由淺入深藍牙40BLE協(xié)議棧開發(fā)攻略大全3

1、本系列教程將結(jié)合TI推出的CC254x SoC 系列，講解從環(huán)境的搭建到藍牙4.0協(xié)議棧的開發(fā)來深入學(xué)習藍牙4.0的開發(fā)過程。教程共分為六部分，本文為第三部分：第三部分知識點：第十一節(jié) 串口通信第十二節(jié) Flash的讀寫第十三節(jié) BLE協(xié)議棧簡介第十四節(jié) OSAL工作原理第十五節(jié) BLE藍牙4.0協(xié)議棧啟動分析有關(guān)TI 的CC254x芯片介紹，可點擊下面鏈接查看：主流藍牙BLE控制芯片詳解（1）：TI CC2540同系列資料推薦：由淺入深，藍牙4.0/BLE協(xié)議棧開發(fā)攻略大全（1）由淺入深，藍牙4.0/BLE協(xié)議棧開發(fā)攻略大全（2）有關(guān)本文的工具下載，大家可以到以下這個地址：朱兆祺ForARM

2、第十一節(jié) 串口通信在軟件開發(fā)過程中調(diào)試是一個很關(guān)鍵的過程，而調(diào)試用的最多的手段就是打印Log，嵌入式平臺很少有顯示設(shè)備，所以我們需要將信息通過串口打印到PC端。MT254xboard上已經(jīng)通過RS232芯片將UART0連接到DB9，我們只需要將DB9連接到電腦即可，UART0 對應(yīng)的外部設(shè)備 IO 引腳關(guān)系為：P0_2-RX，P0_3-TX。我們需要將這兩個IO配置為復(fù)用功能，CC2540的USART可以配置為SPI模式或者異步UART模式，這里我們需要配置為異步UART模式。首先配置IO為UART模式：PERCFG &= 0x01; / 配置UART為位置 1P0SEL = 0x3c; /

3、P0_2，P0_3，P0_4，P0_5用作串口功能P2DIR &= 0XC0; / P0 優(yōu)先作為UART0配置UART0寄存器，將UART0配置為8N1模式，波特率為115200。U0CSR |= 0x80; / UART 方式U0GCR |= 11; / U0GCR與U0BAUD配合U0BAUD |= 216; / 波特率設(shè)為115200UTX0IF = 0; / 清除中斷標志U0CSR |= 0X40; / 允許接收IEN0 |= 0x84; / 開總中斷，接收中斷這里采用中斷方式來接收串口數(shù)據(jù)，并在中斷中回調(diào)應(yīng)用層的接收處理函數(shù)。#pragma vector = URX0_VECTOR

4、_interrupt void UART0_ISR（void）uint8 ch;URX0IF = 0; / 清中斷標志ch = U0DBUF;if （ NULL ！= RecvCb ） / 調(diào)用回調(diào)函數(shù)RecvCb（ch）;為了測試串口的通訊功能，這里我們通過串口接收命令的方式來控制LED的亮滅和蜂鳴器的響和停止，并且顯示當前的狀態(tài)。根據(jù)串口輸出提示，發(fā)送對應(yīng)字符可以實現(xiàn)相應(yīng)功能，并且顯示狀態(tài)。第十二節(jié) Flash的讀寫嵌入式系統(tǒng)中需要存儲數(shù)據(jù)，而片內(nèi)的Flash資源很匱乏，所以我們經(jīng)常需要使用SpiFlash來存儲數(shù)據(jù)，MT254xboard中板載了一個 512Kbyte的Flash，下面我

5、們來驅(qū)動此Flash。上一小節(jié)中我們用SPI的方式驅(qū)動了LCD12864，這節(jié)我們繼續(xù)用SPI來驅(qū)動板載的 Flash，詳細的說明了如何驅(qū)動這片F(xiàn)lash，在此不做累述，我們復(fù)制LCD12864工程，重命名為SpiFlash，在此工程中添加GD25Q40的兩個驅(qū)動文件。下面我們來檢測這個Flash，檢測的方法為，全部寫入0xAA，然后再讀出，對比是否為0xAA，如果是，那Flash是沒有問題的，否則Flash可能已經(jīng)有壞塊。具體的代碼見例程，這個過程所需要的時間取決于我們需要檢測的區(qū)域大小，如果完全檢測，則可能需要幾分鐘的時間。int main（void）SysStartXOSC（）;LCD1

