[嵌入式][蓝牙 4.0 CC2541 开发] BLE架构与OSAL

[蓝牙 4.0 CC2541 开发] BLE架构与OSAL

本文主要介绍 TI BLE Stack v1.4.1，其只支持 Bluetooth 4.0
（蓝牙5.0 和 蓝牙Mesh 我会努力的(??_?)?）
按照德州仪器公司 CC2541 芯片作为示例，介绍蓝牙4.0以下几个内容

• OSAL：一种简单的嵌入式系统
• BLE Stack：低功耗蓝牙协议栈
• GAP通用访问协议 和 GATT通用属性协议

本次先介绍BLE架构 和 OSAL

BLE 4.0是什么

Bluetooth v4.0 使用两种通讯无线技术，这两种无线技术的速率是不同的 ：基本速率/增强数据速率（BR/EDR）、蓝牙低功耗（BLE）。

BLE 就是我们所说的低功耗蓝牙，每次传输比较少的数据，发送后进入休眠，定时唤醒再发送；

而 BR/EDR 功耗比较高，它可以连续传输大包数据，满足更多的场景。

BLE 协议栈架构

一般 BLE 架构如图分为两个部分：控制器和主机。

为什么要分为两个部分？一个控制器一个主机？

这是由于向下兼容的旧版蓝牙结构，也就是蓝牙2.0、3.0这些老型号。

当时，也就是还没出iPhone的时候 😛，那时候的芯片的性能很弱，不能同时处理 2.4GHz 信号的调制解调，一遍处理封包解包。所以用了两个模块进行协同：控制器和主机。HCI、L2CAP就是用于这样的结构间沟通联系的部分。

但现在大部分的蓝牙芯片都已经集成了控制器和主机，不仅仅一个芯片处理调制解调信号、封包解包，还有另一个完整 MCU 工作。用 CC2541 举例，不仅可以发送无线信号，还可以运行应用。

• Physical Layer (PHY)层
  指的是一个无线电层。
  主要是一些 1Mbps 自适应高斯频移键控物理层面
• Link Layer (LL) ：
  这一层主要控制 射频天线 的状态
  这种状态可以总结为五种：待命 Standby ; 广播 Advertisers；扫描 Scanning；发起 Initiating；连接 Connected。
• Host-Controller Interface (HCI)：
  主要是兼容旧设备，有蓝牙规范规定的控制器和主机之间通信的接口。旧设备是通过硬件串口链接，现在比如CC系列芯片是通过软件API的。
• L2CAP：
  为了主机层，将控制器的通信封装，接受和发送。
• security manager SM ：
  配对和密钥分发，安全的交换数据；为其他层和其他设备通信的解密功能
• 通用访问配置文件层 GAP：
  对接 应用层、配置层，处理怎么发现其他设备、怎么建立低功耗链接、什么时候介入安全层SM；
• 属性协议 ATT ：
  允许什么数据公开给另一台设备；往哪些地方写入数据，那些数据可读
• 通用属性配置文件层 GATT
  服务于 属性协议，如何使用 ATT。可以往 ATT 中写数据来通知另一个蓝牙设备，也就是传输什么数据。

OSAL：Operating System Abstraction Layer

其实是一个**操作系统，**就如同 UCOS、RTOS一样，这是一个由德州仪器深度定制的、专门针对51内核的操作系统

BLE 协议栈、配置文件、应用程序 都在 OSAL 的控制回路中构建。提供消息传递、堆栈管理、ji

主要是：

• 任务：各个协议层之间的定义
• 任务事件、事件进程：不同层相互之间的消息传递
• 堆管理；
• OSAL消息。

Task

任务的初始化

void osalInitTasks( void )
{
  uint8 taskID = 0;
  //OSAL分配给 tasksEvents 一个16位的任务层数量的数组的指针
  tasksEvents = (uint16 *)osal_mem_alloc( sizeof( uint16 ) * tasksCnt);   
  // tasksEvents 全部置零
  osal_memset( tasksEvents, 0, (sizeof( uint16 ) * tasksCnt));

