NRF51-SDK的低功耗蓝牙广播包的单通道扫描实现

一，前言

 

    半导体生产商NORDIC SEMICONDUCTOR为低功耗蓝牙芯片NRF51提供了开发工具包NRF51-SDK，该SDK中包含了与型号为NRF51的蓝牙芯片提供了大量的例程代码，同时也包含了几种不同的蓝牙协议栈（SOFTDEVICE）。但这些蓝牙协议栈是以二进制形式提供的（以Intel HEX文本格式），没有源代码。在工作中遇到扫描低功耗蓝牙广播包的需求，要求只在BLE三个广播信道中的一个来实现扫描功能。而SOFTDEVICE在扫描BLE广播时不会固定在一个广播信道上扫描，且早期版本的SOFTDEVCE未提供单信道扫描的接口（以后可能会有），那么要实现这个功能，必须使用非常规的手段。因此在这里记录一下这里用到的“非常规”方法，以便日后遇到此类问题时可以参考——但在工作中不推荐使用此类方法。

 

二，实现方案

 

    根据NRF51芯片手册（nRF51_Series_Reference_manual v3.0）的信息，我们知道，芯片的射频模块有一个寄存器，用于设置当前接收或发送的蓝牙数据的频率：

 

 

 

    那么我们需要找到NORDIC的蓝牙协议栈中写该寄存器的二进制机器码，将其对应的SOFTDEVICE IHEX文件修改成我们需要设置的BLE蓝牙信道频率，然后重新烧写SOFTDEVICE即可。但也要注意其可操作性，我们要避免将扫描的蓝牙信道修改成固定的值，而是可以容易修改的，也可以动态地取消增加的强制修改信道的代码。

    我们使用的硬件设备是在https://ohtcom.taobao.com/购买的蓝牙开发板，其中搭载了一颗型号为NRF51822_QFAC的蓝牙芯片，有256KB的FLASH存储空间和32KB的RAM空间，使用的NRF51 SDK版本为nRF5_SDK_12.0.0_12f24da，官方下载地址为

https://developer.nordicsemi.com/nRF5_SDK/nRF5_SDK_v12.x.x/nRF5_SDK_12.0.0_12f24da.zip

 

三，实现步骤

 

    1， 找到写入NRF51射频模块的FREQUENCY寄存器的代码地址。上图中寄存器地址为0x40001508。将SOFTDEVICE（s130_nrf51_2.0.1_softdevice.hex）和扫描的代码烧写到NRF51芯片中，打开SEGGER提供的GDB调试工具，加载gdb调试工具：

    由上面的操作可知，地址为0x11da0的指今处会对寄存器进行操作，下面就需要进一步验证一下。

    2， 使用IDA反汇编工具加载SOFTDEVICE并对之反汇编，找到0x11da0处并确认此处的指今对蓝牙射频的频率寄存器执行写入操作：

    可以看到，是0x11DA2处的指令会写入射频频率寄存器。现在的问题来了：会不会有其它的地方也会对该寄存器操作呢？这样的想法不无道理，但经过多次继续执行，可以认为在SOFTDEVICE扫描BLE广播时，它只是在这里操作了频率寄存器。

    从上图也可以看到，在写入0x40001508的寄存器后面的三个指令，会操作另一个寄存器，这里我们暂时不要关心。之后回有一条BX LR的指令，该指令告诉我们这里是一个类似于C语言的函数调用返回。下面就找到调用该函数的返回地址：

 

    这样我们得到在地址为0x133b9的指令之前会调用这个函数：

 

    这样，我们就进一步知道写入频率寄存器的函数地址了，为0x11d76，用IDA看一下此函数的大致执行流程：

    从中基本上可以确定该函数只有一个参数。其中0x25/0x26/0x27分别为BLE广播信道的信道编号，该函数于其进行特殊处理后就开始写蓝牙射频频率寄存器了：

    到这一步，我们就需要考虑如何修改此SOFTDEVICE，让它能够配置频率寄存器以我们想要的值呢？修改这个函数吗？这似乎是一个方案，但我们要知道，这样的修改是比较死板的，没有灵活性和可扩展性。我们可以考虑修改其调用代码指令，指向我们新增的代码，修改一下函数参数后，我们自己再调用此函数。

    3， 我们知道SOFTDEVICE和自己编译的固件是独立的，而自己编译的固件需要烧写在NRF51芯片指定地址上，这样SOFTDEVICE才能正确地执行它。从下图可以看到，自己编译的固件nrf51822_xxac.hex的中断向量表确实在固定的地址：

 

     该地址为0x1b000。实际上，这个地址是在链接脚本中指定的。于是我们考虑在向量表的最后面加入一个函数地址，这个函数是在nrf51822_xxac固件中实现的，这就要求在SOFTDEVICE中注入一段代码，在调用SOFTDEVCE的操作频率寄存器函数之前调用我们自己的函数。

    4， 下图即为在SOFTDEVICE中注入的代码，可以看到该代码会读取NRF51822_XXAC固件的中断向量表0x30偏移处，调用之并调用之前反汇编得到的函数。

 

    之后需要对其编译、链接并写入到新的SOFTDEVICE IHEX文件中：

 

 

    这样我们就得到了四行的IHEX形式的注入代码，代码中函数地址为0x1AFE0，编译之前的C代码需要注意，得到的机器码长度不能太长，否则就可能与我们自己编译的固件在FLASH中烧写的位置重合了。上图中我们只需中间的两行，复制到新的SOFTDEVICE中：

    5， 修改0x133b4处的四字节指令，使其调用我们注入的函数。这需要手动来计算，根据ARM官方文档DDI0419C_arm_architecture_v6m_reference_manual对BL指令编码的介绍：

 

    经计算，我们要将0x133b4处的四个字节FE F7 DF FC修改为07 F0 14 FE，之后重新计算行尾的较验值，并保存。

    6， 之后我们在自己编译的固件中加入注入的函数：

    可以看到，我们在中断向量表之后加入了一个符号_injected_freq_code，其相应的C函数实现在右边。编译后重新烧写SOFTDEVICE和NRF51822_XXAC的固件，可以在串口上得到调试结果：

 

    可以看到，函数_injected_freq_code函数被调用了，由于我们在代码中没有调此函数，可以确定，它是由我们在SOFTDEVICE中增加的代码调用的，也就是说，是SOFTDEVICE调用的。

    7， 为进一步确认，我们修改蓝牙的广播通道频率对扫描过程没什么影响，只是改变扫描信道，可以将扫描的信道都改变一下，看是否仍能扫描到BLE的广播：

 

    由上图可以看到，确实仍然能够扫描到BLE的广播数据。

    8， 之后，修改函数_inject_freq_code()函数，固定在38通道上扫描，也可以扫描到BLE广播数据：

至此，我们就实现了基于NRF51 SDK的蓝牙协议栈的BLE广播单通道扫描的功能。

 

四，总结

    这是一个非常规的解决方案，没有得到具体的应用，但这仍有一定的意义，以后遇到类似的问题，在没有其他可选的方法时可以参考一下。