初探BLE控制层（nimble）

控制层描述

LL层是整个BLE协议栈的核心，也是BLE协议栈的难点和重点。LL层要做的事情非常多，如：识别空口报文，射频通道选择，时序控制（收发报文计划调度、超时处理），数据完整性，重传机制等

LL报文格式
Advertising PDU

Header字段（2byte）：

PDU TYPE：

RFU：保留位

Chsel：5.x特有，如发起状态信道算法选择标志，1：启用算法2进行射频信道自适应调制，0：表示使用默认算法1进行射频信道自适应调制。

TxAdd,RxAadd：两个都是说明设备地址的类型的，当某位为“1”时表示 Random Add(随机地址)，当为“0”时表示 Public Add(公共地址)，（并不是所有公告报文都使用了该字段）

Length：4.x协议Length占用6 bit（pdu 有效载荷范围2~39byte），5.x协议length占用8bit（pdu有效载荷范围255byte）

DATA PDU

Header：占用16bit或者24bit

LLID：链路标识符，

01- L2CAP 消息的延续片段，或者PDU为空

10-L2CAP消息开始或者完整的L2CAP消息

11-控制PDU

MESN：下一个期望序列号

SN：当前消息序列号

MD：更多数据

CP：CTEInfo存在标志-5.x特有

RFU：预留字段

Length：有效载荷长度（4.2以下占用6bit，4.2以上占用8bit）

CTEInfo：CTEInfo字段指示恒定音调扩展的类型和长度-5.x特有

射频通道

BLE蓝牙射频频段1.4G ISM频段（2400MHz~2483.5MHz）,一共40个信道，4.x：37个数据通道,3个固定广播通道（37，38，39）；5.x：37个数据通道也可以用于辅助广播通道，3个主广播通道（37，38，39）。

调频算法用于数据连接中，数据信道有 37 个，具体选择哪一个

如下调频公式（ALG1）：

UnmappedChannel:使用的数据通道

lastUnmappedChannel：上一次使用的数据通道（第一次连接事件开始时该值为0）

hopIncrement：调频增量，连接过程由主机指定（范围5~16），且可通过 LL_CHANNEL_MAP_IND 控制报文进行更新

控制层面维护着信道的unkown/dad/good 3种状态，当检测到信道当前信道不可用，则可用信道需要更新，通过一下方式重新计算：

UnmappedChannel = usedChannel[remappingIndex]

remappingIndex：映射index，用于计算选择下一个数据信道

UnmappedChannel：当前使用数据信道

numUsedChannels：所有可用信道得总统计（在连接阶段由主机端CONNECT_REQ

发布）

通过以下流程可以得到下一个数据通道：

举例：ChanelMap=00011110 00000000 11100000 00000110 11111110b

-> usedChannel[]={1,2,3,4,5,6,7,9,10,21,22,23,33,34,35,36}

假设当前数据信道10，选择下一个数据通道：

remappingIndex = 10 % 16 = 10

UnmappedChannel = usedChannel[remappingIndex] = usedChannel[10] = 22

如下调频公式（ALG2）：待补充

LL状态机

链路层的操作可以用状态机来描述，如下为链路层状态机迁移，通过状态迁移实现链路层对流程控制。

STANDBY状态：就绪状态是一个默认的状态，在这个状态是不能进行数据收发的，它可以进入广播状态、扫描状态和发起状态

ADVERTISE状态：在广播状态下，链路层在广播事件中发送广播 PDU 。广播事件在4.x协议中共有 4 种（具体报文详细如2.1.1.章节）：

1）非定向可连接事件(ADV_IND)

2）定向可连接事件(ADV_DIRECT_IND)

3）非定向不可连接事件(ADV_NONCONN_IND)

4）非定向扫描事件(ADV_SCAN_IND)

SCANNING状态：扫描状态分为主动扫描和被动扫描

主动扫描：由扫描端设备主动发起SCAN_REQ扫描请求，获取广告端详细信息具体如下图：

被动扫描：被动收取对等设备广告报文，具体如下图：

Initiating态：发起态进入连接后成为主机设备。它做的工作是在扫描之后发送连接请求（非同一个广告窗口完成）。当接收到了扫描应答后，发送连接请求事件，从而跳出发起态并进入连接状态成为Master。

Connection态：主机端由发起态通过对CONNECT_REQ PDU 的发送进入，从机端通过接收CONNECT_REQ PDU进入(5.x协议回应AUX_CONNECT_RSP),并进入连接事件情节

