（计算机应用技术专业论文）蓝牙核心协议研究及蓝牙耳机应用的设计与实现.pdf

y5 8 g 1-2 0 0 摘要 随着无线移动通信技术飞速发展，人们越来越迫切的感觉到实现 移动设备 ( 如移动电话、掌上电脑、p d a等)的短程互联的必要性， 蓝牙技术应运而生。蓝牙技术是一种新的短距离无线通信技术，是无 线数据与语音通信的开放性全球规范，它以低成本的近距离无线连接 为基础，为固定与移动设备通信环境建立一个特别连接，组建临时局 域网。蓝牙技术把各种便携式电脑与蜂窝电话用无线电连接起来，使 计算机与通信更加密切结合，使人们能随时随地进行数据信息的交换 与传输。蓝牙应用产品有着广阔的应用前景。 本文首先介绍了 蓝牙技术的提出背景以及本文工程背景和组织结 构，介绍了 蓝牙协议栈及其应用模型，即蓝牙协议栈模型以及基于协 议栈而开发的蓝牙具体应用模型。 接下来详细论述了 蓝牙核心协议栈的具体实现，蓝牙核心协议栈 主要由四大模块组成: 服务发现协议s d p 模块， 逻辑链路与适配协议 l 2 c a p 模块， 串口 仿真协议r f c o m m模块， 主机控制接口h c i 模块。 并详细讨论了s d p , r f c o mm, l 2 c a p的实现。 然后详细讨论并实现了主机控制接u h c i 模块以及传输层模块， 在设计过程中， 我们尽量使得蓝牙协议栈较少的依赖于硬件驱动程序， 尽量独立于具体的操作系统，这样我们的协议栈就能够较容易的移植 到各种操作系统。在前几章实现的协议栈的基础上，自 行设计并开发 了蓝牙耳机应用，实现了无线耳机的功能，并用蓝牙耳机应用测试了 协议栈，给出了测试过程和测试结果。 最后，将蓝牙技术与其他短程无线通信技术相比较，提出了蓝牙 技术面临的问题以及进一步研究的方向。 关键词:蓝牙、服务发现协议、逻辑链路与适配协议、串口仿真 协议、主机控制接口、传输层、蓝牙耳机 水州泊 、 、 汀州 ， 患 如 工_召介万 ab s t r a c t wi t h t h e r a p i d d e v e l o p m e n t o f w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y a n d m o b i l e c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y , p e o p l e f i n d i t m o r e a n d m o r e n e c e s s a r y t o m a k e m o b i l e d e v i c e s ; s u c h as mo b i l e p h o n e , h a n d p c a n d p d a , i n t e r c o n n e c t e d w i r e l e s s l y , w h i c h b r i n g s f o r th b l u e t o o t h t e c h n o l o g y . b l u e t o o t h i s a k i n d o f s h o rt - r a n g e w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n , a w o r l d w i d e l y o p e n s t a n d a r d f o r w i r e l e s s d a t a a n d v o i c e c o m m u n i c a t i o n , w h i c h c a n s e t u p a n a d h o c l a n b e t w e e n f i x e d d e v i c e s a n d m o b i l e d e v i c e s w i t h l o w c o s t , s h o r t - r a n g e w i r e l e s s c o n n e c t i o n . b lu e t o o t h t e c h n o l o g y m a k e s p o rt a b l e d e v i c e s c o n n e c t e d a n d e n a b l e s p e o p l e t o e x c h a n g e i n f o r m a t i o n a n y t i m e a n d a n y w h e r e . a n d b l u e t o o t h w i l l b r i n g a p r o m i s i n g m a r k e t . t h i s p a p e r f i r s t i n t r o d u c e s b l u e t o o t h t e c h n o l o g y i n b r i e f , t h e p r o j e c t b a c k g r o u n d , th e s t r u c t u r e o f t h i s p a p e