蓝牙BLE的基础知识

蓝牙技术的起源

  • 蓝牙的创始人是瑞典爱立信公司1994年开始研发

  • 1998 年 2 月，5 个跨国大公司，包括爱立信、诺基亚、IBM、东芝及 Intel 组成了一个特殊兴趣小组（SIG） ，他们共同的目标是建立一个全球性的小范围无线通信技术，即现在的蓝牙。

  • 蓝牙技术是以10 世纪的一位丹麦国王命名的。“蓝牙(Bluetooth)”一词来源于 10 世纪的丹麦国王 Harald Blåtand（英文姓名为 Harold Bluetooth） 。这位国王将四分五裂的局面统一起来的行为，与这种传输技术将各种设备无线 连接起来，有相似的地方。为了纪念他，SIG 将自己的无线技术取名“蓝牙” 。

蓝牙低功耗(BLE)

  • 从一开始就设计为超低功耗(ULP)无线技术。

  • 低成本，低功耗。

  • 快速启动，瞬间连接。最快 3ms低延迟。

  • 传输距离的提高。

  • 高安全性。使用 AES-128加密算法进行数据报加密认证。

蓝牙版本及 4.0 和BLE 的关系

  • 蓝牙技术联盟 ： (Bluetooth Special Interest Group, SIG)，是蓝牙核心规格版本及蓝牙技术的管理者，本身不负责具体的蓝牙产品的设计和生产等。蓝牙技术的发展经历了下面几个主要的版本：
  1. 蓝牙1.0：基本码率，Basic Rate，BR。
  2. 蓝牙2.0：增强码率，Enhanced Data Rata，EDR。
  3. 蓝牙 3.0：引入全新的交替射频技术(AMP: Alternate MAC/PHY)，允许蓝牙协议栈针对任一任务动态地选择正确射频，通过瞬间使用消费者设备中已存在辅助无线电提供更快的吞吐量。
  4. 蓝牙 4.0 是第一个综合性规范，其加入了全新的蓝牙低功耗技术，即蓝牙 4.0 集三种规格于一体，最重要的特点就是省电，可以使一粒纽扣电池连续工作数年。

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  • 各个版本蓝牙的对比

1.蓝牙4.0包括三个子规范，即传统蓝牙技术、高速蓝牙技术和新的蓝牙低功耗技术。 BLE是蓝牙4.0的一部分。最常见的两种蓝牙核心规格：BR/EDR 和BLE。

2.蓝牙 4.2 提升了 BLE 数据传输速度，支持长包传输，单个数据包最大可传输 255 个字节。同时改善了隐私保护程度。

3.蓝牙5.0相对于蓝牙4.2，具有2倍的数据速率、4倍的覆盖范围和 8 倍的广播能力：

  • 高速模式：支持 2Mbps数据速率，实现了数据吞吐量翻倍。

  • 远距模式：通过 500kbps 和 125kbps 速率的全新编码物理层 (PHY) 实现远距离覆盖。

  • 广播扩展：蓝牙BLE 有3个广播信道，之前的蓝牙BLE 版本中广播载荷通过全部
    三个广播通道进行发送，蓝牙 5.0中这三个通道仅用于发送指针，显示发送载荷的时间和地点，广播载荷仅在一个数据通道上传输一次。

蓝牙的三种标志和设备类型

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双模蓝牙：一般用于手机（可以传输音频和数据）

单模蓝牙：智能手环、手表（可以传输数据低功耗），如nRF51822

传统蓝牙：车载蓝牙播放器（可以传输音频功耗高）

双模蓝牙包含单模蓝牙和传统蓝牙，这两种技术使用同一个射频前端和天线，双模设备一般都有足够的供电能力，对低功耗的要求不高。

  • 兼容型

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BLE的体系结构

蓝牙低功耗包含三个部分：控制器、主机和应用程序。

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物理层 – 控制器

  • 调制方式：GFSK，高斯频移键控。
  • 工作在2.4GHz ISM 频段。频率范围：2.400-2.4835 GHz
  • 2.4G 被划分为 40个RF信道(f=2402+k*2 MHz, k=0, „ ,39)，信道间隔 2MHz，其中： 广播信道：3个，固定。 数据信道：37个，自适应跳频。
  • 无线速率：普通模式1Mbps、高速模式2Mbps。

