【转】TI蓝牙BLE 协议栈代码学习

　　BLE就是低功率蓝牙。要着重了解两种设备：

　　dual-mode双模设备：简单说就是向下兼容。

　　single-mode单模设备：仅仅支持BLE。

 

　　关于开发主要讲的是单模设备，它可以只靠纽扣电池即可持续工作。

　　TI的蓝牙4.0BLE协议栈为BLE-CC254x-1.4.0，即现在的版本是1.4版本的。可以从TI官方下载或从附件中下载安装，默认是安装在C盘中。因为上一篇博文提到进行空中固件升级，当时没有安装在C盘下，死活生成不了bin文件，改在C盘下生成了。所以，我个人建议，还是默认安装吧，也占不了多大空间。

　　TI蓝牙4.0BLE协议栈的结构如下图所示：

　　由控制器和主机两部分构成，分层的思想很明晰。

　　主机包括物理层PHY、数据链路层LL和主机控制器接口HCI构成。物理层PHY是1Mbps自适应跳频的GFSK射频，工作于免许可证的2.4G频段。数据链路层LL用于控制设备的射频状态，使设备工作于Standby（准备）、Advertising（广播）、Scanning（扫描）、Initiating（初始化）、Connected（连接）五种状态中的一种。主机控制器接口HCI为主机和控制器之前提供标准的通信接口。

　　主机包括逻辑链路控制及自适应协议层L2CAP、安全管理层SM、属性协议层ATT、通用访问配置文件层GAP、通用属性配置文件层GATT构成。逻辑链路控制及自适应协议层L2CAP为上层提供数据封装服务，允许逻辑上的点对点通信。安全管理层SM配对和密钥分发服务，实现安全连接和数据交换。属性协议层ATT允许设备向其他设备展示一块特定的数据，这块数据称之为“属性”。通用属性配置文件层GATT定义了使用ATT的服务框架和配置文件（profile），BLE中所有数据的通信都要通过GATT层。通用访问配置文件层GAP提供设备通信的接口，负责处理访问模式和程序，包括设备发现、建立连接、终止连接、初始化安全和设备配置等。对于我们来说，直接接触的是GAP和GATT两个层。

　　最早接触这个项目的时候，听说CC2540/2541是51内核的SOC，当时我心想，毛毛雨啦，51的东东还不简单。等真接手了才发现，头大了，TI的工程师把协议栈封装和规划得都很好，不能不佩服。

　　先分析协议栈的流程吧，这里以TI的KeyFobDemo为例，该工程位于C:\Texas Instruments\BLE-CC254x-1.4.0\Projects\ble\KeyFob中。先看下工程的架构。对于我们开发来说，App和Profile两个文件夹中的内容是最主要的。

　　先从main()函数入手，打开App文件夹下的KeyFob_Main.c，找到main()函数：

int main(void)
{
  /* Initialize hardware */
  HAL_BOARD_INIT();//初始化硬件

  // Initialize board I/O
  InitBoard( OB_COLD );//初始化板卡IO

  /* Initialze the HAL driver */
  HalDriverInit();//初始化HAL层驱动

  /* Initialize NV system */
  osal_snv_init();//初始化Flash

  /* Initialize LL */

  /* Initialize the operating system */
  osal_init_system();//初始化OSAL

  /* Enable interrupts */
  HAL_ENABLE_INTERRUPTS();//使能中断

  // Final board initialization
  InitBoard( OB_READY );//完成板卡初始化

  #if defined ( POWER_SAVING )
    osal_pwrmgr_device( PWRMGR_BATTERY );//开启低功耗模式
  #endif

  /* Start OSAL */
  osal_start_system(); // No Return from here //启动OSAL

  return ;
}

上述代码，我加入了简单的中文注释，会发现有个很重要的东西——OSAL，Operation System Abstraction Layer，操作系统抽象层。OSAL还不是操作系统，但是实现了OS的很多功能。从前面的代码中我们可以看到，跟OSAL相关的有两个函数osal_init_system()和osal_start_system()（osal_pwrmgr_device()暂时先不去理会）。我们依次来看看。

