低功耗蓝牙BLE学习记录文本.docx

RW_BLE_CORE记录传输信道BLE的传输信道在2.4G频段有40个channel。包括2种物理信道：广播信道和数据信道。数据帧中设置Access Address用于标识该信道，防止信道碰撞。Channel MAP如下：数据帧通信蓝牙帧结构如下：Preamble：根据Access Address而定，假设AA的LSB最右bitbit为1，那么前导便是10101010b，反之那么为01010101b。Access Address：广播帧的AA为：0x8E89BED6。其他情况可以是一个32bit的随机数。AA需满足以下条件·不超过连续6个1或者0。·与广播帧的AA不同bit超过1个。·不能4byte一样。·0 1跳变不能超过24次·MSB 6bit 0 1跳变超过2次。以下逐个介绍PDU。一、Advertising Channel PDU蓝牙广播帧帧结构其中Header的帧格式如下：其中，a、广播帧类型PDU Type分为以下几类： ADV_IND: connectable undirected advertising event ADV_DIRECT_IND: connectable directed advertising event ADV_NONCONN_IND: non-connectable undirected advertising event ADV_SCAN_IND: scannable undirected advertising eventb、Length：337bytes广播帧分为很多种，其区别就是payload所代表的意义不同，以下分别对几种广播帧作分别阐释：1、ADV_INDADV_IND的payload格式如下：在广播帧帧头中的TxAdd位是广播地址的标示位：TxAdd=0：AdvA地址为公用地址；TxAdd=1：AdvA地址为随机地址。AdvData那么是广播HOST的广播数据。2、ADV_DIRECT_IND这种帧用于直接接入的广播事件。ADV_DIRECT_IND的payload帧格式如下：其中AdvA的意义与ADV_IND一样。InitA为广播发起者地址：RxAdd=0：发起者地址是公用地址；RxAdd=1：发起者地址是随机地址。注意：该帧不包含任何HOST数据。3、ADV_NONCONN_IND用于不可接入不直达non-connectable undirected的网络。其payload意义与ADV_IND类似。4、ADV_SCAN_IND用于可扫描不直达网络。Payload意义与ADV_IND类似。二、Scaning PDUs1） SCAN_REQ：这是扫描请求帧，处于广播状态的接收设备接收这种帧。此处，ScanA为扫描者的地址，其地址由TxAdd控制是公共地址还是随机地址。AdvA为该扫描帧的目的地址。由RxAdd控制意义。2） SCAN_RSP扫描确认。处于广播状态的设备在收到扫描请求后，需要回复扫描确认帧。AdvA地址意义由TxAdd确定。ScanRspData为广播端的附带数据。三、Initiating PDU该局部为连接发起协议。发起的帧格式仅一种：CONNECT_REQ。由发起方发送该帧，广播方接收该帧。1） CONNECT_REQCONNECT_REQ帧格式如下：TxAdd确认InitA地址为公共地址还是随机地址；RxAdd确认AdvA地址为公共地址还是随机地址。LLData的数据格式如下：AA：AccessAddressCRCInit：CRC校验的初始值，它应该是LinkLayer产生的一个随机值。WinSize：发送窗长度参数。transmitWindowSize=WinSize*1.25ms。WinOffset：发送窗起始偏移量。TransmitWindowOffset=WinOffset*1.25ms。上述两个window意义如下：Interval：确定connect interval的时间长度。connInterval = Interval * 1.25 ms。Latency：connSlaveLatency =Latency。TimeOut：connSupervisionTimeout= Timeout * 10 ms100ms32s之间，当两帧数据之间的时间间隔超过6*connInterval或者connSupervisionTimeout时，那么认为连接丢失。ChM：即ChannelMAP，一共036个信道。LSB代表channel0，哪一个是1，那么哪一个信道有效。Channel 3739保存。Hop：516之间的随机值，用于设置HopIncrement。用于计算不使用的信道编号。unmappedChannel = (lastUnmappedChannel + hopIncrement) mod 37如果计算结果是属于保存信道，那么通过下式计算：remappingIndex = unmappedChannel mod numUsedChannelsSCA：设置Master睡眠时钟准确度的最大值。对应表如下：四、Data Channel PDU数据信道的帧格式如下：其中包括16bit Header，长度可变的Payload，和一个信号完整性确认字段MIC。1、关于Header和MICHeader的数据格式如下：每个字段的意义如下：MIC字段使用的时候，有两个条件：1、不能使用于非加密的数据帧；2、数据帧payload长度不能为0。字长为4byte。2、关于PayloadPayload分为两类，LL Data PDU和LL Control PDULLID=11b。LL Data PDU里面又分为两类，一类是完整数据帧或帧碎片起始帧LLID=10b，另一类是帧碎片LLID=01b。