ISM频段：(Industrial Scientific Medical Band)主要是开放给工业、科学和医用3个主要机构使用的频段。ISM频段属于无许可（Free License）频段。2.4G ISM 频段是唯一一个在所有国家都无需授权的频段，只需要遵守一定的发射功率即可。我们熟知的无线局域网、蓝牙、ZigBee 等无线网络，均可工作在2.4GHz ISM频段上。

链路层(LL) – 控制器

链路层负责广播、扫描、建立和维护连接，以及确保数据包按照正确的方式组织、正确地校验值和加密序列等。

  • 链路层状态机（非整个系统）

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  1. 就绪态：上电后，链路层进入并保持就绪态，直到接收到主机的命令。状态机的中心状态，处于其它状态下都可以进入到此状态。
  2. 广播态：发送广播报文和扫描响应。
  3. 扫描态：侦听广播设备。
  4. 发起态：发起连接。
  5. 连接态：唯一一个用到数据信道的状态，两个设备只有在连接态中才能互相传送数据。
  6. 链路层可能同时存在多个链路，同时拥有多个独立的状态机，但是链路层永远不能同时成为主从机。

就绪态、广播态、扫描态、发起态都只会用到广播信道，只有连接态会用到数据信道。

  • 链路层信道映射

广播信道：37 、38、39，对应的中心频率是 2402MHz，2426MHz，2480MHz。

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广播信道之间至少相差 24MHz。每次广播，都会在 3 个信道上将广播数据发送一次，这能有效地避免干扰，即使一个信道存在干扰，另外的信道也可以很好地工作，而三个信道同时被干扰的情况极少。

  • 为什么广播信道是 3个，而不是更多？

广播信道越多，各个信道同时受到干扰的几率越小，抗干扰性越强。但是广播信道越多，发射数据占用的时间就越长，功耗也就越高。所以，在综合考虑抗干扰性和功耗的情况下，SIG 将广播设定为3 个。

主机控制器接口(HCI) – 连接主机和控制器

主机控制器接口：处于主机和控制器之间充当适配器的作用，在两个层之间提供一个标准化的接口。控制器通过HCI发送数据和事件给主机，主机通过HCI发送命令和数据给控制器。

该层可以由应用程序接口 API实现或者使用硬件接口UART、 SPI或 USB来控制。

逻辑链路控制和适配协议(L2CAP) – 主机

  • L2CAP 层向上层提供数据封装服务，从而使逻辑上允许端到端的数据通信。
  • L2CAP 提供可复用，分割和重组的面向连接或者无连接的数据服务。L2CAP 数据包可以达到64K。L2CAP 允许每个L2CAP 通道流控和重传。

和TCP/IP协议一样，从下往上一层一层不断封装协议头，上一层把下层送来的数据整个当做数据正文并添加本层自己的协议头。

安全管理层(SM) – 主机

安全管理层SM(Security Manager)提供配对和密钥的分发。

属性协议(ATT) – 主机

属性协议(ATT)规定了怎样去访问对端设备的数据，数据存储在属性服务器的“属性”
里，供属性客户端进行读写操作。

对端设备：连接后另一方。

通用属性配置文件(GATT) – 主机

通用属性配置文件(GATT)建立在属性协议的基础上，GATT 通过使用ATT 协议层定义
了如何发现与使用服务、特征和描述符的标准方法。

  • 客户端与服务器架构：GATT定义了两个角色：服务器和客户端
  • 服务器：客户端提供数据服务，就是数据中心。 （从机）
  • 客户端：从服务器读写应用数据，就是访问数据者。 （主机）

客户端去服务器取数据（主机去从机取数据）

客户端和服务器：是GATT层的概念。

主机从机：是针对链路层来说的。

外围设备、中央设备：GAP层的概念。

通用访问配置文件(GAP)