  LL_Init( taskID++ );   //LL Task
  Hal_Init( taskID++ );  //Hal Task
  HCI_Init( taskID++ );  //HCI Task
  L2CAP_Init( taskID++ );// L2CAP Task 
  GAP_Init( taskID++ );  // GAP Task
  GATT_Init( taskID++ ); // GATT Task 
  SM_Init( taskID++ );   // SM Task 
  /* Profiles */
  GAPRole_Init( taskID++ );
  GAPBondMgr_Init( taskID++ );
  GATTServApp_Init( taskID++ );
  /* Application */
  SimpleBLEPeripheral_Init( taskID );

每一个协议层都从 osalInitTasks() 中调用初始化例程。

当然，所有任务以物理射频层 LL 为最高优先级 : ）

先分配内存池后，再按顺序为每一层分配 taskID ，8 位 taskID 值越高 优先级越低。如 SimpleBLEPeripheral_Init 即为最高数值 taskID 且最低优先级。

还定义了 tasksEvents 的大小，在 osal_run_system 系统运行中可以用户最多增加15个的子事件。 0x8000 被定义位系统消息

task event 和 event process

• 某任务 (task) 可以理解为某协议层
• 事件 (event) 可以理解为 层和层之间相互传递信息、相互激活函数的处理程序

一般物理层射频天线接到数据后怎么将接到的消息传递给应用层呢？或者 应用层 想要发送一段字符，怎么将指令一层层发送直到 LL层射频呢？

OSAL给出的解决办法是使用 任务事件

在初始化结束后，进入系统主循环，在系统循环中有一个关键的步骤是，轮询检查是否有任务层中有事件发生。如果有，就进入这个事件处理回调函数。↓ 这是框图。

主要讲一下代码

↓ 这是定义任务事件处理的数组，在 osal_run_system 函数中，轮询的时候会调用这个数组检查每一层的事件。

const pTaskEventHandlerFn tasksArr[] =
{
  LL_ProcessEvent,                                                  // task 0
  Hal_ProcessEvent,                                                 // task 1
  HCI_ProcessEvent,                                                 // task 2
#if defined ( OSAL_CBTIMER_NUM_TASKS )
  OSAL_CBTIMER_PROCESS_EVENT( osal_CbTimerProcessEvent ),           // task 3
#endif
  L2CAP_ProcessEvent,                                               // task 4
  GAP_ProcessEvent,                                                 // task 5
  GATT_ProcessEvent,                                                // task 6
  SM_ProcessEvent,                                                  // task 7
  GAPRole_ProcessEvent,                                             // task 8
  GAPBondMgr_ProcessEvent,                                          // task 9
  GATTServApp_ProcessEvent,                                         // task 10
  SimpleBLEPeripheral_ProcessEvent                                  // task 11
};

↓ 是 osal_run_system 的函数，在注释中详细解释

void osal_run_system( void )
{
  uint8 idx = 0;
  Hal_ProcessPoll(); //硬件中断处理 主要是USART接收中断和休眠模式的初始化

  do {
    if (tasksEvents[idx])  // 保证每次处理的都是最高优先级的
			break;
  } while (++idx < tasksCnt);  //递增任务ID值
   
  if (idx < tasksCnt)
  {
    uint16 events;
    halIntState_t intState;

    HAL_ENTER_CRITICAL_SECTION(intState);  //先关闭中断 防止多个中断响应
    events = tasksEvents[idx];             //将事件缓存
    tasksEvents[idx] = 0;                  //清除事件缓存
    HAL_EXIT_CRITICAL_SECTION(intState);   //打开中断

    activeTaskID = idx;                    //缓存当前的任务层ID
    /*触发对应任务层的处理函数 传递对应的任务层ID 和 对应事件值。会返回一个*/ 
    events = (tasksArr[idx])( idx, events );  
    activeTaskID = TASK_NO_TASK;           //清除ID缓存
    
