gatt协议介绍

TI低功耗蓝牙（BLE）介绍本文档翻译和修改自参考资料：CC2540BluetoothLowEnergySoftwareDeveloper’sGuide(Rev.B)，部分图片直接引用自该文档，不一一说明。初稿，待修改。一、概述1、BLE蓝牙协议栈结构附图6BLE蓝牙协议栈结构图分为两部分：控制器和主机。对于4.0以前的蓝牙，这两部分是分开的。所有profile（姑且称为剧本吧，用来定义设备或组件的角色）和应用都建构在GAP或GATT之上。下面由结构图的底层组件开始介绍。·PHY层，工作车间，1Mbps自适应跳频GFSK（高斯频移键控），运行在免证的2.4GHz·LL层为RF控制器，控制室，控制设备处于准备（standby）、广播、监听/扫描（scan）、初始化、连接，这五种状态中一种。五种状态切换描述为：未连接时，设备广播信息（向周围邻居讲“我来了”），另外一个设备一直监听或按需扫描（看看有没有街坊邻居家常里短可聊，打招呼“哈，你来啦”），两个设备连接初始化（搬几把椅子到院子），设备连接上了（开聊）。发起聊天的设备为主设备，接受聊天的设备为从设备，同一次聊天只能有一个意见领袖，即主设备和从设备不能切换。·HCI层，为接口层，通信部，向上为主机提供软件应用程序接口（API），对外为外部硬件控制接口，可以通过串口、SPI、USB来实现设备控制。·L2CAP层，物流部，行李打包盒拆封处，提供数据封装服务·SM层，保卫处，提供配对和密匙分发，实现安全连接和数据交换·ATT层，库房，负责数据检索·GATT层，出纳/库房前台，出纳负责处理向上与应用打交道，而库房前台负责向下把检索任务子进程交给ATT库房去做，其关键工作是把为检索工作提供合适的profile结构，而profile由检索关键词（characteristics）组成。·GAP层，秘书处，对上级，提供应用程序接口，对下级，管理各级职能部门，尤其是指示LL层控制室五种状态切换，指导保卫处做好机要工作。TI的这款CC2540器件可以单芯片实现BLE蓝牙协议栈结构图的所有组件，包括应用程序。2、任务调度---OSAL操作系统抽象层正如一个公司为了实现扩大产能和产品多样化，建立了多个办公室和工厂一样，蓝牙为了实现同多个设备相连，或实现多功能，也实现了功能扩充，这就产生了调度问题。因为，虽然软件和协议栈可扩充，但终究最底层的执行部门只有一个。为了实现多事件和多任务切换，需要把事件和任务对应的应用，以及其相关的提供支撑“办公室”和“工厂”打包起来，并起一个名字OSAL操作系统抽象层，类似于集团公司以下的子公司。3、设备改造---HAL硬件抽象层如果实现软件和硬件的低耦合，使软件不经改动或很少改动即可应用在另外的硬件上，这样就方便硬件改造、升级、迁移后，软件的移植。HAL硬件抽象层正是用来抽象各种硬件的资源，告知给软件。其作用类似于嵌入式系统设备驱动的定义硬件资源的h头文件。其角色类似于现代工厂的设备管理部。4、BLE低功耗蓝牙系统架构附图7BLE低功耗蓝牙系统架构图，图中的Task用附图6BLE蓝牙协议栈结构图来描述BLE低功耗蓝牙软件有2个主要组成：OSAL操作系统抽象层和HAL硬件抽象层，多个Task任务和事件在OSAL管理下工作，而每个任务和事件又包括3个组成：BLE协议栈，profiles和应用程序。附图7同样可以用现代工厂模式来类比，如附图8。附图8BLE低功耗蓝牙软件5个主要组成用现代工厂架构来类比。有了上面的简介，下面对OSAL、HAL和BLE进行稍微深入的介绍。二、OSAL操作系统抽象层1、软件功能由OSAL管理下的事件来实现OSAL作为调度核心，BLE协议栈、profile定义、所有的应用都围绕它来实现。OSAL不是传统大家使用的操作系统，而是一个允许软件建立和执行事件的循环。