简介

本项目是基于Zephyr Project进行二次开发的，去除了OS调度部分，只保留了Bluetooth的Host协议栈。项目地址：bobwenstudy/zephyr_polling (github.com)。文档地址：Welcome to Zephyr_polling’s documentation!。

本项目目前已经同步到Zephyr 3.3.0版本。

一般蓝牙协议栈分为Host和Controller两个部分，根据是否包含BR/EDR还是LE，分为如下形式。

作为一个蓝牙芯片协议栈开发者，既做过Controller也做过Host，同时在多家公司任职过，接触过包括rwip\ceva\bluedroid\bluez\btstack\nimble\softdevice以及各种自定义协议栈（擅长的不多，哈哈），总体就是各个协议栈都有各自的写法，不管是代码风格还是环境都各不相同。

Controller侧，虽然Controller要实现RF操作，和硬件行为强相关，不可避免代码差异大。但是Spec有明确规定HCI接口，大家都有一个标准可以遵循，API相对统一，从A切换B其实只要有HCI接口就能方便的使用。

如下图所示，Host和Controller之间通过HCI连接，对于BLE而言只有C/E、ACL、ISO这4个通道。

Host侧，Spec只是规定了行为并没有规定接口，那就是天马行空，各家方案的API差异很大，学习成本较高，并且迁移成本也高，而且文档基本上都是靠代码、例程来学习，有些API还不是很友好。

现行的开源Host协议栈还是比较多的，下面做一个简单的介绍：

名称	开源协议	双模支持	持续维护	OS/轮询	备注
bluedroid	开源免费	是	是	OS	Android所使用的蓝牙协议栈，功能比较全，但是Profile层是在Java实现的，所以有个JNI层，相应的行为就复杂了一些。
BlueZ	开源免费	是	是	OS	Linux系统所使用的蓝牙协议栈，没深入理解，但是bluedroid的是从blueZ演变过来的，记得Android4.0之前用的还是blueZ，后面改成了bluedroid。
Zephyr	开源免费	是(经典蓝牙实现较少)	是	OS	本文所基于的协议栈，蓝牙之前其中的一个部分，包含Controller的实现，API很不错，目前很火的开源协议栈，没事大家可以上去学点东西，后面详细来讲。
btstack	商业收费	是	是	轮询	整体就是为了满足低成本方案设计来做的，没有OS需求，协议栈的调度就是轮询架构，可以轻易的porting到任何平台中，功能也全，本项目的架构也是参考这一项目来实现的。里面有很多芯片的Porting实现。
nimble	开源免费	BLE	是	OS	没深入了解，不过很久没维护了，最近突然又开始维护了，好像是乐鑫开始用他们的方案。

从上述可以看出，除了btstack在设计之处就是为了方便Porting存在的，其他方案都是捆绑了自己的OS。

这块其实做的比较好的还是btstack，不过其商业是收费的，文档这块其实也不太多，同时其是极简实现的方案，所以使用体验上并不是很舒服，数据缓存之类都需要在应用层做。

改动说明

作为一个芯片开发人员，国内大多数芯片方案还是资源受限的平台，不管对于Code Size，RAM Size都非常敏感；同时对于低功耗设计，Retention RAM的大小也至关重要。上述协议栈在各自的领域都做的不错，但是对于国内市场需要开源免费、API友好、Code/RAM/Retention Size精简的需要来讲，多少还是有一些缺陷的。

基于这一现状，基于Zephyr的蓝牙子系统，保留其API和蓝牙协议实现，做出如下调整：

• 调度方式，由原本基于Zephyr OS调度，调整为轮询调度方式，以便于后续移植到其他平台，并减少对CPU mips的占用。
• buffer管理，移除关于多thread的操作，保留pool和net_buf设计。
• 配置系统，保留kconfig配置架构，支持.h单独配置方式，简化配置复杂度。
• 存储系统，由原本的setting架构调整为简易的kv结构。
• 系统架构，调整为btstack架构。
• hci操作，原本有很多同步操作，调整为异步操作。
• Retention RAM分离，Zephyr本身需要的RAM还是比较大的，将pool等大块memory调整为非retention设计，以便低成本方案移植需要。
• API，移除同步操作接口，其他接口全部保留。
• 代码风格，依然基于.clang-format来格式化代码，但是zephyr蓝牙部分的代码风格和他OS说明好像并不相同，所以重新定义了一个我自己舒服的格式。
• 编译系统，全部基于makefile来组织编译，方便大家移植。