6、2864_Init（）; / LCD初始化GD25Q40_Init（）; / Flash初始化LCD12864_DisStr（0， “Flash Check.?！保?sprintf（LCDBuf， “Flash ID ：%04X”， GD25Q40_ReadID（）; / 讀取器件IDLCD12864_DisStr（1， LCDBuf）;GD25Q40_EraseChip（）; / 擦除整片F(xiàn)lash 大約需要10SLCD12864_DisStr（2， “Erase Chip Complete”）;uint32 iCnt = 0;/ 全部寫入0xAAconst uint8 Write = 0x

7、AA;for（iCnt=0; iCnt CHECK_ADDR_RANGE; iCnt+）GD25Q40_Write（&Write， iCnt， 1）; / 寫入0xAA/ 讀取Flash內(nèi)部的值，與寫入的值對比uint8 Read;for（iCnt=0; iCnt = CHECK_ADDR_RANGE）LCD12864_DisStr（3， “Flash Check Success”）;GD25Q40_EraseChip（）; / 再次擦除while（1）;return 0;MT254X藍牙4.0開發(fā)板Flash效果：第十三節(jié) BLE協(xié)議棧簡介TI的協(xié)議棧分為兩部分：控制器和主機。對于4.0以前

8、的藍牙，這兩部分是分開的。所有profile和應(yīng)用都建構(gòu)在GAP或GATT之上。根據(jù)這張圖，我們從底層開始介紹。TI的這款CC2540器件可以單芯片實現(xiàn)BLE藍牙協(xié)議棧結(jié)構(gòu)圖的所有組件，包括應(yīng)用程序。1.1.1 PHY層1Mbps自適應(yīng)跳頻GFSK（高斯頻移鍵控），運行在免證的2.4GHz。1.1.2 LL層LL層為RF控制器，控制設(shè)備處于準備（standby）、廣播、監(jiān)聽/掃描（scan）、初始化、連接，這五種狀態(tài)中一種。五種狀態(tài)切換描述為：未連接時，設(shè)備廣播信息，另外一個設(shè)備一直監(jiān)聽或按需掃描，兩個設(shè)備連接初始化，設(shè)備連接上了。發(fā)起聊天的設(shè)備為主設(shè)備，接受聊天的設(shè)備為從設(shè)備，同一次聊天只能

9、有一個意見領(lǐng)袖，即主設(shè)備和從設(shè)備不能切換。1.1.3 HCI層HCI層為接口層，向上為主機提供軟件應(yīng)用程序接口（API），對外為外部硬件控制接口，可以通過串口、SPI、USB來實現(xiàn)設(shè)備控制。1.1.4 L2CAP層L2CAP層提供數(shù)據(jù)封裝服務(wù)，允許邏輯上的點對點通訊。1.1.5 SM層SM層提供配對和密匙分發(fā)，實現(xiàn)安全連接和數(shù)據(jù)交換。1.1.6 ATT層ATT層負責數(shù)據(jù)檢索，允許設(shè)備向另外一個設(shè)備展示一塊特定的數(shù)據(jù)稱之為屬性，在ATT環(huán)境中，展示屬性的設(shè)備稱之為服務(wù)器，與它配對的設(shè)備稱之為客戶端。鏈路層的主機從機和這里的服務(wù)器、客服端是兩種概念，主設(shè)備既可以是服務(wù)器，也可以是客戶端。從設(shè)備毅然