软件功能是由任务事件来实现的，创建一个任务事件需要以下工作：·创建taskidentifier任务ID；·编写任务初始化（taskinitializationroutine）进程，并需要添加到OSAL初始化进程中，这就是说系统启动后不能动态添加功能；·编写任务处理程序；·如有需要提供消息服务。BLE协议栈的各层都是以OSAL任务方式实现，由于LL控制室的时间要求最为迫切，所以其任务优先级最高。为了实现任务管理，OSAL通过消息处理（messageprocess），存储管理，计时器定时等附加服务实现。2、系统启动流程为了使用OSAL，在main函数的最后要启动一个名叫osal_start_system的进程，该进程会调用由特定应用决定的启动函数osalInitTasks（来启动系统）。osalInitTasks逐个调用BLE协议栈各层的启动进程来初始化协议栈。随后，设置一个任务的8bit任务ID（taskID），跳入循环等待执行任务，系统启动完成。3、任务事件与事件处理进程优先级和任务ID·任务优先级决定于任务ID，任务ID越小，优先级越高·BLE协议栈各层的任务优先级比应用程序的高·初始化协议栈后，越早调入的任务，任务ID越高，优先级越低，即系统倾向于处理新到的任务事件变量和旗语每个事件任务由对应的16bit事件变量来标示，事件状态由旗号（taskflag）来标示。如果事件处理程序已经完成，但其旗号并没有移除，OSAL会认为事情还没有完成而继续在该程序中不返回。比如，在SimpleBLEPeripheral实例工程中，当事件START_DEVICE_EVT发生，其处理函数SimpleBLEPeripheral_ProcessEvent就运行，结束后返回16bit事件变量，并清除旗语SBP_START_DEVICE_EVT。事件处理表单每当OSAL事件检测到了有任务事件，其相应的处理进程将被添加到由处理进程指针构成的事件处理表单中，该表单名叫taskArr（taskarray）。taskArr中各个事件进程的顺序和osalInitTasks初始化函数中任务ID的顺序是对应的。事件调度的方法有两种，最简单的方法是使用osal_set_event函数（函数原型在OSAL.h文件中），在这个函数中，用户可以像定义函数参数一样设置任务ID和事件旗语。第二种方法是使用osal_start_timerEx函数（函数原型在OSAL_Timers.h文件中），使用方法同osal_set_event函数，而第三个以毫秒为单位的参数osal_start_timerEx则指示该事件处理必须要在这个限定时间内，通过定时器来为事件处理计时。4、存储管理类似于Linux嵌入式系统内存分配C函数mem_alloc，OSAL利用osal_mem_alloc提供基本的存储管理，但osal_mem_alloc只有一个用于定义byte数的参数。对应的内存释放函数为osal_mem_free。5、进程间通信—通过消息机制实现不同的子系统通过OSAL的消息机制通信。消息即为数据，数据种类和长度都不限定。消息收发过程描述如下：接收信息，调用函数osal_msg_allocate创建消息占用内存空间（已经包含了osal_mem_alloc函数功能），需要为该函数指定空间大小，该函数返回内存空间地址指针，利用该指针就可把所需数据拷贝到该空间。发送数据，调用函数osal_msg_send，需为该函数指定发送目标任务，OSAL通过旗语SYS_EVENT_MSG告知目标任务，目标任务的处理函数调用osal_msg_receive来接收发来的数据。建议每个OSAL任务都有一个消息处理函数，每当任务收到一个消息后，通过消息的种类来确定需要本任务做相应处理。消息接收并处理完成，调用函数osal_msg_deallocate来释放内存（已经包含了osal_mem_free函数功能）。三、硬件抽象层HAL当新的硬件平台做好后，只需修改HAL，而不需修改HAL之上的协议栈的其他组件和应用程序。四、BLE低功耗蓝牙协议栈1、BLE库文件TI蓝牙协议栈是以单独一个库文件提供的，并没有提供源代码，因此不做深入说明。