GAP 层负责处理设备的接入方式和过程，包括设备发现，链路建立，链路终止以及实现绑定。

GAP服务包含了5个特征：设备名称、外观特征、外围设备首选连接参数、中心设备地址解析和可解析私有地址。

  • Device Name特征 – 设备名

Device Name（设备名称）特征应包含 UTF-8字符串的设备名称，一个设备只允许有一个设备名称，长度范围是 0~248 字节。如果设备是可发现的，设备名称特征应不需认证或授权即可读，如果设备是不可发现的，设备名称特征在没有认证或授权时应不可读。

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  • Appearance特征 – 外观

外观是一个16位的数值，外观由SIG 定义，用来列举设备的外观样式，一个设备只允许有一个外观特征。 通过图标向用户展示设备。

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如何获取外观的编码？可以在 SIG网站上查到，网址如下： https://www.bluetooth.com/specifications/gatt/viewer?attributeXmlFile=org.bluetooth.characteristic.gap.appearance.xml 也可以在BLE 工程的“ble_types.h”头文件中查到。

  • PPCP特征 – 外围设备首选连接参数

外围设备首选连接参数（The Peripheral Preferred Connection Parameters (PPCP)）特征包含了外围设备倾向的连接参数，一个设备只允许有一个外围设备首选连接参数。外围设备首选连接参数必须可读，而且必须不可写。

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  • Central Address Resolution特征 – 中心设备地址解析

蓝牙4.2为了提高蓝牙的安全性，增加了随即地址，Central Address Resolution（中心设备地址解析）用来定义设备是否支持地址解析隐私，一个设备只允许有一个中心设备地址解析特征。

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0：该设备不支持地址解析，1：该设备支持地址解析

  • Resolvable Private Address Only特征 – 可解析私有地址

设备应通过读取Resolvable Private Address Only特性来检查对端设备是否仅在绑定后使用可解析私有地址（RPA）。 Resolvable Private Address Only特性定义设备是否仅将 Resolvable Private Addresses（RPA）用作本地地址，如下表所示。

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0：绑定后，只有可解析私有地址用作本地地址

应用层

应用层定义了三种种类型：特征（characteristic）、服务（service）和配置文件（profile）。

  • 特征：采用已知格式、以通用唯一识别码（UUID）作为表示的一个小块数据，由于特征要求能够重复使用，因而设计时没有涉及行为，特征被定义为计算机的可读格式，当计算机遇到一个从未接触过的特征时，计算机可以去更新这个特征的读取规则，从而正确读取特征，并向用户展示读取的特征。

  • 服务：服务是人类可读的一组特征及其相关的行为规范，只定义了位于服务器上的相关特性和行为，而不定义客户端的行为。服务有两种类型，首要服务和次要服务，一个服务是首要服务还是次要服务取决于服务的定义，首要服务表征一个给定的设备主要做些什么。正是通过这些服务，用户才了解到该设备是做什么的。次要服务是那些协助主要业务或其他次要服务的服务。

  • 配置文件：是用例或应用的最终体现。配置文件是描述一个或多个设备的说明，每一个设备提供一个或多个服务，配置文件描述了如何发现和连接设备，从而为每台设备确定了拓展结构，配置文件还描述的客户端的行为，用于发现服务和服务特性。