10、。1.1.7 GATT層GATT層定義了使用 ATT 的服務(wù)框架和配置文件（profiles）的結(jié)構(gòu)。BLE 中所有的數(shù)據(jù)通信都需要經(jīng)過 GATT。GATT負責處理向上與應(yīng)用打交道，其關(guān)鍵工作是把為檢索工作提供合適的profile結(jié)構(gòu)，而profile由檢索關(guān)鍵詞（characteristics）組成。1.1.8 GAP層GAP直接與應(yīng)用程序或配置文件（profiles）通信的接口，處理設(shè)備發(fā)現(xiàn)和連接相關(guān)服務(wù)。另外還處理安全特性的初始化。對上級，提供應(yīng)用程序接口，對下級，管理各級職能部門，尤其是指示LL層控制室五種狀態(tài)切換，指導(dǎo)保衛(wèi)處做好機要工作。1.2 TI協(xié)議棧源碼介紹在第二章我們講解了源

11、碼的安裝，這里我們就來剖析源碼的結(jié)構(gòu)。打開協(xié)議棧目錄我們可以看到下圖：BLE源碼：目錄名內(nèi)容說明Accessories一些工具和已經(jīng)編譯好的Hex文件此文件夾中有Btool的安裝包、USB-CDC的驅(qū)動。ComponentsHal驅(qū)動，OSAL源碼、協(xié)議棧通用源碼此文件夾是OSAL各層組件的實現(xiàn)Documents幫助文檔協(xié)議棧說明文檔，這是學(xué)習BLE最好的資料。Projects工程文件這里有一些TI的Demo，我們開發(fā)一般是在Demo的基礎(chǔ)上進行這里TI給出了很多Demo，這些例程都是經(jīng)過了SIG評審的，ble 文件夾中有很多工程文件，有些是具體的應(yīng)用，例如BloodPressure、Gluc

12、oseCollector 、GlucoseSensor 、 HeartRate 、HIDEmuKbd 等都為傳感器的實際應(yīng)用，有相應(yīng)標準的 Profile。其中有4種角色： SimpleBLEBroadcaster 、 SimpleBLECentral 、SimpleBLEObserver、SimpleBLEPeripheral。他們都有自己的特點。1.Broadcaster 廣播員 非連接性的信號裝置2.Observer 觀察者 掃描得到，但不能鏈接3.Peripheral 從機 可鏈接，在單個鏈路層鏈接中作為從機4.Central 主機 掃描設(shè)備并發(fā)起鏈接，在單鏈路層或多鏈路層中作為主機。

13、我們的講解將圍繞這主機和從機進行。因為其它的設(shè)備都是基于這兩種設(shè)備擴展開來的。第十四節(jié) OSAL工作原理藍牙為了實現(xiàn)同多個設(shè)備相連，或?qū)崿F(xiàn)多功能，也實現(xiàn)了功能擴充，這就產(chǎn)生了調(diào)度問題。因為，雖然軟件和協(xié)議棧可擴充，但終究最底層的執(zhí)行部門只有一個。為了實現(xiàn)多事件和多任務(wù)切換，需要把事件和任務(wù)對應(yīng)的應(yīng)用，并起一個名字OSAL操作系統(tǒng)抽象層。OSAL管理的實現(xiàn)如果實現(xiàn)軟件和硬件的低耦合，使軟件不經(jīng)改動或很少改動即可應(yīng)用在另外的硬件上，這樣就方便硬件改造、升級、遷移后，軟件的移植。HAL硬件抽象層正是用來抽象各種硬件的資源，告知給軟件。其作用類似于嵌入式系統(tǒng)設(shè)備驅(qū)動的定義硬件資源的h頭文件。BLE低功

14、耗藍牙系統(tǒng)架構(gòu)：OSAL作為調(diào)度核心，BLE協(xié)議棧、profile定義、所有的應(yīng)用都圍繞它來實現(xiàn)。OSAL不是傳統(tǒng)大家使用的操作系統(tǒng)，而是一個允許軟件建立和執(zhí)行事件的循環(huán)。軟件功能是由任務(wù)事件來實現(xiàn)的，創(chuàng)建一個任務(wù)事件需要以下工作：1. 創(chuàng)建task identifier任務(wù)ID；2. 編寫任務(wù)初始化（task initialization routine）進程，并需要添加到OSAL初始化進程中，這就是說系統(tǒng)啟動后不能動態(tài)添加功能；3. 編寫任務(wù)處理程序；4. 如有需要提供消息服務(wù)。BLE協(xié)議棧的各層都是以O(shè)SAL任務(wù)方式實現(xiàn)，由于LL控制室的時間要求最為迫切，所以其任務(wù)優(yōu)先級最高。為了實現(xiàn)任