r , t h e n b l u e t o o t h p r o t o c o l s t a c k a n d p r o f i l e s . t h e f o l lo w i n g c h a p t e r s i n t r o d u c e b l u e t o o t h c o r e s t a c k i n d e t a il s , i n c l u d in g f o u r k e y m o d u l e s : s d p , l 2 c a p , r f c o mm, h c i . a n d t h e n g i v e s t h e i m p l e m e n t i o n o f t h e m r e s p e c t i v e l y . d u r i n g t h e d e s i g n a n d d e v e l o p m e n t , w e m a k e t h e m l i tt l e d e p e n d e n t o f s p e c i f i c a l o p e r a t i n g s y s t e m , t h u s w e c a n t r a n s p l a n t t o s u c h o s s a s wi n d o w s , l i n u x a n d o t h e r p l a t f o r m e a s i l y w i t h l i tt l e m o d i fi c a t i o n f o r s y s t e m r e l a t e d p a r t . t h e n , b a s e d o n t h e a b o v e d e s i g n o f p r o t o c o l s t a c k , i p e r s o n a l ly i m p l e m e n t b l u e t o o t h h e a d s e t p r o f il e o n v +% i n d o w s , a n d u s e r s c a n u s e b l u e t o o t h w i r e l e s s h e a d s e t fr e e l y . f i n a l l y t h i s p a p e r p u t s f o r w a r d s o m e c u r r e n t p r o b l e m s a b o u t b l u e t o o t h t e c h n o l o g y , c o m p e t i t i o n t h a t b l u e t o o t h f a c e s w i t h a n d t h e n e x t r e s e a r c h g o a l k e y w o r d s : b l u e t o o t h , s d p , l 2 c a p , r f c o mm, h c i , t r a n p o rt l a y e r , b l u e t o o t h h e a d s e t m 北京交通大学硕士论文 第一章 前言 1 . 1 蓝牙技术的提出 随着计算机网络和移动通信技术的迅猛发展，人们越来越感到发 展微小范围内的无线数据与语音通信的必要性。于是，1 9 9 8年， e r i c c s o n , i b m, i n t e l , n o k i a和 t o s h i b a 等公司联合推出了一项新的 无线通信技术一蓝牙 ( b l u e t o o t h )技术。随后这五家公司组建了一个 特殊组织 ( s i g )来负责此项技术的开发。1 9 9 9 年 7月，蓝牙协议的 1 . 0 版， 从而将其推向应用阶段。 2 0 0 3 年 1 2 月， 推出蓝牙协议 1 .2 版， 蓝牙应用前景越来越好。 蓝牙技术解决了小型移动设备间的无线互连问题。蓝牙不同于另 一 种无线局域网 ( wl a n) 技术， wl a n通过一个公用的主干可以有 效地连接相对庞大的人群，但蓝牙技术面向的却是移动终端设备间的 小范围连接，因而本质上说它是一种代替电缆的技术。 为了真正使用户实现个人信息服务，经常需要把诸如移动电话和 其它外围设备或计算机连接起来，传输数据、语音和静止或动态的图 像。这些设备通常都是可随身携带的，可能以各种形式存在。为了把 它们连接在一起，同时避免电缆线缠绕之苦，可以采用 “ 无线电缆” ( wi r e l e s s c a b l e )的方案， 不需要很长的距离，只需要组成小范围的 无线局域网即可。 无线电缆将为大量设备提供有效、廉价的无线连接方案，人们可 以方便地将计算机、外围设备、用户电子设备、医疗设备和自 动控制 应用等各种产品连接起来，形成个人网络，并可通过无线局域网 ( w i r e l e s s l a n ) 与i n t e rn e t 连接，实 现信息的无线传输。 