【蓝牙协议】简介：蓝牙芯片、蓝牙协议架构

参考：https://zhuanlan.zhihu.com/p/585248998
参考：吐血推荐历史最全的蓝牙协议栈介绍

蓝牙芯片架构

蓝牙的核心系统，由一个Host和一个或多个Controller组成。

• BT Host：一个逻辑实体，在HCI（Host Controller Interface）的上层。
• BT Controller：一个逻辑实体，在HCI（Host Controller Interface）的下层。

Bluetooth的主控制器，可能是以下几种：

• BR/EDR Controller：内部包含Radio, Baseband，Link Manager，可选的HCI。
• LE Controller ：内部包含LE PHY，Link Layer ，可选的HCI
• BR/EDR & LE Controller：BR/EDR与LE的组合的控制器
• MAC/PHY (AMP) Controller：二级控制器，可替代的，内部包含 802.11 PAL (Protocol Adaptation Layer)，802.11 MAC，PHY，可选的HCI。

根据Host与Controller的组成关系，常见的蓝牙芯片也分为以下几种：

• 单模蓝牙芯片：单一传统蓝牙的芯片，单一低功耗蓝牙的芯片。即（1个Host结合1个Controller）
• 双模蓝牙芯片：同时支持传统蓝牙和低功耗蓝牙的芯片。即（1个Host结合多个Controller）

因此，蓝牙芯片就会有以下几种架构：

另一个视角

由下到上看：Controller–>Host

Controller：

• BR/EDR Controller：由Link Manager、Link Controller、BR/EDR Radio组成
• LE Controller：由Link Manager、Link Controller、 LE Radio 组成
• AMP Controller：由 AMP PAL, AMP MAC, AMP PHY组成

Host：

• BR/EDR Host：由 L2CAP、SDP 、GAP 组成
• LE Host：由 L2CAP、SMP 、GAP 、Attribute protocol、GATT组成

由上到下看：Host–>Controller

Host层

• Channel Manager：通道管理，主要用于创建、管理、关闭L2CAP通道，用于服务协议和应用数据的传输。
• L2CAP Resource Manage：L2CAP资源管理，主要负责管理分片的PDU的正确提交。
• Security Manager Protocol：SMP安全管理协议，主要负责生成加密密钥和身份密钥。
• Attribute Protocol：ATT，属性协议，主要负责服务端与客户端点到点的数据传输。
• AMP Manager Protocol：直接使用L2CAP与远程设备通信。
• Generic Attribute Profile：GATT，提供更多的功能，概要文件描述了属性服务器中使用的服务层次结构、特征和属性，用于LE设备
• Generic Access Profile：GAP，标识了基础的蓝牙设备的通用功能

Controller层

• Device Manager：控制蓝牙设备的通用行为，负责与蓝牙通信过程中，所有的与数据无关的操作，如查询设备，连接设备
• Link Manager：链路管理，主要负责创建，修改，释放逻辑链路。
• Baseband Resource Manager：基带资源管理，主要负责所有的访问无线电媒体
• Link Controller：链路控制，主要负责从编码和解码蓝牙数据包PHY：物理层，主要负责发送，接收物理通道的信息包

以上为官方手册提供的视图，Host通过HCI（Host Controll Interface）接口，来控制Controller执行相应的动作。

蓝牙协议架构视角

以上架构图，将蓝牙协议分为了HW层，Transport层，Host层。

HW层——蓝牙芯片层

HW层，指的是蓝牙芯片层，也就是我们上面说的Controller，包括以下几个部分：

• RF（RADIO）：射频层，本地蓝牙数据通过射频发送给远端设备，并且通过射频接收来自远端蓝牙设备的数据。
• BB（BASEBAND）：基带层，进行射频信号与数字或语音信号的相互转化，实现基带协议和其它的底层连接规程。
• LMP（LINK MANAGER PROTOCOL）：链路管理层，负责管理蓝牙设备之间的通信，实现链路的建立、验证、链路配置等操作
• HCI（HOST CONTROLLER INTERFACE）：主机控制器接口层，HCI层在芯片以及协议栈都有，芯片层面的HCI负责把协议栈的数据做处理，转换为芯片内部动作，并且接收到远端的数据，通过HCI上报给协议栈。
• BLE PHY：BLE的物理层
• BLE LL：BLE的链路层

