藍(lán)牙協(xié)議棧軟件設(shè)計(jì)

【摘要】藍(lán)牙技術(shù)是一種用于個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的低成本、低功率的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，主要包括基帶芯片和協(xié)議棧兩個(gè)部分。本文分析了藍(lán)牙協(xié)議棧的功能和結(jié)構(gòu)，提出了實(shí)現(xiàn)該嵌入式協(xié)議棧的軟件結(jié)構(gòu)。并對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行了分析。

【關(guān)鍵詞】藍(lán)牙技術(shù);協(xié)議棧;嵌入式軟件

引言

藍(lán)牙技術(shù)是一種無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)與語(yǔ)音通信的開(kāi)放性全球規(guī)范，它以低成本的近距離無(wú)線(xiàn)連接為基礎(chǔ)，為固定與移動(dòng)設(shè)備通信環(huán)境建立一個(gè)特別連接。藍(lán)牙技術(shù)的實(shí)質(zhì)內(nèi)容是要建立通用的射頻接口及其控制軟件的公開(kāi)標(biāo)準(zhǔn)，使通信和計(jì)算機(jī)進(jìn)一步結(jié)合，使不同廠(chǎng)家生產(chǎn)的移動(dòng)電話(huà)、便攜式計(jì)算機(jī)以及各種便攜式通信設(shè)備的主機(jī)之間在沒(méi)有電線(xiàn)或電纜相互連接的情況下。也能在近距離范圍內(nèi)具有互用、相互操作的性能.實(shí)現(xiàn)無(wú)縫的資源共享。

1.藍(lán)牙協(xié)議棧結(jié)構(gòu)

藍(lán)牙技術(shù)規(guī)范在使用通用無(wú)線(xiàn)傳輸模塊和數(shù)據(jù)通信協(xié)議的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)交互式服務(wù)和應(yīng)用。藍(lán)牙技術(shù)規(guī)范的目的是使符合該規(guī)范的各種應(yīng)用之間能夠互通，本地設(shè)備與遠(yuǎn)端設(shè)備需要使用相同的協(xié)議，不同的應(yīng)用需要不同的協(xié)議，但是，所有的應(yīng)用都使用藍(lán)牙技術(shù)規(guī)范中的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層協(xié)議。

完整的藍(lán)牙協(xié)議包括藍(lán)牙專(zhuān)利協(xié)議LMP（Link Manager Protoco1）、L2CAP（Logic Link Control and A—daptive Protoco1）和非專(zhuān)利協(xié)議。例如對(duì)象交換協(xié)議（OBEX）和用戶(hù)數(shù)據(jù)報(bào)文協(xié)議（UDP）。設(shè)計(jì)協(xié)議和協(xié)議棧的主要原則是盡可能利用現(xiàn)有的各種高層協(xié)議，保證現(xiàn)有協(xié)議與藍(lán)牙技術(shù)的融合以及各種應(yīng)用之間的互通性，充分利用兼容藍(lán)牙技術(shù)規(guī)范的軟硬件系統(tǒng)。

2.藍(lán)牙協(xié)議棧開(kāi)發(fā)平臺(tái)

本系統(tǒng)是在一塊帶有CPU的Nios開(kāi)發(fā)板上進(jìn)行的，系統(tǒng)的硬件是基于FPGA開(kāi)發(fā)的藍(lán)牙芯片，用來(lái)完成藍(lán)牙基帶中需要的復(fù)雜運(yùn)算和實(shí)現(xiàn)射頻功能，并以函數(shù)調(diào)用的形式提供對(duì)這些功能的訪(fǎng)問(wèn)。

3.藍(lán)牙協(xié)議棧的功能分析

藍(lán)牙的協(xié)議棧是運(yùn)行在CPU核上面、管理系統(tǒng)資源、控制硬件、對(duì)通過(guò)HCI（Host Controller Interface）來(lái)自主機(jī)的命令進(jìn)行處理、完成藍(lán)牙功能的嵌入式軟件。由于本系統(tǒng)提供基帶的功能和實(shí)現(xiàn)鏈路管理器協(xié)議，主機(jī)是通過(guò)HCI層來(lái)控制藍(lán)牙的，L2CAP屬于上層的協(xié)議。所以系統(tǒng)要做的工作就是給主機(jī)提供HCI的接口，并且處理來(lái)自另一個(gè)藍(lán)牙設(shè)備的鏈路管理器協(xié)議的PDU（Prtocol Data Unit）包。在藍(lán)牙協(xié)議中，藍(lán)牙主機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)了L2CAP功能和上層HCI的驅(qū)動(dòng)程序;PPP、IP、TCP/UDP等協(xié)議歸屬于TCP/IP協(xié)議。已經(jīng)相當(dāng)成熟，并且被絕大多數(shù)操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，不在嵌入式協(xié)議棧的處理范圍之內(nèi)。

從一般軟件設(shè)計(jì)分類(lèi)的角度來(lái)看，設(shè)備管理和系統(tǒng)資源管理是操作系統(tǒng)的任務(wù)。在綜合考慮系統(tǒng)簡(jiǎn)單性和成本等因素之后，本系統(tǒng)中沒(méi)有使用獨(dú)立的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，而是由嵌入式軟件完成部分應(yīng)該由操作系統(tǒng)完成的功能。

4.藍(lán)牙協(xié)議棧總體設(shè)計(jì)

總體設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，功能設(shè)計(jì)，系統(tǒng)任務(wù)之間的通信和重要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的確定等。