其中，帧碎片帧的帧长度可以为0，而完整起始帧的长度不可以为0。下面具体介绍LL Control PDU：LL Control PDU的帧格式如下：其帧长度不能为0，其中包含两个字段：Opcode和CtrData。Opcode用于确定控制帧类型：假设收到的LLC PDU格式不支持或者是无用帧，那么回复LL_UNKNOWN_RSP PDU，此时的Type字段需设置成收到的无用的opcode。LL_CONNECTION_UPDATA_REQ：该帧的帧格式如下：这些信息的意义在下一章的四中有详述。LL_CHANNEL_MAP_REQ：LL_TERMINATE_IND:这个ErrorCode在蓝牙协议中有具体制定意义。Vol2 Part DLL_ENC_REQ:和加密相关的请求帧LL_ENC_RSP:和加密相关的回复帧LL_START_ENC_REQ:没有CtrData字段LL_START_ENC_RSP:没有CtrData字段LL_UNKNOWN_RSP:LL_FEATURE_REQ:LL_FEATURE_RSP:LL_PAUSE_ENC_REQ:没有CtrData字段LL_PAUSE_ENC_RSP:没有CtrData字段LL_VERSION_IND:LL_REJECT_IND:关于蓝牙通信协议的理解一、时钟要求Active状态下小于±50ppm。Sleep Mode下小于±500ppm。二、设备过滤除了仅支持不可连接的广播系统non-connectable advertising，其他模式均需支持设备过滤。广播、扫描、连接发起均具有各自独立的过滤机制。如果芯片不支持这几种模式的话，那就可以不支持设备过滤。设备过滤是为了尽量减少不必要的数据通信。设备过滤时需要具备一个白，白容包括不过滤设备的地址和地址类型公共或随机。白容由HOST设置。以下对各种过滤模式作一个介绍：1、广播过滤支持过滤方式如下，一次仅支持一种方式：·广播设备仅处理来自白的设备的扫描、连接请求。·广播设备处理一切设备的扫描、连接请求。复位值·广播设备处理所有设备的扫描请求，仅处理白的连接请求。·广播设备处理所有设备的连接请求，仅处理白的扫描请求。2、扫描过滤支持过滤方式如下：·扫描设备仅处理来自白设备的广播帧。·扫描设备处理一切设备的广播帧。假设广播方已经过滤该扫描设备的话，通信不能成功。3、发起过滤支持过滤方式如下：·被发起设备处理来自白所有设备的连接发起请求。·被发起设备忽略白，仅处理host给出设备的连接发起请求。三、非连接状态简述1、standbyStandby是复位后的芯片初始状态，由它可以进入广播、扫描和连接状态。2、advertising进入广播状态后，便开始发送广播帧。在发送完一帧广播帧以后，advertising event将被关闭，来适应其他功能。广播事件有以下几种类型：第一帧广播帧应该在channel index中的最低的广播信道发送。广播事件是否有回复帧由广播帧类型决定，具体如下表：当收到错误的返回帧时，广播端会在下一个广播信道发送广播帧，或直接停止广播事件。广播事件间隔必须是625us的倍数，围在20ms10.24s，其设置方式如下：T_advEvent = advInterval + advDelayscannable undirected和non-connectable undirected事件，advInterval长度必须大于100ms；connectable undirected事件，advInterval长度必须大于等于20ms 。advDelay是010ms的伪随机数。连续广播帧发送示意图如下：aConnectable Undirected Event Type如图4.5接收到CONNECT_REQ之后，广播方便退出广播状态，进入Slave状态。bConnectable Directed Event TypecScannable Undirected Event TypedNon-connectable Undirected Event Type1、 scanning检测状态是用来监听广播帧的，其状态由HOST控制，分为主动扫描和被动扫描。扫描状态下有两个参数scanWindow、scanInterval用于设置一次扫描的时间。扫描时间不能长与10.24s，scanWindow<scanInterval。被动扫描Passive Scanning：只接收帧，不发送帧。主动扫描Active Scanning：监听广播帧，根据广播帧格式，回复相应帧。ADV_IND/ADV_SCAN_IND -> SCAN_REQADV_DIRECT_IND PDU/ADV_NONCONN_IND不回复SCAN_REQ扫描需进展退避操作。具体看文档吧，就不贴进来了。2、 initiatinginitiating没有channel index的限制。当收到一个在过滤白的ADV_IND或ADV_DIRECT_IND，发起者将会发送一个CONNECT_REQ给广播方。发送完CONNECT_REQ后退出发起状态，进入连接状态。四、连接状态简述：当发起者发送CONNECT_PDU或者广播方收到CONNECT_REQ，那么认为连接被创建，但此时并非认为已经建立连接。只有当正式开始数据通信后，才认为连接已经被建立。连接建立后，连接中有两个角色：Master和Slave。Master主控connection event的时序。每次connection event便是Master和Slave的一次同步结点。1、连接事件Connection Events一次连接时间，使用同一个channel index。每次连接至少进展一次数据传输。