蓝牙技术属于一种低成本、短距离的无线电连接技术，它的无线 收发器可以做在很小的一块芯片上，有的样品大约只有 9 m m * 9 m m, 因此可万便地嵌入到各类便携式设备中。蓝牙技术基于无线电缆的概 念，实现了设备间的无线连接和接入数据网的功能，具有外围设备接 口，可以组成一个特定的个人网络。 北京交通大学硕士论文 蓝牙系统采用g f s k调制，抗信号衰落的性能较好;采用快跳频 和短包技术以减少同频干扰， 保证传输的可靠性; 使用2 a g h z 的 i s m 频段，无需申请许可证。蓝牙的调制信号速率为 1 mb / s ，以时分方式 进行全双工通信，其基带协议是电路交换和分组交换的组合。 蓝牙技术支持无线多媒体 ( 包括数据、 话音和静止图象) 的传输 每一对蓝牙设备之间可以有一个异步数据通道，或三个同步话音的通 道，或一个同时传送异步数据和同步话音的通道。每一个话音通道支 持 6 4 k b / s 的同步话音;异步通道支持的最大速率为 7 2 1 k b / s ，反向应 答速率为 5 7 .6 k b / s 的非对称连接，或者是4 3 2 . 6 k b / s 的对称连接。话 音编码采用连续可变斜率增量调制，具有抗衰落性强的特点，即使误 码率到达 4 %，话音质量仍可以接受。 1 .2工程背景及组织结构 蓝牙技术在国外提出伊始，人们就意识到这项技术将是未来短距 离无线通信的方向之一，有其特有的市场前景。我们开发了蓝牙的协 议栈，将协议栈实现为与系统相关和系统无关两个部分，这样方便了 在各种系统平台上的移植。为了搭建具体的应用，我们需要把蓝牙协 议栈与具体的系统相结合起来。 本人在论文期间认真研究了蓝牙核心协议，理解了蓝牙核心协议 栈的各个模块，主要开发了主机控制接口部分的模块，并实现了蓝牙 耳机应用。 本文第一章首先简单介绍蓝牙技术的提出和本文的工程背景及组 织结构，第二章描述了蓝牙协议栈及其具体应用模型。第三章分别介 绍了s d p , r f c o mm, l 2 c a p的实现。第四章详细介绍了h c i 的实 现。 第五章详细介绍蓝牙耳机应用并在wi n d o w s 上实现了该应用， 并 用蓝牙耳机应用测试核心协议栈，给出了测试过程和测试结果。第六 章介绍了蓝牙面临的问题及进一步发展研究的方向。 北京交通大学硕士论文 第二章蓝牙协议简介 2 1 蓝牙协议体系结构 蓝牙( b l u e t o o t h ) 技术规范由蓝牙特别兴趣小组( s i g ) 制订， 在使用通用无线传输模块和数据通信协议的基础上，开发交互式服务 和应用，多用于便携式通信设备。 图2 - 1b l u e t o o t h 协议层模型 蓝牙技术规范的目的是使符合该规范的各种应用之间能够互通， 本地设备与远端设备需要使用相同的协议，不同的应用需要不同的协 议，但是，所有的应用都要使用蓝牙技术规范中的数据链路层和物理 层。完整的蓝牙协议层如图2 1 所示，不是任何应用都必须使用全部 协议。图2 1 显示了数据经过无线传输时，所有协议之间的相互关系， 但在某些应用中这种关系是有变化的，也就是说，具体应用只会使用 其中的一列或者多列。 完整的协议包括蓝牙专利协议( l m p 和l 2 c a p ) 和非专利协议 ( 如对象交换协议o b e x 和用户数据报协议u d p ) 。设计协议和协议 栈的主要原则是尽可能利用现有的各种高层协议，保证现有协议与蓝 牙技术的融合以及各种应用之间的互通性，充分利用兼容蓝牙技术规 范的软硬件系统。蓝牙技术规范的的开放性保证了设备制造商可自由 地选用其专利协议或常用的公共协议，在蓝牙技术规范基础上开发新 北京交通大学硕士论文 的应用。 2 2 蓝牙协议体系中的协议 蓝牙协议体系中的协议可分为四层：核心协议，b a s e b a n d 、l m p 、 l 2 c a p 、s d p ；电缆替代协议，r f c o m m ：电话传送控制协议，t c s b i n a r y 、a t 命令集；可选协议，p p p 、u d p t c p i p 、o b e x 、w a p 、 v c a r d 、v c a l 、i r m c 、w a e 。 除上述协议层外，规范还定义了主机控制器接口( h c i ) ，它为基 带控制器、连接管理器、硬件状态和控制寄存器提供命令接口。在图 2 1 中，h c i 位于l 2 c a p 的下层。 蓝牙核心协议由s i g 制定的蓝牙专利协议组成，绝大部分蓝牙设 备都需要核心协议( 加上无线部分) ，而其它协议根据应用的需要而定。 总之，电缆替代协议、电话控制协议和被采用的协议在核心协议基础 上构成了面向应用的协议。 2 2 1 蓝牙核心协议 ( 一) 基带协议( b b ) 基带和链路控制层确保微微网内各蓝牙设备单元之间由射频构成 的物理连接。蓝牙的射频系统是一个跳频系统，其任一分组在指定时 隙、指定频率上发送，它使用查询和寻呼进程同步不同设备间的发送 频率和时钟，可为基带数据分组提供两种物理连接方式：面向连接 ( s c o ) 和无连接( a c l ) ，而且在同一射频上可实现多路数据传送。 