15、務(wù)管理，OSAL通過消息處理（messageprocess），存儲管理，計時器定時等附加服務(wù)實現(xiàn)。系統(tǒng)啟動流程：為了使用OSAL，在main函數(shù)的最后要啟動一個名叫osal_start_system的進程，該進程會調(diào)用由特定應(yīng)用決定的啟動函數(shù) osalInitTasks（來啟動系統(tǒng)）。osalInitTasks逐個調(diào)用BLE協(xié)議棧各層的啟動進程來初始化協(xié)議棧。隨后，設(shè)置一個任務(wù)的 8bit任務(wù)ID（task ID），跳入循環(huán)等待執(zhí)行任務(wù)，系統(tǒng)啟動完成。1. 任務(wù)優(yōu)先級決定于任務(wù)ID，任務(wù)ID越小，優(yōu)先級越高2. BLE協(xié)議棧各層的任務(wù)優(yōu)先級比應(yīng)用程序的高3. 初始化協(xié)議棧后，越早調(diào)入的任務(wù)，任

16、務(wù)ID越高，優(yōu)先級越低，即系統(tǒng)傾向于處理新到的任務(wù)每個事件任務(wù)由對應(yīng)的16bit事件變量來標示，事件狀態(tài)由旗號（taskflag）來標示。如果事件處理程序已經(jīng)完成，但其旗號并沒有移除，OSAL會認為事情還沒有完成而繼續(xù)在該程序中不返回。比如，在SimpleBLEPeripheral實例工程中，當事件START_DEVICE_EVT發(fā)生，其處理函數(shù)SimpleBLEPeripheral_ProcessEvent就運行，結(jié)束后返回16bit事件變量，并清除旗語 SBP_START_DEVICE_EVT。每當OSAL事件檢測到了有任務(wù)事件，其相應(yīng)的處理進程將被添加到由處理進程指針構(gòu)成的事件處理表單中

17、，該表單名叫taskArr（taskarray）。taskArr中各個事件進程的順序和osalInitTasks初始化函數(shù)中任務(wù)ID的順序是對應(yīng)的。有兩種，最簡單的方法是使用osal_set_event函數(shù)（函數(shù)原型在OSAL.h文件中），在這個函數(shù)中，用戶可以像定義函數(shù)參數(shù)一樣設(shè)置任務(wù)ID 和事件旗語。第二種方法是使用osal_start_timerEx函數(shù)（函數(shù)原型在OSAL_Timers.h文件中），使用方法同 osal_set_event函數(shù)，而第三個以毫秒為單位的參數(shù)osal_start_timerEx則指示該事件處理必須要在這個限定時間內(nèi)，通過定時器來為事件處理計時。類似于Linu

18、x嵌入式系統(tǒng)內(nèi)存分配C函數(shù)mem_alloc，OSAL利用osal_mem_alloc提供基本的存儲管理，但osal_mem_alloc只有一個用于定義byte數(shù)的參數(shù)。對應(yīng)的內(nèi)存釋放函數(shù)為osal_mem_free。不同的子系統(tǒng)通過OSAL的消息機制通信。消息即為數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)種類和長度都不限定。消息收發(fā)過程描述如下：接收信息，調(diào)用函數(shù)osal_msg_allocate創(chuàng)建消息占用內(nèi)存空間（已經(jīng)包含了osal_mem_alloc函數(shù)功能），需要為該函數(shù)指定空間大小，該函數(shù)返回內(nèi)存空間地址指針，利用該指針就可把所需數(shù)據(jù)拷貝到該空間。發(fā)送數(shù)據(jù)，調(diào)用函數(shù)osal_msg_send，需為該函數(shù)指定發(fā)送目