设备如何进入连接状态成为从机与主机如下：

Nimble ll代码结构解析

Nimble ll 层主要由以下几大部分组成：

ble_ll_hci :主要对接host接口，接收host cmd解析处理，回应host event，接收与回应data pdu

ble_ll:可理解为ll层中转站，维护着链路层的状态机，通过ll_evq(queue)收取需要ll处理的事件（收取广播与数据报文处理等），收发完成由ll层完成状态迁移等工作

ble_ll_adv：所有的广播处理都在该模块

ble_ll_scan：扫描状态时由该模块负责驱动处理

ble_ll_conn：连接过程处理，以及连接成功后对每一个连接事件处理

ble_ll_ctrl：完成连接之后，对连接事件中收发ctrl pdu处理

ble_ll_sched：ll层计划调度器，定时运行，满足ll层每一个事件（公告事件，扫描事件，连接事件）的调度时间,芯片的射频收发器只有一个，ble支持多链路共存，就会存在不同链路竞争同一个射频收发器的情况，调度器起仲裁者的作用，决定某个时刻资源由哪个链路使用

ble_ll_whitelist：白名单列表，维护设备地址白名单机制，即运行特定设备与本机通信，通过白名单，可以只允许特定的蓝牙设备（白名单中列出的）扫描（Scan）、连接（connect）设备，也可以只扫描、连接特定的蓝牙设备（白名单中列出的）

PHY层由以下几部分组成：

ll_phy：物理层主要负责与硬件打交道，包含发送报文，收发中断处理包含发送完成中断，收包开始与结束中断，超时中断等一系列中断处理，且控制着数据帧之间的传输帧间隔处理

ll_hw：为ll提供操作硬件寄存器的接口，从而完成一些特定的功能，如白名单列表。

基于状态机详解Low Layer层逻辑处理:

公告态

每一个完整的公告流程称为一个公告事件,两个关键词advInterval与advDelay：

advInterval：广告间隔，在两个连续广播事件间的时间即为广播时间间隔，为625us的倍数范围（20ms~10.24s）

advDelay：延时随机数，在每一个广播事件中都有，设备间的时钟会有不同程度的漂移，所以这个随机延时的作用不但能消除设备之间时钟漂移，还能避免相同信道及时间点上的冲突。范围（0ms~10ms）

则一个公告事件时间为：T_advEvent = advInterval + advDelay

如下为多个广告事件：

非定向可连接事件以及定向可连接时间事件规定advInterval>=20ms，可扫描的无定向事件类型或不可连接的无定向活动类型，则advInterval>=100 ms。

如下图为ADV_IND公告时间处理要求：

在公告状态下公告可连接或者可扫描的公告时，本端应支持其广告请求或者连接请求处理，并在规定时间范围内完成如下图（可扫描被触发）：

如下图（可连接被触发）：

LL层公告状态代码处理流程以及关键数据结构：

扫描态

当主机指示时，链路层应进入扫描状态。扫描时，链路层应监听主要广告实体PDU类型的信道和主机指示的PHY上的信道。扫描被分为被动扫描与主动扫描，扫描态有两个关键词：扫描窗口与扫描间隔。

scanWindow和scanInterval参数应小于40.96（10.24）秒scanWindow应小于或等于scanInterval。如果主机将scanWindow和scanInterval参数设置为相同的值，则链接层应连续扫描（625us的倍数）

主动扫描：主动扫描在扫描阶段尽量减少来自多个扫描设备的扫描请求PDU的冲突，使用退避过程避免，有两个关键名词backoffCount与upperLimit，用来限制扫描响应PDU上发生冲突时发送的扫描请求PDU的数量。在发送扫描请求PDU之后，链路层侦听来自该广告客户的扫描响应PDU。如果没有从该广告客户接收到扫描响应PDU，则视为失败；每两次连续失败，upperLimit将加倍，直到达到256的值。每连续两次成功，上限值减半，直到达到1的值。在成功或失败接收扫描响应PDU之后，链路层将backoffCount设置为介于1和upperLimit之间的新随机整数

对于每个接收到的ADV_IND、ADV_SCAN_IND或扫描筛选器策略允许的可扫描AUX_ADV_IND PDU，并且要为其发送扫描请求，backoffCount递减1，直到其值为零。扫描请求PDU仅在backoffCount变为零时发送。

发起态

发起态的流程比较简短主要和连接态-主机端一起分析

连接态-从机

连接态-主机

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