Slave端在接收到来自Master的数据帧后，无论CRC是否正确，均需要回复数据，除非屡次连续CRC不正确。Master也是不管Slave发过来的帧是否正确，均需回复数据，没有除非。无论CRC是否正确，我们都认为Header是对的。Master收不到来自Slave的数据，那么关闭connection event。Master和Slave都能关闭此次connection。连接事件持续时间长度由connInterval和connSlaveLatency决定。每次连接事件的起始点称作anchor point。在anchor point，Master开始发送数据，Slave开始接收数据。connInterval便是本次连接的持续时间。Master必须确保本次连接时间在下次anchor point之前间隔T_IFS的时间关闭。connInterval长度必须是1.25ms的倍数，长度在7.5ms4.0s不等。connInterval由发起者通过CONNNECT_REQ传送给广播方。connSlaveLatency是Slave端允许的监听延时时间，其长度围如下：0(connSupervisionTimeout/ connInterval) - 1) 且必须小于500。也就是说，假设connSlaveLatency=0，那么Slave需要在每个anchor point时刻监听。没收到设置connSlaveLatency的帧时，亦如是。Master和Slave均有一个16bit的计数器 connEventCounter每有一次connection event，计数器就加一，假设溢出那么循环。它是用于LinkLayer作同步时用。Slave在等待connSlaveLatency时，该计数器亦计数。2、连接超时Supervision Timeout蓝牙系统为了检测连接丢失，便设置了一个SupervisionTimeout计数器TLLconnSupervision。每次接收到数据帧，那么计数器清零。Supervision Time超过以下几个围那么认为超时：·大于6 * connInterval·大于connSupervisionTimeoutconnSupervisionTimeout 为10ms的倍数，围是100ms32s，并且小于(1 + connSlaveLatency) * connInterval。Timeout以后，设备停止发送，进入Standby状态，并且上报中断。3、 发送窗Transmit WindowTransmit Window的信息包含在CONNECT_REQ中，传送给发起者。发送窗起始是在收到CONNECT_REQ之后transmitWindowOffset+ 1.25ms，transmitWindowSize定义发送窗的宽度。transmitWindowOffset围1.25ms的倍数，0 msconnInterval。transmitWindowSize围1.25ms的倍数，1.25ms10ms|connInterval - 1.25 ms。4、主设备Master Role建立连接后，发起的一方成为Master。连接状态建立以后，Master重新设置TLLconnSupervision，LinkLayer确认连接已经建立。随后Master在transmit window时间开始发送第一个数据帧，Master的第一帧长度可以超过transmit window。Master决定第一个anchor point，下一个anchor point=connInterval+first anchor point。以下是一个例子：5、从设备Slave Role建立连接后，广播的一方成为Slave。Slave一方也一样，重新设置TLLconnSupervision，LinkLayer确认连接已经建立。连接建立后的第一帧，无论CRC是否收对，都把它作为第一次连接事件的anchor event。假设第一个transmit window没有收到数据帧，那么准备在下一个transmit window下接收数据，而此时事件同步计数器connEventCount亦加一。6、关闭连接事件Closing Connection EventsHeader中的MD位标识是否该次事件之后还有数据发送。假设MD置位，那么Master接着发，Slave接着收。任何一方收不到对方的帧了，均关闭连接事件。连续两次收到数据CRC不对，也关闭连接事件。总结如下：7、发送窗拓宽Window Widening由于发送端接收端都存在晶振频偏，所以可能会导致Slave端anchor point不同步，因此Slave每次接收完一个数据帧，均需同步一次anchor point。接收端需要根据发送端的频偏MasterSCA和接收端频偏SlaveSCA来计算接收端的接收窗拓宽参数，以保证数据成功接收。计算方式如下：其值应小于(connInterval/2) - T_IFS us)。假设到达这个值，那么认为连接丢失。8、信道列表选择Data Channel Index SelectionMaster端需要给此次连接的信道分类：使用信道和不使用信道。使用信道最少为两个。信道分类由HOST产生。而Slave的Channel Map通过CONNECT_REQ帧接收到本地。连续的connection event每次需要获取两个参数unmappedChannel 和lastUnmappedChannel。前者是此次连接没有使用过的信道列表，后者是前一次连接未用过的信道编号。