19、標任務(wù)，OSAL通過旗語SYS_EVENT_MSG告知目標任務(wù)，目標任務(wù)的處理函數(shù)調(diào)用osal_msg_receive來接收發(fā)來的數(shù)據(jù)。建議每個OSAL任務(wù)都有一個消息處理函數(shù)，每當任務(wù)收到一個消息后，通過消息的種類來確定需要本任務(wù)做相應(yīng)處理。消息接收并處理完成，調(diào)用函數(shù)osal_msg_deallocate來釋放內(nèi)存（已經(jīng)包含了osal_mem_free函數(shù)功能）。為了實現(xiàn)更好的移植性，協(xié)議棧將硬件層抽象出了一個HAL硬件抽象層，當新的硬件平臺做好后，只需修改HAL，而不需修改HAL之上的協(xié)議棧的其他組件和應(yīng)用程序。第十五節(jié) BLE藍牙4.0協(xié)議棧啟動分析TI的這款CC2540/CC2541

20、器件可以單芯片實現(xiàn)BLE藍牙協(xié)議棧結(jié)構(gòu)圖的所有組件，包括應(yīng)用程序。從這章開始我們來剖析協(xié)議棧源碼，我們選用 SimpleBLEPeripheral工程開刀，這是一個從機的例程，基本的工作是對外廣播，等待主機來連接，讀寫展示的屬性。首先打開工程文件，打開后可以看到整個工程的結(jié)構(gòu)。我們按照系統(tǒng)的啟動順序來一步一步走，我們都知道在C代碼中，一般啟動的首個函數(shù)為main，這個函數(shù)在 SimpleBLEPeripheral_Main.c中，打開文件，可以看到這個文件只有一個main函數(shù)和一個函數(shù)的申明，我們暫時不理會那個申明的函數(shù)，先看main都做了些什么工作：Int main（void）/* Init

21、ialize hardware */HAL_BOARD_INIT（）; / 硬件初始化/ Initialize board I/OInitBoard（ OB_COLD ）; / 板級初始化/* Initialze the HAL driver */HalDriverInit（）; / Hal驅(qū)動初始化/* Initialize NV system */osal_snv_init（）; / Flash存儲SNV初始化/* Initialize LL */* Initialize the operating system */osal_init_system（）; / OSAL初始化/* Enab

22、le interrupts */HAL_ENABLE_INTERRUPTS（）; / 使能總中斷/ Final board initializationInitBoard（ OB_READY ）; / 板級初始化#if defined （ POWER_SAVING ）osal_pwrmgr_device（ PWRMGR_BATTERY ）; / 低功耗管理#endif/* Start OSAL */osal_start_system（）; / No Return from here 啟動OSALreturn 0;通過代碼我們可以看到，系統(tǒng)啟動的過程，主要是做了一些初始化，如果開啟了低功耗，則還

23、需要開啟低功耗管理。我們先不去理會初始化做了什么，但是我們知道在main函數(shù)的最后啟動了OSAL，那么我們就進去看看OSAL是如何運作的。在IAR中如果需要跳轉(zhuǎn)到某個函數(shù)或變量的定義，可以在此函數(shù)名中右擊然后選擇Go To Definition就可以調(diào)到相應(yīng)的定義。void osal_start_system（ void ）#if ！defined （ ZBIT ） & ！defined （ UBIT ）for（;） / Forever Loop#endifosal_run_system（）;這里看到我們進入了一個死循環(huán)，并且一直調(diào)用osal_run_system（），那我們再進入此函數(shù)。vo

24、id osal_run_system（ void ）uint8 idx = 0;#ifndef HAL_BOARD_CC2538osalTimeUpdate（）; / 定時器更新#endifHal_ProcessPoll（）; / Hal層信息處理do if （tasksEventsidx） / Task is highest priority that is ready.break; while （+idx tasksCnt）; / 檢查每個人任務(wù)是否有事件if （idx tasksCnt） / 有事件發(fā)生uint16 events;halIntState_t intState;HAL_EN

25、TER_CRITICAL_SECTION（intState）; / 進入臨界區(qū)events = tasksEventsidx;tasksEventsidx = 0; / Clear the Events for this task. 清除事件標志HAL_EXIT_CRITICAL_SECTION（intState）; / 退出臨界區(qū)activeTaskID = idx;events = （tasksArridx）（ idx， events ）; / 執(zhí)行事件處理函數(shù)activeTaskID = TASK_NO_TASK;HAL_ENTER_CRITICAL_SECTION（intState）;