  • 这里可以用面向对象的思想来理解这些概念：

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服务是服务器特有的，客户端不会有服务。

小结：

1.蓝牙4.0以前的叫传统蓝牙，功耗高。

2.蓝牙4.0后叫低功耗蓝牙，只搭载低功耗蓝牙的叫单模蓝牙BLE。

3.将传统蓝牙和低功耗蓝牙合并搭载在一个设备的叫双模蓝牙。

4.低功耗BLE分三部分：控制器、主机、应用。主机和控制器之间通过HCI主机控制器接口适配。

5.BLE广播信道道37、38、39，每个信道相隔24MHZ（为了防止一时刻同时被干扰），其余都是数据信道。

6.链路层状态机的状态，只有连接态使用了数据信道，其他的状态都是使用广播信道。

7.应用层：包含有特征、服务、配置文件三个概念。

8.主机、从机是链路层的概念，服务器、客户端是GATT通用属性配置文件层的概念、外围设备、中央设备是GAP通用访问配置文件的概念。

LE：Low Energy

ATT属性配置文件主要向应用提供特征、GATT访问配置文件主要向应用提供服务。

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BLE广播、扫描和连接事件

广播事件 – 连接前

  • 通用广播：常用。可以被扫描，接收到连接请求时可作为从设备进入一个状态机的连接态。
  • 定向广播：快速连接指定设备。广播占满整个广播信道，数据净荷：广播者和发起者地址，发起者收到这个定向广播后，会立即发送连接请求。
  • 不可连接广播：只向外广播数据，不能被连接。
  • 可发现广播：不可连接，但可以响应扫描。

广播的设备在（接受连接请求）连接后成为从机，扫描的设备在（发起连接请求）连接后成为主机。

BLE 广播间隔：是指两次广播事件之间的最小时间间隔，一般取值范围在20ms-10.24S
之间，链路层会在每次广播时间期间产生一个随机广播延时时间（0ms-10ms）。

扫描事件 – 连接前

每次扫描，设备打开接收器去监听广播设备，这称为一个扫描事件，扫描事件有两个时
间参数扫描窗口和扫描间隔：

  • 扫描窗口(scan window)：一次扫描进行的时间宽度。
  • 扫描间隔(scan interval)：两个连续的扫描窗口的起始时间之间的时间差，包括扫描休息
    的时间和扫描进行的时间。

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连接事件 – 连接后

  • 一个连接事件是指主设备和从设备之间相互发送数据包的过程。
  • 所有的数据交换都是通过连接事件来完成。
  • 每个事件发生在某个数据通道（0~36） 。
  • 一个连接中，主从设备依靠连接事件交换数据。
  • 设备连接后，无论有无数据收发，连接事件都在按照设置的连接参数周而复始的进行着，
    直到一方停止响应。
  • 主机与从机可在单次连接事件进行多次数据传输。

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主机和从机通过连接事件发生数据交换，所以它们大部分时间在休息，只有发生连接事件的时候工作一会，这就是BLE能保证低功耗的一个原因。

连接参数 – 在主从机连接后协商

  • 连接间隔：必须是 1.25ms 的倍数，范围是从最小值 6（7.5ms）到最大值 3200（4.0s）。间隔参数包括两个 16位的值，第一个为最小连接间隔，第二个为最大连接间隔。
  • 从机延迟：这个参数描述了从机跳过连接事件的次数。。这使外围设备具有一定的灵活性，
    如果它不具有任何数据传送，它可以选择跳过连接事件，并保持睡眠，从而提供了一些
    积蓄力量。这一决定取决于外围设备。
  • 监督超时：这是两个成功的连接事件之间间隔的最大值。如果超过这个时间还未出现成
    功的连接事件，那么设备将会考虑失去连接，返回一个未连接状态。这个参数值使用
    10ms 的步进(10ms 的倍数)。监督超时时间从最小 10（100ms）到最大 3200（32.0s）。
    同时超时时间必须大于有效连接事件。

连接参数在主机和从机进入连接态后，主机向从机发送，从机可以接收或者拒绝主机的连接参数，从机拒绝后会断开连接。

连接间隔越短代表主从机处于工作的时间越频繁，这样数据传输的实时性越高，同时功耗也越高。再不严格要求实时性的情况下，增加连接间隔和设置从机延时可降低从机的功耗。

短连接间隔 高功耗，高数据吞吐量，发送等待时间短
长连接间隔 低功耗，低数据吞吐量，发送等待时间长
低或者0潜伏值 从机在没有数据发送的情况下高功耗，从机可以快速的收到主机的数据
高潜伏值 从机在没有数据发送的情况下可以低功耗；从机无法及时收到主机的数据，但主机能及时收到从机的数据