a c l 适用于数据分组，s c o 适用于话音及话音与数据的组合，所有话 音与数据分组都附有不同级别的正向纠错( f e c ) 或循环冗余校验 ( c r c ) ，而且可进行加密。此外，不同数据类型( 包括连接管理信 息和控制信息) 都分配一个特殊通道。 可使用各种应用在蓝牙设备间传送话音，面向连接的话音分组只 需经过基带传输，而不到达l 2 c a p 。话音应用在蓝牙系统内相对简单， 只需开通话音连接，就可传送话音。 ( 二) 连接管理协议( l m p ) 连接管理协议( l m p ) 负责蓝牙各设备间连接的建立。它通过连 ! ! 堕窒望盔堂旦圭堡苎 接的发起、交换、核实，进行身份验证和加密，通过协商确定基带数 据分组大小；它还控制无线设备的电源模式和工作周期，以及微微网 内设备单元的连接状态。 ( 三) 主机控制接门( h c i ) 在b b 和l m 上与l 2 c a p 之间还有一个主机控制接口层h o s t c o n t r o l l e r i n t e r f a c e ( h c i ) 。h c i 是蓝牙协议中软硬件之间的接口，它提 供了- - + n n t n b b 、l m 、状态和控制寄存器等硬件的统一命令接 口。蓝牙设备之间通信时的系统结构如f 图2 - 2 所示。h c i 协议以上 的协议软件实体运行在主机上，而h c i 以下的功能一般由蓝牙设备来 完成，二者之间通过一个对两端透明的传输层进行交互。 图2 2h c i 模块在协议栈中的位置 北京交通大学硕士论文 如图2 2 所示，h c i 模块包括主机端驱动h c id r i v e r 和蓝牙设备 上的固件h c if i r m w a r e ( 即h o s tc o n t r o l l e r ) ，二者之间由一个h c i 传输层提供数据的透明传输。通过此传输层，主机端驱动将从高层得 到的待传输数据和命令送到蓝牙硬件设备中，同时接收从设备提交的 数据和事件。 通过h c i 传出的信息可包括命令、事件、数据三类。命令由主机 端发给硬件设备，事件由设备提交给主机，数据则是双向的。下面简 要介绍这三类信启、。 由主机发给设备的命令按执行方式可分为同步命令和异步命令。 同步命令主要用于本地查询和设置参数，完成后立即返回类似于 c o m m a n dc o m p l e t ee v e n t 的命令完成事件；异步命令一般涉及到双 方的通信，比如建立连接等，h c t 固件接收到命令后，先返回一个命 令状态事件c o m m a n ds t a t u se v e n t ，表示命令参数的正确与否，完成 后再返回一个命令完成事件。 两个蓝牙设备之间只能建立一条a c l ( a s y n c h r o n o u s c o n n e c t i o r d e s s ) 信道， 但可以建立多条s c o ( s y n c h r o n o u s c o n n e c t i o n o r i e n t e d ) 信道。a c l 主要用来收发数据，s c o 主要用于话 音通信。连接建立起来后，主机控制器( h c ) 将从主机端收到的数据通 过l m 、b b 和r f 发送出去，当收到数据时则过程相反。 ( 四) 逻辑链路控制和适配协议( l 2 c a p ) 逻辑链路控制适配层协议( l o g i c a ll i n kc o n t r o la n da d a p t a t i o n l a y e rp r o t o c o l 简称l 2 c a p ) ，是个为高层传输层和应用层协议屏蔽 基带协议的适配协议。l 2 c a p 位于基带协议层之上，属于数据链路层， 它在整个协议层体系中的地位如图2 1 。l 2 c a p 为高层提供数据服务， 允许高层和应用层协议收发大小为6 4 k b 字节的l 2 c a p 数据包。虽然 基带协议提供了s c o 和a c l 两种连接类型，但是l 2 c a p 只支持面 向无连接的异步传输( a c l ) ，不支持面向连接的同步传输( s c o ) ， s c o 链路主要用预留的带宽进行实时语音传输。 ( 五) 电缆替代协议( r f c o m m ) r f c o m m 是基于e t s l0 7 1 0 规范的串行线仿真协议。“电缆替 北京交通大学硕士论文 代”协议在蓝牙基带协议上仿真r s 2 3 2 控制和数据信号，为使用串行 线传送机制的上层协议( 如o b e x ) 提供服务。b l u e t o o t h 特别兴趣小 组提出r f c o m m 的目的在于以下几点：提供对现有使用串行线接口 的应用软件的支持；利用已有的g s m0 7 1 0 标准；支持b l u e t o o t h 设 备之间点对点的通信。 r f c o m m 完成了对r s 2 3 2 串口的仿真，这样就可以尽可能利用 现有的各种高层应用程序，保证b l u e t o o t h 技术与现有技术的融合以及 各种应用之间的互通性，充分利用兼容b l u e t o o t h 技术规范的软硬件体 系。其中最常用的是如图2 - 1 所示的基于串行线传送机制的高层协议， 如：o b e x 、p p p 和a t 命令集。