4.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用單進(jìn)程的結(jié)構(gòu)。由主程序循環(huán)調(diào)用幾個(gè)任務(wù)。當(dāng)一個(gè)任務(wù)執(zhí)行完之后。才會(huì)進(jìn)入執(zhí)行下一個(gè)任務(wù)。在任務(wù)執(zhí)行期間，不屏蔽外部事件的中斷請(qǐng)求。因而外部事件可以被實(shí)時(shí)響應(yīng)。整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成典型的前后臺(tái)系統(tǒng)。這些任務(wù)包括：對(duì)HCI命令和PDU的處理，對(duì)LC（Link controler）的控制和管理。對(duì)Timer的管理和數(shù)據(jù)包的處理。

4.1.1 HCI和LC數(shù)據(jù)處理模塊

HCI和LC數(shù)據(jù)處理模塊主要完成數(shù)據(jù)包的分包和重組。HCI是UART接口。這里的數(shù)據(jù)包是L2CAP層傳送的上層應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)包;LC層可以傳送的數(shù)據(jù)包是藍(lán)牙協(xié)議規(guī)定的包類(lèi)型。并且與建立連接時(shí)兩個(gè)設(shè)備的協(xié)商結(jié)果有關(guān)，所以。來(lái)自HCI的數(shù)據(jù)包可. 能與LC層可以傳送的數(shù)據(jù)包的大小不同。這就需要在發(fā)送來(lái)自HCI的數(shù)據(jù)包時(shí)。根據(jù)LC層可以使用的數(shù)據(jù)包的大小來(lái)重新組合和分包。以適合LC層的需要;當(dāng)收到LC層的固定類(lèi)型的數(shù)據(jù)包時(shí)。還要根據(jù)HCI層規(guī)定來(lái)組合，以適合HCI層的傳送需要。

4.1.2 內(nèi)存管理模塊

內(nèi)存管理通常是操作系統(tǒng)的核心任務(wù)之一。由于本系統(tǒng)沒(méi)有使用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。所以。這部分任務(wù)是系統(tǒng)必需而重要的任務(wù)。輸入的數(shù)據(jù)包必須保存在內(nèi)存中。由適當(dāng)?shù)娜蝿?wù)做進(jìn)一步處理。

同時(shí)，應(yīng)用程序產(chǎn)生的輸出數(shù)據(jù)也必須以數(shù)據(jù)包的形式存儲(chǔ)在內(nèi)存中。由硬件設(shè)備傳送出去。一般來(lái)說(shuō)。協(xié)議軟件的有效性最終取決于如何管

理保存這些數(shù)據(jù)包的存儲(chǔ)器。一個(gè)良好的設(shè)計(jì)要做到快速分配存儲(chǔ)空間。并且避免數(shù)據(jù)包在各層協(xié)議之間移動(dòng)時(shí)的數(shù)據(jù)復(fù)制。常用的分配方案有：緩沖區(qū)方案、鏈表方案、時(shí)鐘管理模塊、事件處理模塊。

4.2 任務(wù)之間的通信

任務(wù)之間的通信是協(xié)議棧軟件的重要部分，對(duì)協(xié)議的性能有很大的影響。對(duì)于操作系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，任務(wù)之間的通信通常采用的方法有信號(hào)量、郵箱、消息隊(duì)列、管道等。在我們的實(shí)現(xiàn)中，借鑒了管道的思想，亦即給所有需要通信的任務(wù)之間建立管道。為所有需要通信的任務(wù)建立管道，需要發(fā)送消息的任務(wù)把消息的內(nèi)容放入雙方已協(xié)商的管道中，然后由需要消息的任務(wù)從中取出。對(duì)管道中消息的存取和檢查都由一組統(tǒng)一的函數(shù)完成。

4.3 重要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的確定

從對(duì)藍(lán)牙協(xié)議的分析可知，鏈路管理器的核心任務(wù)是管理和維護(hù)由數(shù)個(gè)藍(lán)牙設(shè)備組成的Piconet。Pi-conet的基本組成單元是兩個(gè)藍(lán)牙設(shè)備之間的連接，最基本的Piconet由兩個(gè)藍(lán)牙設(shè)備組成。因此，由兩個(gè)藍(lán)牙設(shè)備組成的一個(gè)連接是系統(tǒng)最基本的組成部分，對(duì)這種連接的建立、維護(hù)和參數(shù)管理是軟件最基本的功能。對(duì)這種連接的操作就是嵌入式軟件實(shí)現(xiàn)的核心任務(wù)。根據(jù)藍(lán)牙規(guī)范和連接的屬性，確定了描述這個(gè)對(duì)象的參數(shù)，用結(jié)構(gòu)TACLConnection來(lái)描述這個(gè)對(duì)象。

5.試驗(yàn)結(jié)果分析

本系統(tǒng)利用Nios開(kāi)發(fā)板，對(duì)所設(shè)計(jì)的軟件和藍(lán)牙基帶芯片進(jìn)行了測(cè)試，證明軟件可以完成藍(lán)牙基帶的基本功能。藍(lán)牙嵌入式通信協(xié)議棧的開(kāi)發(fā)工作尚未全部結(jié)束，目前完成的是在兩個(gè)藍(lán)牙設(shè)備之間建立連接的工作。測(cè)試結(jié)果表明，在這個(gè)協(xié)議棧的開(kāi)發(fā)工作中采取的一系列技術(shù)手段是基本成功的。這使得我們可以進(jìn)一步開(kāi)發(fā)更加完善的協(xié)議棧。

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作者簡(jiǎn)介：李曼（1980—），女，陜西西安人，工學(xué)碩士，西安外事學(xué)院講師，研究方向：機(jī)械工程。