Profile、Service 、Characteristic 和UUID 解释

profile（配置文件）

profile是 Service 的集合，它是预定义的，并不是实际存在于设备中，所以在外围设备
的代码中，我们看不到 profile 的实现代码。Profile 分为标准的和自定义的，标准的 profile
是由 SIG 定义和发布的，如心率 profile、防丢 profile，自定义的 profile 是由开发者自己定
义，如SDK中的蓝牙串口透传的 profile。标准的 profile可以在 SIG的网站上查到，网址如
下：
https://www.bluetooth.com/specifications/gatt

一个profile文件可以包含一个或者多个服务，如心率profile包含了Heart Rate Service
（心率服务）和Device Information Service （设备信息服务），从 SIG网站上下载心率 profile，打开后可以看到心率传感器服务需求表格，由表中可以看到心率 profile规定必须包含Heart Rate Service和Device Information Service

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M：强制要求的。

Service（服务）

服务是一组特征和它们公开的行为的集合，一个服务可以包含一个或多个特性。Service
也分为标准的和自定义的，标准的 Service 是由 SIG 定义和发布的，如心率 Service、防丢
Service，自定义的 Service 是由开发者自己定义，如 SDK 中的蓝牙串口透传的 Service。标
准的Service可以在SIG 的网站上查到（网址同 profile）

Characteristic（特征）

特征是具有特定意义的数值，如心率、温度值等等。BLE 主从机之间的数据传输实际
传输的就是特征值。

UUID

UUID(Universally Unique Identifier)是一个 128位的数字，用来标志属性的类型。Service
和Characteristic都是一种属性，都需要一个唯一的UUID 来标识。

  • 既然UUID 是128 位的数字，那么为什么有 16位的UUID？

因为128位的UUID相当长，设备间为了识别数据的类型需要发送长达16字节的数据。
为了提高传输效率，蓝牙技术联盟(SIG)定义了一个“UUID 基数”，结合一个较短的 16位数
使用。二者仍然遵循通用唯一识别码的分配规则，只不过在设备间传输常用的 UUID时，只
发送较短的16位版本，接收方收到后补上蓝牙 UUID 基数即可。

profile（配置文件）是一个抽象的东西，在实际中并不存在，是多个服务的集合。

Service（服务）、Characteristic（特征）、UUID都是具体存在的东西。

小结：

1.主从机进入连接态之前有：广播间隔（20ms-10.24s）、扫描间隔（包含扫描窗口、休息时间）

2.扫描间隔的时间不能大于10.24s，扫描窗口等于扫描间隔代表主机一直在扫描，没有休息时间。

3.主从机进入连接态之后有：连接间隔（1.25ms的倍数，7.5-4.0s），主从机只有在连接事件时交换数据，其余时间休息。

3.profile是一个抽象的东西，Service和Characteristic都需要一个唯一的UUID来标识。

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嵌入式基础–解析字符串之模式匹配

嵌入式基础–解析字符串之模式匹配

接上一篇文章嵌入式基础–解析字符串(1)，笔者给大家介绍一个更加简单的解析工具，那就是sscanf。

热身

大家在上C语言课，做C语言课程设计或实验时，应该经常接触printf和scanf，前者打印字符中到标准输出，而后者从标准输入读取并解析字符串。

sscanf和scanf类似，只不过它并不从标准输入读取，而是直接解析用户传入的字符串。

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int sscanf(const char *str, const char *format, ...);
  • str 待解析的字符串
  • format 格式化参数
  • … 变长参数，为一系列用于存放解析结果的变量的地址
  • 返回成功解析的字段数量

格式化参数是啥意思？我们先来热身下。

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static void test(void)
{
 const char *str = "Today is 2021.7.31";

 int year = 0;
 int month = 0;
 int day = 0;
 int ret;

 ret = sscanf(str, "Today is %d.%d.%d", &year, &month, &day);
 printf("ret=%d, year:%d, month:%d, day:%d\n", ret, year, month, day);
}

"Today is %d.%d.%d"为格式化参数，里面有普通字符，如Today is，和格式说明符，%d表int类型。sscanf依据格式化参数来解析str。对于普通字符，sscanf检查str是否与其一致。对于格式说明符，则按其含义来提取str中的内容，并将结果存入地址参数中。上述代码演示了提取年月日信息的方法，结果如下：