其中p p p 完成点对点的连接：o b e x ( 对象交换协议) 是由红外数据协会( i r d a ) 制定的会话层协议，它 采用简单的和自发的方式交换目标数据，它是一种类似于h t t p ( h y p e r t e x tt r a n s f e rp r o t o c 0 1 ) 的协议，假设传输层是可靠的，采用客 户机- r 务器模式，独立于传输机制和传输应用程序接口；a t 命令集 是专门为调制解调器设计的接口，用来提供拨号上网和收发传真的功 能。 根据实现方式不同，存在两种不同的b t 设备。类型1 的b t 设 备本身具有完整的b l u e t o o t h ( b t ) 硬件和软件，能独立完成b l u e t o o t h 的功能，实现通信设备之间的短距离无线连接。类型2 的b t 设备仅 仅起到类似于m o d e m 的功能，负责将普通设备所要传输的信息与 b l u e t o o t h 格式的码流的相互转换。当采用类型2 的b t 设备时，数据 传输的瓶颈在于实际的串口之间的有线连接，即受到标准串口最高速 率9 2 1 6 0 0 b i v s 的限制：而采用类型1 的b t 设备时，数据传输的速率 则不受到串口速率的限制。 ( 六) 服务发现协议( s d p ) 发现服务在蓝牙技术框架中起到至关重要的作用，它是所有用户 应用的基础。使用s d p ，可以查询到设备信息和服务类型，从而在蓝 牙设备1 4 建立相应的连接。 北京交通大学硕士论文 2 .2 .2 电话控制协议 ( 一)二元电话控制协议 二元电话控制协议 ( t c s b i n a r ，或丁 c s b i n)是面向比 特的 协议，它定义了蓝牙设备间建立语音和数据呼叫的控制信令，定义了 处理蓝牙丁 c s 设备群的移动管理进程。 基于i t u 一 丁 q .9 3 1 建议的t c s b i n a r y 被指定为蓝牙的二元电 话控制协议规范。 ( 二)a t命令集电话控制协议 s i g根据i t u -t v 2 5 0 建议和g s m 0 7 . 0 7 定义了控制多用户 模式下移动电话和调制解调器和可用于传真业务的a 7命令集。 2 . 2 . 3 选用协议 ( 一)点对点协议 ( p p p ) 在蓝牙技术中，p p p 位于r f c o mm上层，完成点对点的连接。 ( 二 )t c p / udp / i p t c p / u d p / i p协议是由i e 丁 f 制定的， 广泛应用于互联网通信的协 议，在蓝牙设备中使用这些协议是为了与互联网相连接的设备进行通 信。 三)对象交换协议 ( o b e x) i r o b e x ( 简写为o b e x ) 是由 红外数据协会 ( i r d a ) 制定的 会话层 协议，它采用简单的和自发的方式交换目 标。o b e x 是一种类似于 h t t p的协议，这假设传输层是可靠的，采用客户机/ 服务器模式，独 立于 传输机制和传输应用程序接口 ( a p i ) o 电子名片交换格式 ( v c a r d ) 、电子日历及日 程交换格式 ( v c a l ) 都是开放性规范，它们都没有定义传输机制，而只是定义了数据传输 模式。 s i g采用v c a r d / v c a l 规范，是为了 进一步促进个人信息交换。 ( 四)无线应用协议 ( w a n 无线应用协议是由无线应用协议论坛制定的，它融合了各种广域 无线网络技术，其目的是将互联网内容和电话债券的业务传送到数字 蜂窝电话和其它无线终端上。 选用 w a p ， 可以充分利用为无线应用环 境 ( wa e)开发的高层应用软件。 乾豪交运大学硕论文 2 3 蓝牙应用及协议栈 2 3 。1 蜀域耀访潮应爱 黼2 3 局城阏访鳓夔精 在此威用下，数据终端( d t ) 经局域网访问点( l a p ) 无线接入 鼹域丽，接入后d t 的操作与通过拨号方式接入掰域网设备的操作 样，其协议栈如图2 3 所示。 2 3 2 按鼍网络陂带 黼2 4 拨号嬲络应用 在这种应用下，由手机或无线调制解调器向p c 提供无线拨号上 网和牧发传真豹功能，恧不必与p c 建立貔理连接。援号上嚣爨樊嚣 个协议栈( 不包括s d p ) ，如图2 - 4 所示。a t 命令集用来控制移动电 北京交通大学硕士论文 话或调制解调器以及传送其它业务数据的协议栈。传真采用类似协议 栈，但不使用p p p 及基于p p p 的其它网络协议，而由应用软件利用 r f c o m m 直接发送。 2 3 3 蓝牙耳机应用 图2 - 5 蓝牙耳机应用 使用该应用，用户打电话时可自由移动。通过无线连接，蓝牙耳 机通常作为蜂窝电话、无线电话或个人微机的音频输入输出设备。蓝 牙耳机的协议栈如图2 5 所示，语音数据流不经过l 2 c a p 层而直接接 入基带协议层。蓝牙耳机必须能收发并处理a t 命令。 2 3 4 文件传输应用 图2 - 6 文件传输应用 文件传输应用提供两个终端之间的数据通信功能，可传 北京交通大学硕士论文 输x is 、p p t 、v 、j p g 和d o c 文件( 及其它文件) ，以及完整的文 件央或目录或多媒体数据流等并提供远端文件央浏览功能。