三种蓝牙架构实现方案

一、蓝牙架构方案

1、host+controller双芯片标准架构

手机里面包含很多SoC或者模块，每颗SoC或者模块都有自己独有的功能，比如手机应用跑在AP芯片上，显示屏，3G/4G通信，WiFi/蓝牙等都有自己专门的SoC或者模块，这些模块在物理上都会通过某种接口与AP相连。如果应用需要用到某个模块的时候，比如蓝牙通信，AP会自动跟蓝牙模块交互，从而完成蓝牙通信功能。市场上有很多种AP芯片，同时也有很多种蓝牙模块，如何保证两者的兼容性，以减轻手机的开发工作量，增加手机厂商蓝牙方案选型的灵活性，是蓝牙规格要考虑的事情。为此，蓝牙规格定义了一套标准，使得手机厂商，比如苹果，用一颗新AP替换老AP，蓝牙模块不需要做任何更改；同样用一颗新蓝牙模块换掉老蓝牙模块，AP端也不需要做任何更改。这个标准把蓝牙协议栈分成host和controller两部分，其中host跑在AP上，controller跑在蓝牙模块上，两者之间通过HCI协议进行通信，而且host具体包含协议栈那些部分，controller具体包含协议栈那些部分，两者之间通信的HCI协议如何定义，这些在蓝牙核心规格中都有详细定义，因此我把它称为双芯片标准方案。只要遵循这套标准，用户就可以随意替换Host或者Controller方案。当然，这种方案除了可以应用在手机中，也可以应用在任何其他设备中。AP芯片厂商一般会直接采用Bluez等开源协议栈来实现Host功能，而Controller部分大部分由蓝牙厂商自己来实现。另外，目前比较火的Zephyr开源蓝牙协议栈也支持这种架构。

2、单芯片整体方案

手机周边蓝牙设备是蓝牙另外一个非常重要的应用场合，通常手机周边设备功能比较简单，但对成本非常敏感，因此采用一颗芯片来实现整个蓝牙协议栈就是非常明智的选择，即把蓝牙协议栈所有功能都放在一颗芯片上，也就是说，host和controller都放在同一颗芯片上，由于host和controller都在同一颗芯片上，因此物理HCI就没有存在的必要性，host和controller之间直接通过API来交互。像Nordic的蓝牙协议栈Softdevice，就是采用这种模式。当然Zephyr也支持这种架构。

3、自定义双芯片架构

一些蓝牙设备功能比较强大，它需要一颗功能非常强大的MCU来做主应用，而蓝牙SoC只是整个系统的一部分，这种情况下，大部分蓝牙协议栈功能或者整个蓝牙协议栈功能都是跑在蓝牙SoC中，而蓝牙应用则跑在主MCU中，主MCU和蓝牙SoC之间的通信协议由厂商自己定义，因此称为自定义双芯片架构方案。这种方案也非常常见，可以说，除了架构1和架构2之外的架构，都可以称为架构3。架构3里面有一种非常特殊的情况，即主MCU和蓝牙SoC之间采用了HCI接口进行通信，由于这里的HCI只是用来进行物理通信，而通信的主体不是host和controller，通信包应用数据也不遵循蓝牙核心规格规范，因此不能把它看成第1种架构，Nordic的serialization方案就属于这种特殊情况。

二、协议栈框架

把某个协议的实现代码称为协议栈（protocol stack），协议有两个部分组成：Controller和Host。BLE协议栈就是实现低功耗蓝牙协议的代码，理解和掌握BLE协议是实现BLE协议栈的前提。在深入BLE协议栈各个组成部分之前，先看一下BLE协议栈整体架构。

如上图所述，要实现一个BLE应用（Radio+Protocol Stack+Application），首先需要一个支持BLE射频的芯片（Radio），然后还需要提供一个与此芯片配套的BLE协议栈（Protocol Stack），最后在协议栈上开发自己的应用（Application）。可以看出BLE协议栈（Protocol Stack）是连接芯片和应用的桥梁，是实现整个BLE应用的关键。那BLE协议栈具体包含哪些功能呢，简单来说，BLE协议栈主要用来对你的应用数据进行层层封包，以生成一个满足BLE协议的空中数据包，也就是说，把应用数据包裹在一系列的帧头（header）和帧尾（tail）中。具体来说，BLE协议栈主要由如下几部分组成：

（0）PHY层（Physical layer物理层，不属于协议栈）。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。

（2）LL层（Link Layer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GATT。

（3）HCI（Host controller interface）。HCI是可选的，HCI主要用于2颗芯片实现BLE协议栈的场合，用来规范两者之间的通信协议和通信命令等。

（4）GAP层（Generic access profile）。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。

（5）L2CAP层（Logic link control and adaptation protocol）。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。

（6）SMP（Secure manager protocol）。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。

（7）ATT（Attribute protocol）。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。

（8）GATT（Generic attribute profile ）。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，但互联互通就会出问题，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。

三、OSI模型

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。由于经典蓝牙和低功耗蓝牙大都是点对点直连通信，完全不需要路由功能，所以没有特地定义网络层的协议，简单的寻址功能就在数据链路层的LMP层和LL层实现了，而蓝牙mesh由于是组建了mesh网络，有数据转发和寻址的需求，所以定义了一个Network Layer来做这件事情。蓝牙mesh建立在BLE物理层和链路层之上，通过承载层(Bearer Layer) 把BLE层的数据抽象并供上层使用，目前定义了两种承载，广播承载和GATT承载，分别对应BLE的Advertising和Connection方式。

Bluetooth LE技术相比BR技术，差异非常大，可以说就是两种不同的技术，凑巧都加一个“蓝牙”的前缀而已，二者的协议层结构对比如下，本系列中主要介绍BLE蓝牙技术。

SPEC中蓝牙协议分为四个层次：物理层（Physical Layer）、逻辑层（Logical Layer）、L2CAP Layer和应用层（APP Layer）。

四、蓝牙应用方案

1、BLE Mesh无线组网方案

BLE Mesh是蓝牙官方组织（SIG）推出的组网规范，以BLE为载体，形成星型网状的多对多拓扑结构，网络中的每一台设备都可以与其它设备进行通信。

2、蓝牙串口透传方案

蓝牙技术的普及与发展，为传统设备提供了一种低成本无线通信的方式。串口作为一种使用广泛的通信接口，通过串口转蓝牙，进行无线通信传输的需求逐渐展现出来。

3、BLE/UART/USB三向透传方案

BLE/UART/USB三向透传模块可以实现蓝牙、串口和USB接口数据的三向互通传输，蓝牙支持广播模式，主机模式和从机模式；除主芯片外，仅需1颗晶体，3颗电容，外围精简，体积小巧；自主设计天线，最远传输距离可达150米；70uA低功耗广播模式，休眠电流仅1uA；可广泛用于仪器仪表、智能家居、消费类电子和工业控制等。