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ret=3, year:2021, month:7, day:31

如果还是对格式化参数没有印象的话，同学，你肯定没认真上C语言课，要不翻书复习下呗。笔者今天不是想从零开始讲sscanf，而是介绍一个鲜为人知的用法。

问题

再看一个例子，解析域名和端口号。

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static void test2(void)
{
 const char *str = "www.baidu.com:80";

 char addr[64] = "";
 int port = 0;
 int ret;

 ret = sscanf(str, "%s:%d", addr, &port);
 printf("ret=%d, addr:%s, port:%d\n", ret, addr, port);
}

%s用于解析字符串（域名），%d用于解析int（端口号）。结果如下：

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ret=1, addr:www.baidu.com:80, port:0

这并不是我们期望的结果，sscanf将域名和端口号都当字符串来解析了。这是因为%s对应的字符串，遇到空白字符（空格、换行）或者是’\0’才算结束。结束之后，sscanf才会去理会:%d。

上述情况属于：想让字符串结束却没结束，从而解析了过多的内容。有时还会遇到相反的情况，请看下一个例子：

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static void test3(void)
{
 const char *str = "how are you";
 char buf[64] = "";

 sscanf(str, "%s", buf);
 printf("%s\n", buf);
}

本想解析出完整的how are you，而输出的结果只有how。

模式

使用%s来匹配字符串，会受到很大的限制。但这并不意味着sscanf不好用，其还有一种匹配字符串的方法，那就是模式匹配。

模式的格式为：%[pattern]，其中的pattern用于定义一个字符集，待匹配的字符串由这个字符集组成。pattern可以是多个字符，也可以使用-定义一个范围，还可以使用^反向定义字符集。说着有点抽象，让我们看些具体的示例吧。

  • %[abcd] 匹配由a,b,c和d组成的字符串。比如对于abcdefg这个字符串，其会匹配abcd。
  • %[^abcd] 当pattern由^开头时，其匹配pattern字符集以外的字符。因此，对于gfedcba这个字符串，其会匹配gfe。
  • %[0-9a-fA-F] 其组成的字符集为0123456789abcdefABCDEF，其实就是16进制数字字符。

当使用-定义范围时，需要注意，起始字符必须小于结束字符。%[z-a]匹配的就不是范围，而是z,-和a这3个字符。

如果你学过正则表达式的话，对上述模式应该很熟悉。只不过，sscanf提供的模式匹配的功能比正则表达式简单的多。笔者在知道sscanf的这种隐藏用法后，屡试不爽，用的最多的就是^。

现在大家知道如何解析域名和端口号了吗？

要不再思考一下？

好了，答案如下：

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static void test2_fix(void)
{
 const char *str = "www.baidu.com:80";

 char addr[64] = "";
 int port = 0;
 int ret;

 ret = sscanf(str, "%[^:]:%d", addr, &port);
 printf("ret=%d, addr:%s, port:%d", ret, addr, port);
}

是不是非常简单，既然域名是:之前的内容，那就定义为%[^:]。

解析GPS

现在可以用sscanf来解析GPS了，GPS样例如下：

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$GNRMC,122921.000,A,3204.862246,N,11845.911047,E,0.099,191.76,280521,,E,A*00

直接上代码：

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static void parse_gps(const char *gps)
{
    char valid = ' ';
    double longitude = 0;
    double latitude = 0;
    int ret;

    ret = sscanf(gps,
             "$GNRMC,%*[^,],%c,%lf,%*c,%lf,%*c,",   /* UTC,valid,latitude,ns,longitude,ew,  */
             &valid, &latitude, &longitude);

    LOG_D("parse gps(%s)", gps);


    if (ret != 3)
    {
        LOG_E("fail");
    }
    else
    {
        LOG_D("succeed, valid:%c, latitude:%lf, longitude:%lf", valid, latitude, longitude);
    }
}

下图标出了格式化参数中各格式说明符对应的字段。image-20210804115931305第二个说明符，%*[^,]用于匹配时间122921.000。与之前不同的是，这里多了一个*，这表示不用解析对应字段的内容，后面的地址参数中也没有相关变量。你看，&valid, &latitude, &longitude分别存放有效标志字符，纬度和纬度，并没有时间变量的地址。%*c同理。