Transport——数据传输层

Transport层，主机控制层接口，通过硬件接口UART/USB/SDIO把HOST协议层的数据发送给Controller层，并且接收Controller层的数据。

该部分有几个协议：

• H2：基于USB的传输
• H4：基于UART的传输，最简单的传输方式，只在 HCI raw data前面加上一个type
• H5：基于UART的传输
• BCSP： 基于UART的传输
• SDIO：基于SDIO的传输

H4 协议：需要蓝牙芯片（四个引脚TX/RX/CTS/RTS）的UART_TX/UART_RX/UART_CTS/UART_RTS/VCC/GND接到MCU；
H5 协议：只需要蓝牙芯片（两个引脚TX/RX）的UART_TX/UART_RX/VCC/GND接到MCU就可以通信。

HOST——协议层

HOST层，此部分就是蓝牙协议栈，该部分包括多个协议：

• HCI（HOST CONTROLLER INTERFACE）：主机控制层接口，主要负责透过transport把协议栈的数据发送给蓝牙芯片，并且接受来自蓝牙芯片的数据，数据主要分为HCI COMMAND(HOST->CONTROLLER),HCI EVENT(HOST<-CONTROLLER),HCI ACL(HOST<->CONTROLLER),HCI SCO(这个有点些微差异，因为部分芯片的SCO数据不是透过TRANSPORT直接跟HOST沟通，而是通过特殊的引脚，PCM IN/OUT/SYNC/CLK脚来传输数据),core文档HCI的架构如下：
  
  

• L2CAP（Logical Link Control and Adaptation Protocol）：逻辑链路控制与适配协议，将ACL数据分组，对高层应用的数据进行分组，并提供协议复用和服务质量交换等功能。通过协议多路复用、分段重组操作和组概念,向高层提供面向连接的和无连接的数据服务

• SDP（SERVICE DISCOVERY PROTOCOL）：服务发现协议，为应用程序提供发现可用服务，并确定服务特征的方法。

• RFCOMM（Serial Port Emulation）：串口仿真协议，上层协议蓝牙电话，蓝牙透传SPP等协议都是直接走的RFCOMM

• OBEX：对象交换协议，蓝牙电话本，蓝牙短信，文件传输等协议都是走的OBEX

• HFP（Hands-Free）：蓝牙免提协议

• HSP：蓝牙耳机协议，最开始的蓝牙耳机协议，目前已经没有产品在用这个了吧，至少我没有看到了。算是一个简化版的HFP。

• SPP（SERIAL PORT PROFILE）：蓝牙串口协议

• IAP：苹果的特有协议，分为IAP1/IAP2，一般做Carplay或者iPod功能的人肯定接触过这块

• PBAP（Phone Book Access）：蓝牙电话本访问协议

• MAP（MESSAGE ACCESS PROFILE）：蓝牙短信访问协议HID（HUMAN INTERFACE DEVICE）：人机接口协议，HID还是有很多广泛的用途的，比如蓝牙鼠标，蓝牙键盘，蓝牙自拍杆，蓝牙手柄等。

• A2DP（Advanced Audio Distribution）: 蓝牙音乐协议

• SM: 蓝牙BLE安全管理协议

• GAP（GENERIC ACCESS PROFILE）：它定义了蓝牙设备的基本要求。

它联系了所有的不同的层之间的交互，也描述了设备发现、建立连接、安全、认证、关联模型和发现服务的行为和方法。

• 对于BR/EDR，它定义了一个蓝牙设备，包括无线电、基带、链路管理器、L2CAP和服务发现协议功能。
• 对于LE，它定义一个物理层，链路层，L2CAP，安全管理器，属性协议和通用属性配置文件。

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• ATT（Attribute Protocol）：蓝牙属性协议,用于发现、读、写对端设备的协议(针对BLE设备),ATT允许设备作为服务端提供拥有关联值的属性集 ，让作为客户端的设备来发现、读、写这些属性；同时服务端能主动通知客户端。
• GATT（Generic Attribute Profile）：蓝牙通用属性协议，描述了一种使用ATT的服务框架 ，该框架定义了数据交换的格式。

总结

蓝牙芯片的架构：根据Host与Controller的结合关系，可以分为单模芯片和双模芯片。

蓝牙协议的架构：蓝牙协议分为三层，即：Host层，Transport层，Controller层。每一层又由多种不同的协议组成。