未用信道编号计算方法如下：unmappedChannel= (lastUnmappedChannel + hopIncrement) mod 37假设unmappedChannel为used Channel的话，那么此次的Channel Index那么根据这个unmappedChannel得到该次connection所使用的Channel。假设unmappedChannel为unused Channel，那么根据下面公式计算得到一个remappingIndex。remappingIndex = unmappedChannel mod numUsedChannels总结如下列图：9、确认机制和数据流控制Acknowledgement and Flow Control数据确实认依靠transmitSeqNumSN和nextExpectedSeqNumNESN来控制。NESN用于确认前一帧是否接收正确，是否需要重发。刚刚进入连接状态，SN和NESN均需设置成0。控制方式如下列图：NESN在一种情况下不会被更新，就是接收BUFFER不够的情况。这会使发送端重传该帧，如此实现数据流控制。五、LinkLayer控制描述LLCPLinkLayer Control Protocol是用来控制两个LinkLayer之间的控制和协商的。其中包括连接控制，加密控制等等。1、 LinkLayer连接更新和ChannelMap更新每次进入连接状态后，设备均需更新connInterval, connSlaveLatency和connSupervisionTimeout。Master通过发送LL_CONNECTION_UPDATE_REQ帧来实现参数更新，Slave不能发送这种格式的帧，它通过使用L2CAP信道回复更新确认来确认参数更新。参数更新之前使用老的参数，更新之后使用新参数。Slave端收到LL_CONNECTION_UPDATE_REQ之后，假设connEventCount mod 65535小于32767，并且不等于本地的connEventCount，此时它需监听所有的Connection Event，直到确认Master收到自己的REQ ACK。Slave在确认两边connEventCount相等之前的Connection Event均需要监听。假设connEventCount mod 65535大于32767，那么Slave认为与Master丢失连接，回到Standby状态，并上报主机。Master这边，需要在第一个Transmit Window发送数据，它发送的这帧数据作为此次Connection的anchor point。Master在这个anchor point以后更新它的connInterval，并清零TLLconnSupervision计数。假设使用自动发送LL_CONNECTION_UPDATE_REQ，那么Timeout参数不跟新，与前次LL_CONNECTION_UPDATE_REQ或者CONNECT_REQ设置时一样。其他参数亦如是。自动更新机制用于Master由于其他需求，需要更改anchor point时间。ChannelMap的更新由LL_CHANNEL_MAP_REQ完成，2、加密加密参数设置通过LL_ENC_REQ和LL_ENC_RSP开始加密：LL_START_ENC_REQ 和 LL_START_ENC_RSP完毕加密：LL_PAUSE_ENC_REQ or LL_TERMINATE_IND PDUsEmpty PDUs or LL_PAUSE_ENC_RSP orLL_TERMINATE_IND3、Feature Set Exchange进入连接状态以后，蓝牙设备之间需要交换各自所支持的功能参数。该过程通过LL_FEATURE_REQ PDU和LL_FEATURE_RSP PDU交换信息。数据帧交换时间关系如下：具体的Feature对应位如下列图所示：4、Version Exchange主从之间交换设备所支持的蓝牙协议版本信息，通过LL_VERSION_IND来交换信息。其信息包括：VersNr：所支持的蓝牙协议CompId：认证信息SubVersNr：Controller的实现版本号。5、Termination Procedure终止通信，通过LL_TERMINATE_IND来交换信息。IP架构以下是几个理解上的难点：一、关于ExchangeTable和ControlStructureExchangeMemory是一个动态的存储器件，其中包括了ExchangeTabel、ControlStructure、T/RxDescriptor、T/RxBuffer，它们之间的连接都是由指针完成。关系大概如下：首先需要将ControlStructure和TRXDescriptor在EM中配置完成后，再配置ExchangeTabel。其可配置的空间如下列图所示：也就是说首先需要在0x00500xFFFF地址配置ControlStructure、Descriptor和DataBuffer，然后在0x00000x001F配置ControlStructurePtr0的指针，指向ControlStructure的首地址。这样在下次PreFetch的时候，BLE_CORE就能够读取相应ControlStructure等等的值了。BLE_CORE会根据下列图，对ExchangeTabel进展扫描，其中菱形为PreFetch时间点，黑色坐标为event发生1、 一次扫描3个ET：ET_n,ET_n+1,ET_n+2。根据这3个状态是否是有效可读来判断接下来要做什么，方式如下列图所示。2、 当扫描到ET_n+2为ET有效入口，那么立即终止当前的event，终止时间最短不能小于max packet length *2 + T_IFS * 2 + 25假设有AES-CCM加密的话。