文件传输 协议栈如图2 - 6 所示。 2 3 5 同步应用 图2 - 7 蓝牙j 司步应用 同步应用提供设备到设备的个人资料管理( p i m ：p e r s o n a l i n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t ) 的同步更新功能，其典型应用如电话簿、日 历、通知和记录等，它要求微机、蜂窝电话和个人数字助理( p d a ) 在传输和处理名片、日历及任务通知时，使用通用的协议和格式。协 议栈如图2 - 7 所示，其中同步应用代表红外移动通信( i r m c ) 客户机 或服务器。 j e 豪交通大学硕+ 论文 2 3 。6 藏牙老谣应霜 图2 8 蓝牙电话应用 蓝牙电话奉凡有三种使用方法：接入公用电话阀，作为普通电话使 用；作为不计赞的内部电话使用；作为蜂窝移动电话使用。无线电话 和内部电话使用相同的协议栈；语音数据直接与基带协议连接。不经 过l 2 c a p 层，如图2 - 8 所示。 北京交通大学硕士论文 第三章 蓝牙核心协议栈的实现 3 . 1蓝牙系统运作原理研究 下面我们将构造一个客户机用 r 务器交互的模型， 并基于此模型详 细讨论和研究蓝牙系统的内部运作原理。 3 . 1 . 1 客户端发起连接请求 一个作为客户端的蓝牙设备首先向一个作为服务器端的蓝牙设备 发送连接请求，如图3 - 1 所示，其具体过程如下; sd户 事 件l 2 c a c a n a e e t r o q 作 *yn s u p k ip $ i$ 1 嘛 酬伽 l 2 cap 协议层 丫 祝到服务瑞蓝牙设各的墓带地址 c . 比 亡 小相re 的0.l 筹 - - .c u. r 印 王1 c 14 不 可 用 信 冷 :二 y 行 为 l p_ c a a a x tr aq 图 3 - 1蓝牙运作原理图 客户端蓝牙设备的l 2 c a p 层接收到上层应用程序如s d p发出的 连接请求事件l 2 c a c o n n e c t r e q 后， l 2 c a p根据得到的 蓝牙服务器 -1 1 - 北京交通大学硕士论文 端的地址 ( b d a d d r ) ，直接向下层 h c i 层发送底层连接请求行为 l p _ c o n n e c t r e q ,通知蓝牙基带与蓝牙服务器端建立一条物理信道， h c i 层接收到 l 2 c a p的建立底层物理信道连接请求后，将会对 l mp 层发送连接请求命令 h c i c r e a t e c o n n e c t i o n . l mp接收到该命令后， 将会在本地 ( 客户端)与远程 ( 服务器端)之间建立一条 l mp信道。 首先， 两端进行无线物理连接， 连接成功之后， l mp向基带传送一个 l m p _ h o s t c o n n e c t i o n r e q p d u( 协议数据单 元) ， 此报文将会通过无 线物理信道传送到服务器端。 3 . 1 . 2 无线物理信道的建立 无线物理信道的建立比较复杂，是由蓝牙硬件模块实现的，此处 不作介绍。 3 . 1 .3 服务器端对连接请求的确认 当服务器端基带收到客户端发来的 l m p 一o s t c o n n e c t i o n es r e q 时， 首先将请求上递给 l mp 层。 l mp 层识别到连接请求后， 将对 h c i 层产生一个连接请求事件。 当h c i 收到连接请求事件后， 再对 l 2 c a p 层产生一个 l p _ c o n n e c t i n d事件。l 2 c a p层对应用层产生一个 l 2 c a _ c o n n e c t i n d 行为， 并 将 控 制 权 交 给 应 用 层， 由 应 用层 决定 是 否 接受客户端的连接请求。应用层使用 l 2 c a c o n n e c t r s p或者 l 2 c a p _ c o n n e c tr s p n e g 来 通知l 2 c a p 接 收 或 者 拒 绝 客 户 端的 连接 请 求。 如果同意连接， l 2 c a p 收到上层发来的l 2 c a 一o n n e c t r s p , 那么 它将给 h c i一个 l p c o n n e c t r s p行为，h c i再给 l m p一个 h c i _ a c c e p t c o n n e c t io n _ r e q u e s t 命令。 l m p收到后将给基带一个 l m p _ a c c e p t e d p d u 。 基带通过无 线物理 信道将此p d u传 送给客户 端。 如 果 不 同 意 连 接 ， 即 l 2 c a p 收 到 上 层 发 来 的 l 2 c a _ c o n n e c t r s p n e g ， 那么就给h c i 一个l p _ c o n n e c t r s p n e g 行为， h c i 再给l m p 一个h c i 一o f a c c e p t c o n n e c t i o n 一e q u e s t 命令。 