26、 / 進入臨界區(qū)tasksEventsidx |= events; / Add back unprocessed events to the current task.HAL_EXIT_CRITICAL_SECTION（intState）; / 退出臨界區(qū)#if defined（ POWER_SAVING ） / 沒有事件發(fā)生，并且開啟了低功耗模式else / Complete pass through all task events with no activity？ / 系統(tǒng)進入低功耗模式osal_pwrmgr_powerconserve（）; / Put the processor/sy

27、stem into sleep#endif/* Yield in case cooperative scheduling is being used. */#if defined （configUSE_PREEMPTION） & （configUSE_PREEMPTION = 0）osal_task_yield（）;#endif在這里可以看到這個OSAL的核心，整個OSAL通過檢測每個任務(wù)是否有事件發(fā)生，如果有則執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)，處理相應(yīng)的事件。如果沒有事件需要處理并且開啟了低功耗模式，則系統(tǒng)就會進入低功耗模式。這里有一個很關(guān)鍵的地方，OSAL是如何知道哪個事件需要哪個任務(wù)來處理呢？events

28、 = （tasksArridx）（ idx， events ）; / 執(zhí)行事件處理函數(shù)我們看這里有一個很關(guān)鍵的數(shù)組tasksArr，很顯然，這是一個函數(shù)指針數(shù)組，我們看看它的定義。const pTaskEventHandlerFn tasksArr =LL_ProcessEvent， / task 0Hal_ProcessEvent， / task 1HCI_ProcessEvent， / task 2#if defined （ OSAL_CBTIMER_NUM_TASKS ）OSAL_CBTIMER_PROCESS_EVENT（ osal_CbTimerProcessEvent ）， / t

29、ask 3#endifL2CAP_ProcessEvent， / task 4GAP_ProcessEvent， / task 5GATT_ProcessEvent， / task 6SM_ProcessEvent， / task 7GAPRole_ProcessEvent， / task 8GAPBondMgr_ProcessEvent， / task 9GATTServApp_ProcessEvent， / task 10SimpleBLEPeripheral_ProcessEvent / task 11;可以看到在這個數(shù)組的定義中，每個成員都是任務(wù)的執(zhí)行函數(shù)，按照任務(wù)的優(yōu)先級排序，并且在

30、osalInitTasks中初始化的時候，我們可以看到每個任務(wù)都有一個對應(yīng)的初始化函數(shù)，并且傳遞了一個taskID，此ID從0開始自增，這里有一點非常重要，初始化的順序和任務(wù)數(shù)組的定義順序是一樣的，這就保證了我們給任務(wù)發(fā)生消息或事件時能夠準確的傳遞到相應(yīng)的任務(wù)處理函數(shù)。void osalInitTasks（ void ）uint8 taskID = 0;tasksEvents = （uint16 *）osal_mem_alloc（ sizeof（ uint16 ） * tasksCnt）;osal_memset（ tasksEvents， 0， （sizeof（ uint16 ） * task

31、sCnt）;/* LL Task */LL_Init（ taskID+ ）;/* Hal Task */Hal_Init（ taskID+ ）;/* HCI Task */HCI_Init（ taskID+ ）;#if defined （ OSAL_CBTIMER_NUM_TASKS ）/* Callback Timer Tasks */osal_CbTimerInit（ taskID ）;taskID += OSAL_CBTIMER_NUM_TASKS;#endif/* L2CAP Task */L2CAP_Init（ taskID+ ）;/* GAP Task */GAP_Init（ taskID+ ）;/* GATT Task */GATT_Init（ taskID+ ）;/* SM Task */SM_Init（ taskID+ ）;/* Profiles */GAPRole_Init（ taskID+ ）;GAPBondMgr_Init（ taskID+ ）;GATTServApp_Init（ taskID+ ）;/* Application */SimpleBLEPeripheral_Init（ taskID ）;應(yīng)用層的初始化