测试时，用3个用例进行测试，以测试成功和失败的场景。

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void parse_string_example(void)
{
    const char *strs[] =
    {
            "$GNRMC,122921.000,A,3204.862246,N,11845.911047,E,0.099,191.76,280521,,E,A*00",
            "hello world",
            "$GNRMC,,,,,,,,,,,,*00"
    };

    LOG_I("test parse string");

    for (int i = 0; i < ARRAY_SIZE(strs); i++)
    {
        parse_gps(strs[i]);
    }

}

结果如下：image-20210804115917121

文中完整的示例代码，参见笔者基于stm32f407创建的demo工程：

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地址：[email protected]:wenbodong/mcu_demo.git
示例：examples/05_string/example.c
使用时需要打开examples/examples.h中的EXAMPLE_SHOW_STRING。

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通用外设接口 - 串口设备和SPI总线设备

通用外设接口

rtthread对常用的片内外设做了抽象，为同一类外设提供了通用接口，对于不同的MCU片内外设都可以使用同一套外设接口进行访问。

串口驱动框架

serial.c serial.h

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struct rt_serial_device
{
    struct rt_device          parent;  /* 设备基类 */

    const struct rt_uart_ops *ops;     /* 串口设备的操作方法，有串口设备驱动提供 */
    struct serial_configure   config;  /* 串口设备配置参数 */

    void *serial_rx;  /* 指向接收数据缓冲区 */
    void *serial_tx;  /* 指向发送数据缓冲区 */
};
typedef struct rt_serial_device rt_serial_t;

举例说明下ops里面串口的配置方法：

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// control方法是可以说是多个方法的集合，它根据 cmd 的不同，可以执行不同的操作：比如：开中断、关中断、配置串口dma、配置dma中断等
// arg 可以传入一些配置参数进来，类似指定是配置dma的tx还是rx这样的
static rt_err_t stm32_control(struct rt_serial_device *serial, int cmd, void *arg)
{
    struct stm32_uart *uart;
#ifdef RT_SERIAL_USING_DMA
    rt_ubase_t ctrl_arg = (rt_ubase_t)arg;
#endif

    RT_ASSERT(serial != RT_NULL);
    uart = rt_container_of(serial, struct stm32_uart, serial);

    switch (cmd)
    {
    /* disable interrupt */
    case RT_DEVICE_CTRL_CLR_INT:
        /* disable rx irq */
        NVIC_DisableIRQ(uart->config->irq_type);
        /* disable interrupt */
        __HAL_UART_DISABLE_IT(&(uart->handle), UART_IT_RXNE);

#ifdef RT_SERIAL_USING_DMA
        /* disable DMA */
        if (ctrl_arg == RT_DEVICE_FLAG_DMA_RX)
        {
            HAL_NVIC_DisableIRQ(uart->config->dma_rx->dma_irq);
            if (HAL_DMA_Abort(&(uart->dma_rx.handle)) != HAL_OK)
            {
                RT_ASSERT(0);
            }

            if (HAL_DMA_DeInit(&(uart->dma_rx.handle)) != HAL_OK)
            {
                RT_ASSERT(0);
            }
        }
        else if(ctrl_arg == RT_DEVICE_FLAG_DMA_TX)
        {
            HAL_NVIC_DisableIRQ(uart->config->dma_tx->dma_irq);
            if (HAL_DMA_DeInit(&(uart->dma_tx.handle)) != HAL_OK)
            {
                RT_ASSERT(0);
            }
        }
#endif
        break;

    /* enable interrupt */
    case RT_DEVICE_CTRL_SET_INT:
        /* enable rx irq */
        HAL_NVIC_SetPriority(uart->config->irq_type, 1, 0);
        HAL_NVIC_EnableIRQ(uart->config->irq_type);
        /* enable interrupt */
        __HAL_UART_ENABLE_IT(&(uart->handle), UART_IT_RXNE);
        break;