l m p 收到后 将给 基带一个l m p n o t a c c e p t e d p d u ， 基带 通过无线物理信道 将此 p d u传送给客户端。 北京交通大学硕士论文 3 . 1 . 4 l 2 c a p层中逻辑信道的建立 当客户端与服务器端之际的物理信道完全建立成功后，两者直接 可以通过 l 2 c a p层建立逻辑信道。两端的建立大多数是通过信令完 成的。具体过程如图3 - 2 所示。 客户端 l t c a p 层 cl os e d _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 卫 服务端 l 2 c a p层 亡i .oski 1 wa lz c a p _ c a n n mo u , l 2 c a p c mm z l r 叫 w b l 2 u o n ne h r a p 一 2 cap cn n n r c t r , _ _ 汽 二 9 r 7 p s l s m l 2 c+ e c o o n e x g l l 2 c a c t mrs n c onfi c 匕c n 了 n n n 如果状态为 c o n f i g ，则l 2 c a p向 服务器端发送信令l 2 c a i 飞 c o n f i g r e q ， 并启动 r t x计时器; 如果状态为o p e n， 则挂起当前工作( 一般是数据传输) ， 进入状态c o n f i g ， 向 服务器端发送信令l 2 c a p _ c o n f i g r e q ， 并启动 r t x计时 器。 信令l 2 c a p _ c o n f i g r e q 是 用于客户端和服务 器端协商 一些具体参数，如 m t u( 最大传输单元) 、 超时信息、q o s ( 服务质 量)等 服务器端 l 2 c a p收到配置请求信令后，将向 上层发送一个动作 l 2 c a p _ c o n f i g i n d ，向 上层表明收 到客户端送来的 配置 请求， 并由 上 层来决定具体的配置参数。处理完毕后，服务器端 l 2 c a p等待上层 的配置回复事件l 2 c a p c o n f i g r s p ， 用于回 应客户端的配置请求。 如 果回应是肯定的，则服务器端将对对方发送信令l 2 c a p - c o n f i g r s p , 并进入 o p e n 。否则，向 客户端发送 l 2 c a p c o n f i g r s p n e g ，保持 c o n f i g状态。 客 户 端接收 到 配置 回 复 信 令l 2 c a p _ c o n f ig r s p 后， 将向 上 发 送配 置 确认动作l 2 c a p _ c o n f i g c f m ， 以 向 上层 确认所发送的 配置请求己 经 北京交通大学硕士论文 被远端所接收。 这样， 客户端向服务器端的配置过程结束。 截至， 以同样的顺序， 服务器端开始它与客户端的配置协商过程。具体的流程与客户端向服 务器端的配置过程一样。 当服务器端和客户端之间的配置协商过程完成之后，两者都进入 o p e n状态。此时，两端可以直接通过l 2 c a p实体进行数据通信了。 3 . 1 . 5 上层协议中连接的建立 l 2 c a p 信道建立后， 上层协议如 s d p , r f c o mm可以在 l 2 c a p 通道上传递协议相关的数据和命令， 用于上层协议连接的建立。上层 协议之间的连接可以复用一个l 2 c a p 连接心 3 . 2蓝牙协议栈的实现介绍 我们实 现了 蓝牙主机协议栈的 所有协议: t c s , s d p , r f c o m m, l 2 c a p 和h c i 。 协议栈代码是高效和可靠的， 并且代码量很小， 可以 符合一个嵌入式应用的需要。 这个协议栈开发时先采用了s d l( 规范 描述语言)进行描述与验证，保证了可靠性，之后再用c代码重写， 保证了它的高效行。整个协议栈分成四个部分，如图3 - 3 所示: 第一部分是蓝牙系统模块。每个协议在启动时要向蓝牙系统模块 注册。蓝牙系统模块维护了蓝牙主机协议的 f s m 实例表。一个蓝牙 主机协议栈可以使用这些信息和其它的蓝牙主机协议栈进行通信。这 个模块在各个平台上是不同的，因为并不是所有的系统都需要其它所 有的模块。 第二个部分是蓝牙通用函数库模块。这个模块包含了为每个协议 模块维护f s m( 有限状态机) 所需要的通用代码， 比如定时器的管理、 进程间通信等等。它还包括了那些平台相关的代码。如果有来自不同 的蓝牙主机协议的 f s m 实例对于公用资源的请求，这个模块会负责 为这些请求进行调度。 第三个部分是蓝牙协议栈中的各个协议模块。所有的这些协议模 块都是用a n s i c 编写的， 可以 不用进行改动即可在各个平台上移植。 第四个部分是用户接口 ( u 工 ) 。这个部分是一个系统相关的模块。 北京交通大学硕士论文 用户可以为专门的需要开发自己的u i o 图3 - 3蓝牙协议模块结构 3 . 2 . 1 蓝牙调度模块 每个蓝牙主机协议被实现为一个 f s m ( 有限状态机) 。