对于TI的BLE实例应用，这个单独库文件已经够用，列出了所有的库文件。附图9BLE库文件由于GAP和GATT与用户程序直接交互，因此下文对库文件中GAP和GATT一一讲解。2、GAP秘书处2.1角色（即服务，功能）GAP运行在如下四种角色的一种：·Broadcaster广播员—我在，但只可远观，不可连接。·Observer观察员—看看谁在，但我只远观，不连接。·Peripheral外设（从机）—我在，谁要我就跟谁走，协议栈单层连接。·Central核心（主机）—看看谁在，并且愿意跟我走我就带她/他走，协议栈单层或多层连接，目前最多支持3个同时连接。虽然指标显示BLE可以同时扮演多个角色，但是在TI提供的BLE实例应用中缺省只支持外设角色。每一种角色都由一个剧本（roleprofile）来定义。2.2连接主从机连接过程一个典型的低功耗蓝牙系统同时包含外设和核心（主机），两者的连接过程如下：外设角色向外发送自己的信息（设备地址、名字等），主机收到外设广播信息后，发送扫描请求（scanrequest）给外设，外设响应主机的请求，连接建立完成。连接参数主要有通信间隙（connectioninterval）、外设鄙视(slavelatency)、最大耐心等待时间（supervisiontimeout）等，下面简单说明。·通信间隙—蓝牙通信是间断的、跳频的，每次连接都可能选择不同的子频带。跳频的好处是避免频道拥塞，间断连接的好处是节省功耗，通信间隙就是指两次连接之间的时间间隔。这个间隔以1.25ms为基本单位，最小6单位最大3200单位，间隙越小通信越及时，间隙越大功耗越低。·外设鄙视—外设与主机建立连接以后，没事的时候主机总会定期发送问候信息到外设，外设懒得搭理，这些主机发送的信息就浮云般飘过。可以忽略的连接事件个数从0到499个，最多不超过32秒。有效连接间隙=连接间隙x（1+外设鄙视）.·最大耐心等待时间—指的是为了创建一个连接，主机允许的最大等候时间，在这个时间内，不停的尝试连接。范围是10个~3200个通信间隙基本单位（1.25ms）。以上三参数大小设置优劣是显而易见的，在此也飘过。连接参数的设置请参看后文“5.1GAP外设剧本”小节。连接异常处理举例说明连接异常，如主机采用从机并不舒坦的参数来请求连接，有如主从机已经连接了，但从机有想法了，要改参数条约。通过“连接参数更新请求（ConnectionParameterUpdateRequest）”来解决问题，交由L2CAP“收发室物流处”处理。连接参数上文已经说了，不再叙述。加密处理利用配对实现，利用密匙来加密授权连接。典型的过程是：外设向主机请求口令一个（passkey）以便进行配对，待主机发送了正确的口令之后，连接通信通过主从机互换密码来校验。由于蓝牙通信是间断通信，如果一个应用需要经常通信，而每次通信都要重新申请连接，那将是劳神费力的，为此GAP安全卫士（SM,securityprofile）提供了一种长期签证（long-termsetofkeys），叫做绑定（bonding），这样每次建立连接通关流程就简便快捷了。3、出纳GATTGATT负责两个设备间通信的数据交互。共有两种角色：出纳员（GATTClient）和银行（GATTServer），银行提供资金，出纳从银行存取款。银行可以同时面对多个出纳员。这两种角色和主从机等角色是无关的。GATT把工作拆分成几部分来实现：读关键词（CharacteristicValue）和描述符（CharacteristicDescriptor），用来去库房查找提取数据。写读关键词和描述符。GATT银行（GATTServer）的业务部门（API）主要提供两个主要的功能：一是服务功能，注册或销毁服务（serviceattribute），并作为回调函数（callbackfunction）；二是管理功能，添加或删除GATT银行业务。一个角色定义的剧本可以同时定义多个