE DISCOVERY PROTOCOL服务发现协议为应用程序提供发现可用服务并确定服务特征的方法。 RFCOMMSerial 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 SPPSERIAL PORT PROFILE蓝牙串口协议 HIDHUMAN INTERFACE DEVICE人机接口协议HID还是有很多广泛的用途的比如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或者iPod功能会涉及到该协议 PBAPPhone Book Access蓝牙电话本访问协议 MAPMESSAGE ACCESS PROFILE蓝牙短信访问协议 OBEX对象交换协议蓝牙电话本蓝牙短信文件传输等协议都是走的OBEX HFPHands-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。 A2DPAdvanced 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要考虑的工作。 GAPGENERIC ACCESS PROFILE它定义了蓝牙设备的基本要求。 它联系了所有的不同的层之间的交互也描述了设备发现、建立连接、安全、认证、关联模型和发现服务的行为和方法。 对于BR/EDR它定义了一个蓝牙设备包括无线电、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安全管理器属性协议和通用属性配置文件。 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单的那一种。GAP简单的对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目前主要用来进行广播扫描和发起连接等。 ATTAttribute 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。 简单来说ATT层用来定义用户命令及命令操作的数据比如读取某个数据或者写某个数据。BLE协议栈中开发者接触最多的就是ATT。BLE引入了attribute概念用来描述一条一条的数据。Attribute除了定义数据同时定义该数据可以使用的ATT命令因此这一层被称为ATT层。 GATTGeneric Attribute Profile蓝牙通用属性协议描述了一种使用ATT的服务框架 该框架定义了数据交换的格式。 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GATTBLE协议栈也能跑但互联互通就会出问题也正是因为有了GATT和各种各样的应用profileBLE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是规范两者不同点在于 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比如CSR BC4/5,CSR8670,CSR8675,TI CC2540NRF51xxxNRF52xxx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的基础上通过特定的interface(UART居多)发送自定义的command来达到想要的功能比如发送0x01代表搜索周围设备当然在产品中肯定不会定义这么简单的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很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hostcontroller分开方案
这种应用算是蓝牙最复杂的应用适用于蓝牙使用情景较复杂的情况下使用比如车载蓝牙等。客户需要有很多蓝牙协议比如蓝牙电话HFP蓝牙音频A2DP蓝牙音乐控制AVRCP蓝牙电话本PBAP蓝牙短信MAPBLE,HID如果你说以上还能用soc做那么再加上Carplay的IAP/IAP2Android Auto的RFCOMM BT呢基本以上就需要这种方案了。
其中Transport是一个协议H2就是在USB的基础上的协议H4,H5,BCSP是UART基础上的协议当然还有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 ProtocolL2CAP、SCO 音频层、其他 Bluetooth 服务、用户空间后台进程以及配置工具组成。
BlueZ 的架构主要分为以下几个组件
HCIHost 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接收命令、事件和数据包。HCI 层通常由 Linux 内核提供的驱动程序来实现。L2CAPLogical Link Control and Adaptation Protocol层L2CAP 是蓝牙协议栈中的一个重要组件提供了对称的、面向连接的数据通信服务。它在底层的物理链路之上建立逻辑连接并负责分配信道和数据包的传输。SDPService Discovery Protocol层SDP 提供了一种机制用于在蓝牙设备之间发现和描述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。RFCOMMRadio Frequency Communication层RFCOMM 是一种在 L2CAP 上运行的协议它模拟了串行通信接口使蓝牙设备能够像使用串口一样进行数据通信。GAPGeneric Access Profile层GAP 定义了蓝牙设备之间的通用访问规范包括设备发现、连接和身份验证等功能。它定义了设备的角色、广播和扫描行为以及与配对和安全性相关的规则。GATTGeneric Attribute Profile层GATT 是蓝牙 Low EnergyLE模式中的一个重要概念用于定义蓝牙设备之间的通信协议。它基于客户端-服务器模型其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 系统上开发和管理蓝牙应用程序。这些工具包括 hciconfig用于配置 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neardautopair等插件。
profiles/ - BlueZ5蓝牙上层协议a2dphid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pluginsneardautopair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bluez核心代码在src目录下入口函数是main.cbluez5编译后会生成bluetoothd可执行文件该可执行文件在linux系统启动时自动加载加载配置文件放在/etc/init/bluetooth.conf。
