从零开始的nrf52832蓝牙开发(1)--蓝牙协议基础

想要进行蓝牙开发，第一步肯定要对蓝牙协议有所了解。除了要对蓝牙的一些专业术语有所熟悉，还应该对蓝牙协议每层功能有一定认知。
概略图：

物理层（PHY）：

物理层规定了蓝牙频段：2400MHz~2483.5MHz
物理层规定了调制解调方案：高斯频移键控
首先蓝牙物理传输基于Radio模块，也就是无线电模块。我们知道在串口中对地线有无电压可以表示逻辑上的1或是0，而无线电的做法简单来说就是在某个频率中心，上浮和下降一定频率看做1和0，这就是高斯频移键控(GFSK)，它是一种调制解调方案。
物理层规定了三种调制解调方案的变体：LE 1M PHY、LE 2M PHY、LE Coded PHY
物理层规定了通信方案：分时双工
物理层规定了发送功率和接收灵敏度：
发送功率：0.01mW(-20dBm)到 100mW(+20dBm)
接收灵敏度（它并不是一个具体的值，而是根据发送数据长度，指定了要低于多少的误码率）：

链路层（LL）：

链路层在蓝牙协议栈中最为复杂！
定义了空口包格式和空口协议，负责广播、扫描、建立连接、维护连接等，展开来讲比如广播间隔、数据重传、接收发送等待超时等设置最后都在这一层中被实际应用。
链路层的五种状态：
就绪态、广播态、扫描态、发起态、连接态。状态机如下：

蓝牙每个信道为2MHZ，所以一共40个信道，其中2402、2426、2480MHZ为主信道，主要用于传统广播，其余为二级信道，主要用于。广播时在三个广播信道循环跳转，连接后在数据信道循环跳转。
连接状态下定义了两个重要的角色：中心角色(Central role)和外围角色(Peripheral role)，主动发起连接的叫做中心角色，被动接受连接的叫做外围角色！
一个链路层可以同时实现多个状态机，一个状态机只能处于一种状态而不可以同时处于多种状态。
2022-11-04新增：
现在的蓝牙链路层状态机为：

新添加了同步广播态和同步态。
其次编号为37、38、39的信道之前只用来广播，而其他37个信道可以用来在连接后传输数据，但是现在新增拓展广播后，那37个信道也可以用来传输广播了，比如周期广播。新增的拓展广播，还是需要先在广播信道上告诉接收设备，怎么后续在数据信道上接收，所以之前的广播信道现在叫做主信道，数据信道叫做二级信道，之前只在主信道上广播的广播，叫做传统广播。
还新增了恒音拓展用来支持AoA/AoD测向。新增CIS和BIS等，内容比较多。

同步适应层

主要为了解决音频传输中音频帧长不一问题，通过分割和重组让发送和接收端在使用不同帧长时正常使用。

主机与控制器接口（HCI）：

此层可选，是连接主机（Host）和控制器（Controller）之间的桥梁。主机与控制器之间可以使用USB、UART等通信，HCI规定了一系列的通信标准协议。但像52832这种芯片是没有HCI的，Host和Controller被设计在一个芯片内，他们直接通过调用接口API通信。

逻辑链路控制和协议适配（L2CAP）：

1.协议或通道的多路复用
2.上层应用数据（L2CAP Service Data Units，SDUs）的分割（和重组），生成协议数据单元（L2CAP Packet Data Units，PDUs），以满足用户数据传输对延时的要求，并便于后续的重传、流控等机制的实现
3.提供基于信用的流控机制
4.错误控制和重传机制
5.支持流式传输（如音频、视频等，不需要重传或者只需要有限重传）
6.协议数据单元（PDUs）的分片（和重组），生成符合Link Layer传输要求的数据片（长度不超过251）
7.Qos服务

安全管理层（SMP）：

管理蓝牙连接的安全性，主要负责密钥分发与配对。支持如下命令：

属性协议（ATT）：

协议两个字画重点，什么是协议？就是一种约定，两个设备要交互数据，数据按照什么顺序发，每个字节代表什么意思，这就是协议。所以ATT就是规定了两个蓝牙设备之间通信的一个协议。属性协议肯定是关于属性的协议，属性其实就是一种数据格式：

上图就是一条属性，它由以下几个部分组成：
Attribute Type：
属性类型，用UUID表示，分为四大类：
1.Primary Service（首要服务项）
2.Secondary Service（次要服务项）
3.Include（包含服务项）
4.Characteristic（特征值）
uuid对应属性类型划分：
0x1800 – 0x26FF ：服务项类型
0x2700 – 0x27FF ：单位
0x2800 – 0x28FF ：属性类型
0x2900 – 0x29FF ：描述符类型
0x2A00 – 0x7FFF ：特征值类型
实际数据可以参考下一节GATT的图片。
Attribute Handle：
属性句柄，如果设备上有两个类型一样的肯定需要一个标识来区分，属性句柄就是每个属性的唯一标识。它由系统分配。
Attribute Value：
属性的值，如果该属性是服务项类型或者是特征值声明类型，那么它的属性值就是UUID等信息。如果是普通的特征值，则属性值是用户的数据。属性值需要预留空间以保存用户数据。为了方便理解，我们可以将属性值的空间看做I2C的数据空间，操作特征值里的用户数据，就是对那块内存空间进行读写。
Attribute Permissions：
属性权限，主要有一下四类：
访问权限（Access Permission）- 只读、只写、读写
加密权限（Encryption Permission） – 加密、不加密
认证权限（Authentication Permission） – 需要认证、无需认证
授权权限（Authorization Permission） – 需要授权、无需授权
操作属性的指令：

通用属性配置文件（GATT）：

它规定了属性的组织方式，一个profile由若干个service组成，而一个service又由若干characteristic组成，characteristic又是由声明、数值和描述符组成。整体结构：

通用访问配置文件（GAP）：

1.定义了GAP层角色：
蓝牙协议不同层中对角色的定义互不干扰。
比如链路层里面定义了主机（Master）、从机（Slave）角色。
GAP层定义了广播者（Broadcaster Role）、观察者（Observer Role）、外围设备（Peripheral Role）、中心设备（Central Role）。
ATT层定义了服务端（Server）、客户端（Client）。
2.定义GAP层的、用于实现各种通信的操作模式（Operational Mode）和过程（Procedures）：
Broadcast mode and observation procedure，实现单向的、无连接的通信方式；
Discovery modes and procedures，实现蓝牙设备的发现操作；
Connection modes and procedures，实现蓝牙设备的连接操作；
Bonding modes and procedures，实现蓝牙设备的配对操作。
3.定义User Interface有关的蓝牙参数：
1.蓝牙地址
2.蓝牙名称
3.蓝牙的pincode
4.蓝牙的class

最后在应用程序中我们可以自定义或者使用SIG官方定义的配置，去实现自己的蓝牙功能，也就是各种各样的service和characteristic。

下一篇：
从零开始的nrf52832蓝牙开发(2)–蓝牙模板解析

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