在IAR环境中，可以在代码中osal_init_system()上单击鼠标右键，打开“Go to definition of osal_init_system”，

osal_init_system()在OSAL.c中，下面就是该函数的代码：

uint8 osal_init_system( void )
{
  // Initialize the Memory Allocation System
  osal_mem_init();//初始化内存分配系统
  // Initialize the message queue
  osal_qHead = NULL;//初始化消息队列

  // Initialize the timers
  osalTimerInit();//初始化定时器

  // Initialize the Power Management System
  osal_pwrmgr_init();//初始化电源管理系统
  // Initialize the system tasks.
  osalInitTasks();//初始化系统任务

  // Setup efficient search for the first free block of heap.
  osal_mem_kick();

  return ( SUCCESS );
}

该函数是完成一系列的初始化，跟操作系统有关的，仿佛是osalInitTasks()，我们进到这个函数里面。osalInitTasks()在OSAL_KeyfobDemo.c中。

void osalInitTasks( void )
{
  uint8 taskID = ;

  tasksEvents = (uint16 *)osal_mem_alloc( sizeof( uint16 ) * tasksCnt);

  osal_memset( tasksEvents, , (sizeof( uint16 ) * tasksCnt));

  /* 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 */
  KeyFobApp_Init( taskID );
}

从每行代码，可以看到整个事件初始化的过程也是分层的。从链路层任务初始化（LL_Init）到硬件抽象层（Hal_Init）、主机控制器接口（HCI_Init）、逻辑链路控制及自适应协议层（L2CAP_Init）、GAP层（GAP_Init）、GATT层（GATT_Init）、安全管理层（SM_Init）。然后完成GAP层的配制（GAPRole_Init）、蓝牙绑定的管理初始化（GAPBondMgr_Init）及GATT层服务的初始化（GATTServApp_Init）。最后完成的是应用层的初始化（KeyFobApp_Init）。程序是一行一行地执行，各层的任务也是依次的完成初始化。

接下来我们再看main()函数中另一个跟OSAL相关的函数——osal_start_system()，也位于OSAL.c中。

void osal_start_system( void )
{
#if !defined ( ZBIT ) && !defined ( UBIT )
  for(;;)  // Forever Loop
#endif
  {
    osal_run_system();
  }
}

一看这是个死循环，相当于单片机程序最后一行while(1);。这个函数最主要的部分还是osal_run_system()，找到它，也在OSAL.c中。

void osal_run_system( void )
{
  uint8 idx = ;

#ifndef HAL_BOARD_CC2538
  osalTimeUpdate();
#endif

  Hal_ProcessPoll();

  do {
    if (tasksEvents[idx])  // Task is highest priority that is ready.
    {
      break;
    }
  } while (++idx < tasksCnt);

  if (idx < tasksCnt)
  {
    uint16 events;
    halIntState_t intState;

    HAL_ENTER_CRITICAL_SECTION(intState);
    events = tasksEvents[idx];
    tasksEvents[idx] = ;  // Clear the Events for this task.
    HAL_EXIT_CRITICAL_SECTION(intState);

    activeTaskID = idx;
    events = (tasksArr[idx])( idx, events );
    activeTaskID = TASK_NO_TASK;

    HAL_ENTER_CRITICAL_SECTION(intState);
    tasksEvents[idx] |= events;  // Add back unprocessed events to the current task.
    HAL_EXIT_CRITICAL_SECTION(intState);
  }

#if defined( POWER_SAVING )
  else  // Complete pass through all task events with no activity?
  {
    osal_pwrmgr_powerconserve();  // Put the processor/system into sleep
  }
#endif

  /* Yield in case cooperative scheduling is being used. */
#if defined (configUSE_PREEMPTION) && (configUSE_PREEMPTION == 0)
  {
    osal_task_yield();
  }
#endif
}

