蓝牙（Bluetooth）的概述和三种蓝牙架构实现的方案

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• 蓝牙（英语：Bluetooth），一种无线通讯技术标准，用来让固定与移动设备，在短距离间交换资料，以形成个人局域网（PAN）

• 其使用短波特高频（UHF）无线电波，经由2.4至2.485 GHz的ISM频段来进行通信

• 1994年由电信商爱立信（Ericsson）发展出这个技术

• 它最初的设计，是希望创建一个RS-232数据线的无线通信替代版本。它能够链接多个设备，克服同步的问题。

• 蓝牙技术目前由蓝牙技术联盟（SIG）来负责维护其技术标准，其成员已超过三万，分布在电信、电脑、网络与消费性电子产品等领域

蓝牙工作方式

蓝牙技术分为基础率/增强数据率（BR/EDR）和低耗能（LE）两种技术类型。

其中BR/EDR型是以点对点网络拓扑结构创建一对一设备通信；LE型则使用点对点（一对一）、广播（一对多）和网格（多对多）等多种网络拓扑结构

蓝牙的应用

蓝牙技术已经应用到超过3万个联盟技术蓝牙技术联盟成员的82亿件产品之中

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蓝牙的规格和功能

第一版的蓝牙在 1998年，最大传输的速度为 723.1k/s，传输的距离为10米，最新的版本为蓝牙5.2，发布时间为 2020年，最大的传输的速度48M/s，传输的距离为300米

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• 其中最为重要的当属蓝牙第四代

2010年7月7日，蓝牙发布了第四代 也就是蓝牙4.0，其中最重要的特性就是省电，Bluetooth在4.0是Bluetooth诞生到现在唯一一个综合协议的规范

• Bluetooth 4.0，协议组成和当前主流的Bluetooth h2.x+EDR、还未普及的Bluetooth h3.0+HS不同，Bluetooth 4.0是Bluetooth从诞生至今唯一的一个综合协议规范，
• 还提出了“低功耗蓝牙”、“传统蓝牙”和“高速蓝牙”三种模式。
• 其中：高速蓝牙主攻数据交换与传输；传统蓝牙则以信息沟通、设备连接为重点；低功耗蓝牙顾名思义，以不需占用太多带宽的设备连接为主。前身其实是NOKIA开发的Wibree技术，本是作为一项专为移动设备开发的极低功耗的移动无线通信技术，在被SIG接纳并规范化之后重命名为Bluetooth Low Energy（后简称低功耗蓝牙）。这三种协议规范还能够互相组合搭配、从而实现更广泛的应用模式，此外，Bluetooth 4.0还把蓝牙的传输距离提升到100米以上（低功耗模式条件下）。
• 分Single mode与Dual mode。
• Single mode只能与BT4.0互相传输无法向下兼容（与3.0/2.1/2.0无法相通）;Dual mode可以向下兼容，可与BT4.0传输也可以跟3.0/2.1/2.0传输
• 超低的峰值、平均和待机模式功耗，覆盖范围增强，最大范围可超过100米。
• 速度：支持1Mbps数据传输率下的超短数据包，最少8个八组位，最多27个。所有连接都使用蓝牙2.1加入的减速呼吸模式（sniff subrating）来达到超低工作循环。
• 跳频：使用所有蓝牙规范版本通用的自适应跳频，最大程度地减少和其他2.4 GHz ISM频段无线技术的串扰。
• 主控制：可以休眠更长时间，只在需要执行动作的时候才唤醒。
• 延迟：最短可在3毫秒内完成连接设置并开始传输数据。
• 健壮性：所有数据包都使用24-bit CRC校验，确保最大程度抵御干扰。
• 安全：使用AES-128 CCM加密算法进行数据包加密和认证。
• 拓扑：每个数据包的每次接收都使用32位寻址，理论上可连接数十亿设备；针对一对一连接优化，并支持星形拓扑的一对多连接；使用快速连接和断开，数据可以在网状拓扑内转移而无需维持复杂的网状网络。