系统架构

蓝牙协议栈为Zephyr的结构，系统总体架构参考Btstack的实现，总体结构如下图所示。

如上图所示，系统主要分为5个部分，代码结构如下所示：

• chipset：各家厂商在使用之前需要进行一些配置，有些是因为芯片是rom化版本，需要加载patch，有些要配置RF参数，有些要配置蓝牙地址等。
• example：各种蓝牙例程，基本是照搬zephyr的来，当然会加入一些新的case。
• platform：移植时重点关注的部分，蓝牙协议栈运行需要用到一些平台资源，不同平台有不同实现方式，主要包括log、timer、storage_kv和HCI接口的实现。
• porting：程序的主入口，这些会将platform/chipset和协议栈接口进行绑定，并启动example，最后对协议栈进行调度。
• src：zephyr的蓝牙协议栈部分，具体实现蓝牙协议栈的具体细节。

zephyr_polling
 ├── chipset
 │   ├── csr8510_usb
 │   └── csr8910_uart
 ├── example
 │   ├── beacon
 │   ├── broadcaster
 │   ├── central
 │   ├── observer
 │   ├── peripheral
 │   ...
 ├── platform
 │   └── windows
 │   ...
 ├── porting
 │   ├── windows_libusb_win32
 │   └── windows_serial
 │   ...
 └── src
     ...

使用说明

环境搭建

目前暂时只支持Windows编译，最终生成exe，可以直接在PC上跑。

目前需要安装如下环境：

• Python3，用于Kconfig，代码格式化，RAM&ROM分析等，编译工具类都用这个。
• GCC环境，笔者用的msys64+mingw，用于编译生成exe，参考这个文章安装即可。Win7下msys64安装mingw工具链 - Milton - 博客园 (cnblogs.com)。

Python环境准备

python装好后，还需要安装一些环境，运行python_require_env.py脚本就会安装所有所需的python环境。

python python_require_env.py

编译说明

本项目都是由makefile组织编译的，编译整个项目只需要执行make all即可，调用make help可以查看帮助。

根据具体需要可以调整一些参数，目前Makefile支持如下参数配置。

• APP：选择example中的例程，默认选择为beacon。
• PORT：选择porting中的环境，也就是当前平台和HCI接口类型，默认选择为windows_libusb_win32。
• CHIPSET：选择chipset中的芯片种类，默认选择为csr8510_usb。

也就是可以通过如下指令来编译工程：

make all APP=beacon PORT=windows_libusb_win32 CHIPSET=csr8510_usb

HCI Dongle部署

在PC环境下，常见的设备有USB设备和UART设备，下面分别对这两个设备进行部署。

USB设备使用

为了能操作这些USB蓝牙dongle，默认使用的驱动是蓝牙的驱动。所以需要更改设备所使用的驱动。

• Step1：下载Zadig。
• Step2：菜单栏点击Options -> List All Devices。

• Step3：通过下拉选中当前连接的蓝牙dongle，更换设备driver为libusb-win32，如下图所示，过一会就换好驱动了。

UART设备使用

这个直接看以下设备的串口号，在代码里面配置好后就可以正常使用了。（这块还没做，准备放在Makefile中操作）

支持芯片列表

makefile中配置CHIPSET，后续不断完善。

厂商	chipset	接口	蓝牙版本	类型
CSR	csr8510	USB	4.0	Dual Mode
CSR	csr8910	UART	4.0	Dual Mode
炬芯-Actions	ats2851	USB	5.3	Dual Mode
Nordic	pts_dongle	UART	5.3	LE Only

蓝牙配置

用的就是zephyr的Kconfig配置，使用办法就是输入如下指令：

make menuconfig

和zephyr一样，支持持久化配置和临时配置，各个example里面有一个prj.conf作为特定应用的永久化配置，当然使用过程中可以随时通过menuconfig调整配置，但是注意需要保存时，将差异保存在prj.conf中，不然下次clean后会失效。Kconfig的使用说明可以参考：从零到一搭建Kconfig配置系统。

kconfig生成的autoconfig.h保存在output目录下。

注意：考虑到部分项目不想使用kconfig的配置方案，生成autoconfig.h的使用在src\bt_config.h中通过include导入，也就是说可以在其他环境下生成好autoconfig.h，而后将生成的autoconfig.h保存在src目录下即可。

调试

日志系统

参考btstack，系统支持多种debug方式，生成的日志文件保存在output/log目录下：

名称	分析软件	备注
btsnoop(.cfa)	frontline/eclipse	分析蓝牙协议最好的一个协议存储格式
packet_logger(.pklg)	wireshark	暂不支持，苹果推出的一个日志分析格式，支持log+协议分析
日志(.log)	文本编辑器	将终端的日志保存成文件，方便离线分析

RAM_Report&ROM_Report

参考zephyr，对生成的elf进行分析，最终会生成ram.json和rom.json。这两个文件也可以导入到nordic的vscode环境下，可以借助其图形化工具进行分析。

注意：windows环境暂时不可用，只能对elf进行分析。