当协议初 始化时，它会为相应的f s m生成一个跳转矩阵，这个f s m是由状态 和事件索引的。在跳转矩阵的每一项代表了对一个特定状态下的特定 事件的处理函数。在协议初始化时，f s m会被置成初始状态。 当协议的f s m接收到一个事件，它首先检查是否是f s m此时正 在处理事件。如果 f s m 忙，则将这个事件插入到事件队列中等待处 理，否则，f s m 会立即进行处理。当一个事件处理结束，f s m 会检 查事件队列， 并逐个处理事件队列里的每个事件， 如果事件队列不空。 所有的事件按先进先出 ( f i f o) 的次序进行处理。 现在所有的事件不 分优先级。 在处理事件时， f s m a可能会改变状态并产生新的事件给另一个 f s m b处理。如果产生了对f s m b的新事件，f s m a的处理函数将 会立即调用 f s m b来处理这个事件。 3 .2 .2 定时器实现 对于网络通信协议来说，定时器是很重要的。定时器功能在系统 相关的。不同的系统对定时器的支持不尽相同。我们提供了一系列的 北京交通大学硕士论文 接口来调用定时器函数， 在不同的操作系统中要实现这些定时器函数。 这些函数如一 f : 几n七 in七 int : ni t 丁 工 me re s t r u c t f s . 口工 mer addti mer( s tr uc t f s mti mer - f t ) -ft) ; de工 ti mer; s tr nc t f s mti mer - ft); 3 . 2 . 3 内存管理 当蓝牙主机协议栈启动好后，应用程序可以在不同的进程里调用 蓝牙协议栈。 在很多3 2 位的操作系统里， 不同的进程有不同的内存空 间。当协议栈实现在内核模式下，通常操作系统可以将主机协议栈的 数据段映射到该进程的内存空间。当我们将协议栈实现在用户模式下 时，就通常不是这样。当协议试图访问某些全局数据时，这可能会带 来一些问题。 我们既可以将协议栈实现在内核模式，也可以将其实现在用户模 式，这要求我们提供对全局数据的映射方法。在协议栈中，对所有的 应用程序提供共享的数据段。这会将所有定义的全局数据映射为静态 的。动态分配的内存仍然不能共享。因此如果需要全局数据，它就不 能是动态分配的内存。 3 .2 .4 操作系统平台 协议通常是系统无关的。然而，如果要在一个操作系统上运行协 议栈，就必须提供一些系统相关的支持，以将协议栈集成到操作系统 中。我们将协议软件中系统相关的部分提取出来，这样在向不同的操 作系统移植的时候，就只需改这些系统相关部分代码就可以。 系统相关部分包括进程调度和同步模块，定时器模块，以及一些 运行库。 由于协议栈是用a n s i c写的， 我们只使用了标准 c运行库。 协议栈的用户接口也是系统相关的。如果要移植协议栈到一个新的操 作系统上，需要检查所有的系统相关部分，将这些系统相关的函数重 写并链接到不同的运行库上。从代码量来看，系统相关部分只占整个 协议模块代码量的5 % 左右。 北京交通大学硕士论文 3 .2 .5 系统相关部分的定义 前面讲到，蓝牙协议栈分成系统相关部分和系统无关部分。前者 在每个系统上都要重写，而后者是符合 a n s i - c标准的，可以在各种 平台上移植而不必进行修改。具体地看，系统相关部分主要是涉及定 时器的管理，调试信息的打印，临界区、事件、线程的创建和销毁等 等。要在wi n d o w s上 运行协议栈，就必须实现这些系统相关的函数。 通过定义宏来封装系统相关部分的具体实现，这样就可以让系统 无关部分不经修改就在各个平台上通用。这些宏的定义和实现在文件 b t c o m m o n / b t w i n 3 2 / w i n 3 2 d e p .h 和w i n 3 2 d e p 中， 这些宏主要有: # d e f i n e s y s t e m l o c k h a n d l e # d e f i n e c r e a t e c r i t i c al( s ) c r e a t e m u t e x( n u l l , f a l s e. s ) # d e f i n e e n t e r _ c r i t 工 c a l ( s ) w a i t f o r s i n g l e o b j e c t ( s 工 nf 工 ni t e) # d e f i n e l e a v e c r i t i c a l( s ) r e l e a s e m u t e x( s ) 壮 d e f i n e f r e e c r 工 t 工 c a l( s ) c l o s e h a n d l e( s ) # d e f i n e w a i t f o r _ s 工 n g l e o b j e c t ( a ) w a i t f o r s i n g l e o b j e c t ( a i nf 工 ni t e) # d e f i n e b t c l o s e 托a nd l e( a) c l o s e h a n d l e( a) # d e f i n e c