2013年底，蓝牙技术联盟推出了蓝牙4.1规范，其目的是为了让 Bluetooth Smart 技术最终成为物联网(Internet of Things)发展的核心动力。

• 此版本为蓝牙4.0的软件更新版本，搭载蓝牙4.0设备的终端可通过软件更新获得此版本。
• 对于开发人员而言，该更新是蓝牙技术发展史上一项重要的进步。该更新提供了更高的灵活性和掌控度，让开发人员能创造更具创新并催化物联网（IOT）发展的产品。
• 支持多设备连接。
• 智能连接：增加设置设备间连接频率的支持。制造商可以对设备设置连接进行设置，使得设备可以更加智能的控制设备电量。

2014年12月，蓝牙技术联盟推出了蓝牙4.2规范。

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总结：低功耗的传输的距离为30米，速度大约1M/s，应用的吞吐量0.2m/s,延迟在非连接的状态下为小于6ms，发送数据总时间3ms
耗电量是传统蓝牙的1/100，某种情况下

第五代蓝牙支持室内定位和导航功能，结合到wifi的可以实现定位的精度小于1米的是定位，允许无需配对接受信标的数据（比如广告、Beacon、位置信息等，传输率提高了8倍），物联网底层的优化

• 蓝牙5.0在2016年6月发布。在有效传输距离上将是4.2LE版本的4倍，传输速度将是4.2LE版本的2倍（速度上限为24Mbps）。蓝牙5.0还支持室内定位导航功能（结合WiFi可以实现精度小于1米的室内定位），允许无需配对接受信标的数据（比如广告、Beacon、位置信息等，传输率提高了8倍），针对物联网进行了很多底层优化。

2019年1月，蓝牙技术联盟推出了蓝牙5.1规范。

2020年1月，蓝牙技术联盟推出了蓝牙5.2规范。

蓝牙的主要的缺点是干扰和安全性

• Bluetooth在2.4GHz的电波干扰问题一直为大家所诟病，特别和无线局域网间的互相干扰问题。有干扰发生时，就以重新发送分组的方法来解决干扰。

• 在JAVA和Symbian60平台上，使用“蓝牙黑客”或“蓝牙间谍”软件，对方同意配对就可以控制打开蓝牙的手机。此种软件可以实现的功能有：查看对方手机中的电话簿、短信、电量、串行号；更改对方手机的情景模式和界面语言、打开对方手机内置的JAVA软件、控制手机多媒体播放器、遥控对方手机打电话、发短信等。

三种蓝牙架构实现的方式

比如说安卓手机，手机里面包含了很多的SoC（单片系统或片上系统（英语：System on a Chip，缩写：SoC）是一个将电脑或其他电子系统集成到单一芯片的集成电路。单片系统可以处理数字信号、模拟信号、混合信号甚至更高频率的信号。单片系统常常应用在嵌入式系统中），每颗SoC都有自己单独的功能

手机的应用允许在AP芯片中，一般情况下，Android 或者是 ios的开发者 只要和AP芯片打交道，显示屏，4G，WiFi 和蓝牙都有自己专门的SoC，这些模块在物理上会通过某种接口和AP相连

• AP就是你的SoC处理器，手机跑系统跑app用的
• 手机的
  • 软件
    • 操作系统
    • 硬件
      • 外部：
        • 屏幕、外壳、等
      • 内部：主板
        • 电源管理
        • AP=Application Processor=应用芯片=应用处理器=主CPU=主控芯片=SoC：用来跑（比如手机中的）

架构一：Host + controller 双芯片的架构

• 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。
• 目前比较火的Zephyr开源蓝牙协议栈也支持这种架构。Zephyr最初是风河系统公司在2015年11月推出的为(IoT）设备开发的“Rocket内核”

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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。

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架构3：自定义双芯片架构，一般来说都是蓝牙的设备

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还有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

  
  
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• 阐述蓝牙协议栈模块是如何工作的

• https://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%97%8D%E7%89%99