    HAL_ENTER_CRITICAL_SECTION(intState);   //先关闭中断 
    tasksEvents[idx] |= events;             //缓存剩余事件标志
    HAL_EXIT_CRITICAL_SECTION(intState);    //打开中断
  }  
}

各个任务层的事件处理函数 ProcessEvent 在 taskArr[] 指针数组中。

在初始化后 在 OSAL 无限循环中检查是否有任务事件，如果有任务事件则进入对应任务层的 processEvent。

软件各个层可以在processEvent 中相互独立的为各自协议层设置 OSAL event。

↓ 可以用以下两个函数，在各自层中的子函数中调用，来激活对应的任务层事件。

• uint8 osal_set_event( uint8 task_id, uint16 event_flag ) 可以往指定协议层中安排新的事件
• uint8 osal_start_timerEx( uint8 taskID, uint16 event_id, uint32 timeout_value ) 类似于osal_set_event()。第三个参数可以设定毫秒计时器超时后激活 event。

Message

OSAL 设置了 SYS_EVENT_MSG 作为任务层之间的接收消息的标志，会调用对应协议层事件处理程序Msg event process

已经有 task_event 为什么还需要 Message？

首先先确定：Message 是一个 task_event，是 OSAL 设定的专用于发送数据的任务事件。而其他是激活对应子程序的。

Msg 是可以将 任何类型数据、任意大小的数组指针发送给指定层。

↓ 发送消息 典型事例的是 OSAL发送按键信息

uint8 OnBoard_SendKeys( uint8 keys, uint8 state )
{
  keyChange_t *msgPtr;
	//如果案件任务ID没有定义，则不处理，
  if ( registeredKeysTaskID != NO_TASK_ID )
  {
    msgPtr = (keyChange_t *)osal_msg_allocate( sizeof(keyChange_t) );  //初始化 Msg 内存
    if ( msgPtr ) //如果 Msg 消息申请出错会出现 NULL
    {
      msgPtr->hdr.event = KEY_CHANGE; 
      msgPtr->state = state;
      msgPtr->keys = keys;

      osal_msg_send( registeredKeysTaskID, (uint8 *)msgPtr ); //发送给对应的任务层 按键信息
    }
    return ( SUCCESS );
  }
  else
    return ( FAILURE );
}

↓接收消息 这是应用层的事件处理函数

uint16 SimpleBLEPeripheral_ProcessEvent( uint8 task_id, uint16 events )
{
  VOID task_id; 
  if ( events & SYS_EVENT_MSG )
  {
    uint8 *pMsg;
		//判定 simpleBLEPeripheral_TaskID  是否有对应 Msg
    if ( (pMsg = osal_msg_receive( simpleBLEPeripheral_TaskID )) != NULL )
    {
      simpleBLEPeripheral_ProcessOSALMsg( (osal_event_hdr_t *)pMsg );  //任务层的处理 Msg 程序
      VOID osal_msg_deallocate( pMsg );  //释放消息内存
    }
    return (events ^ SYS_EVENT_MSG);  //处理结束后 返回消除当前事件的事件标志位
  }
}

Heap Manager

对于系统的内存堆管理，类似于 C标准库 malloc realloc calloc

• void *osal_mem_alloc( uint16 size ) 做动态内存管理，在任务初始化中就有用过
• void osal_mem_free(void *ptr) 用于释放分配的内存

CallBack 回调函数

除 Process Event 以外 还可以定义 回调函数 。如 simpleProfileChangeCB() 和 peripheralStateNotificationCB()

CB 只能在任务中做有限的处理，需要密集处理的话，发送 event 在 应用层 中处理。

结束了

接下来还有两篇介绍 多篇实战(? ?_?)?

就酱