　　去掉条件编译部分，最核心的是一个do-while循环，一个if判断。

　　do-while循环：

do-while循环：
do {
    if (tasksEvents[idx])  // Task is highest priority that is ready.
    {
      break;
    }
  } while (++idx < tasksCnt);

　　这个循环就是完成判断当前的事件表中有没有事件发生，如果有就跳出来，执行下面的代码。

 if (idx < tasksCnt)
 {
    uint16 events;
    halIntState_t intState;

    HAL_ENTER_CRITICAL_SECTION(intState);
    events = tasksEvents[idx];
    tasksEvents[idx] = ;  // Clear the Events for this task.
    HAL_EXIT_CRITICAL_SECTION(intState);

    activeTaskID = idx;

    events = (tasksArr[idx])( idx, events );
    activeTaskID = TASK_NO_TASK;

    HAL_ENTER_CRITICAL_SECTION(intState);
    tasksEvents[idx] |= events;  // Add back unprocessed events to the current task.
    HAL_EXIT_CRITICAL_SECTION(intState);
}

　　这部分代码应该是OSAL最核心最精髓的部分了。前面的循环中已经确定有事件发生了。HAL_ENTER_CRITICAL_SECTION(intState);和HAL_EXIT_CRITICAL_SECTION(intState);分别是关中断和使能中断，以防止在执行代码时被中断打断。将事件表tasksEvents[]中的事件赋给events，然后该事件清零。接下来events = (tasksArr[idx])( idx, events );就是去处理事件了，这里的tasksArr[]数组非常重要。下面的tasksEvents[idx] |= events;就是把没有响应的事件再放回到tasksEvents[]中。

　　我们来看看这个非常重要的数组taskArr[]，它被定义在OSAL_KeyFobDemo.c中。

// The order in this table must be identical to the task initialization calls below in osalInitTask.
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
  KeyFobApp_ProcessEvent                                      // task 11
};

　　数组内的成员看起来很面熟。最上面一行的注释也写得很清楚，表中的顺序要和osalInitTask()中定义的一致。再来看这个数组的类型，是pTaskEventHandlerFn，这是个什么东西？pTaskEventHandlerFn不是东西，是

typedef unsigned short (*pTaskEventHandlerFn)( unsigned char task_id, unsigned short event );

　　这个定义是一个函数指针，看起着很头疼，很蛋疼。如果换一下：

typedef pTaskEventHandlerFn unsigned short (*)( unsigned char task_id, unsigned short event );

　　这样或许理解起来要好一些。拿KeyFobApp_ProcessEvent的声明来看，uint16 KeyFobApp_ProcessEvent( uint8 task_id, uint16 events )，这是符合pTaskEventHandlerFn的格式的，函数名就是指针，函数的地址。

　　tasksArr[]是一个函数指针数组，里面保存了所有事件处理函数的地址。当有事件发生时，就执行events = (tasksArr[idx])( idx, events );一句，就是对应的tasksArr[]里相应的那个事件的处理函数。

　　再看另一个数组，tasksEvents[]。tasksEvents[]声明为全局变量，是在osalInitTasks()中定义和初始化的：

tasksEvents = (uint16 *)osal_mem_alloc( sizeof( uint16 ) * tasksCnt);
osal_memset( tasksEvents, , (sizeof( uint16 ) * tasksCnt));

　　这个数组的大小跟事件的数量是一致的，而且被osal_memset()初始化为0.

　　这样OSAL的运行机理基本清晰了，就是在do-while()循环中判断tasksEvents[]中哪个事件非0，即事件被触发了；然后在if中把该事件清0，执行tasksArr[]中定义好的事件处理函数，然后把没有执行的事件再放回到tasksEvents[]中。这也是为什么在osalInitTask()中进行初始化的时候，初始化的顺序要和tasksArr[]一致。

　　以上是我对OSAL的理解，因为C语言的基本不够瓷实，说得也很大白话。之所以敢这么大胆贴出来，也是请大家多批评指正，让我能得到提高。