#ifdef RT_SERIAL_USING_DMA
    case RT_DEVICE_CTRL_CONFIG:
        stm32_dma_config(serial, ctrl_arg);
        break;
#endif

    case RT_DEVICE_CTRL_CLOSE:
        if (HAL_UART_DeInit(&(uart->handle)) != HAL_OK )
        {
            RT_ASSERT(0)
        }
        break;

    }
    return RT_EOK;
}

串口设备使用步骤：

1.串口设备实例化一个串口驱动设备对象，并通过rt_hw_serial_register()接口注册到设备框架中。

2.串口设备驱动框架通过rt_device_register()接口将设备注册到IO设备管理中。

3.应用程序通过IO设备管理提供的接口访问串口设备硬件。

串口设备时序图：

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@startuml
participant 应用程序 order 1
participant IO设备管理器 order 2
participant 串口设备驱动框架 order 3
participant 串口设备驱动 order 4
autonumber "<b>[0]"

串口设备驱动 -[#green]> 串口设备驱动: 创建串口设备
串口设备驱动 -[#blue]> 串口设备驱动框架: 注册串口设备 rt_hw_serial_register()
串口设备驱动框架 -[#blue]> IO设备管理器: 注册I/O设备 rt_device_register()

应用程序 -> IO设备管理器: 查找串口设备 rt_device_find()
应用程序 -> IO设备管理器: 打开串口设备 rt_device_open()
IO设备管理器 -> 串口设备驱动框架: rt_serial_open()
串口设备驱动框架 -> 串口设备驱动: 使能设备 control()
应用程序 -> IO设备管理器: 读串口数据 rt_device_read()
IO设备管理器 -> 串口设备驱动框架: rt_serial_read()
串口设备驱动框架 -> 串口设备驱动: 读取数据 getc()
应用程序 -> IO设备管理器: 关闭串口设备 rt_device_close()
IO设备管理器 -> 串口设备驱动框架: rt_serial_close()
串口设备驱动框架 -> 串口设备驱动: 关闭设备 control()
@enduml

时序图软件：plantuml

1.驱动注册到驱动框架：注册设备的操作方法

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// 驱动注册到驱动框架
rt_err_t rt_hw_serial_register(struct rt_serial_device *serial,
                               const char              *name,
                               rt_uint32_t              flag,
                               void                    *data)
{
    rt_err_t ret;
    struct rt_device *device;
    RT_ASSERT(serial != RT_NULL);

    device = &(serial->parent);

    device->type        = RT_Device_Class_Char;
    device->rx_indicate = RT_NULL;
    device->tx_complete = RT_NULL;

    device->ops         = &serial_ops;
    device->user_data   = data;

    /* register a character device */
    ret = rt_device_register(device, name, flag);  // 需要把device设备挂载到内核对象链表，驱动层没有这个权限，所以需要交给IO设备管理层去做

    return ret;
}

2.驱动框架注册到IO设备管理器：驱动框架设备挂载到内核对象链表

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// 驱动框架设备注册到IO设备管理器
rt_err_t rt_device_register(rt_device_t dev,
                            const char *name,
                            rt_uint16_t flags)
{
    if (dev == RT_NULL)
        return -RT_ERROR;

    if (rt_device_find(name) != RT_NULL)
        return -RT_ERROR;

    rt_object_init(&(dev->parent), RT_Object_Class_Device, name);
    dev->flag = flags;
    dev->ref_count = 0;
    dev->open_flag = 0;

    return RT_EOK;
}

注册设备时的flags参数：

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#define RT_DEVICE_FLAG_RDONLY           0x001           /**< read only */
#define RT_DEVICE_FLAG_WRONLY           0x002           /**< write only */
#define RT_DEVICE_FLAG_RDWR             0x003           /**< read and write */

#define RT_DEVICE_FLAG_REMOVABLE        0x004           /**< removable device */
#define RT_DEVICE_FLAG_STANDALONE       0x008           /**< standalone device */
#define RT_DEVICE_FLAG_ACTIVATED        0x010           /**< device is activated */
#define RT_DEVICE_FLAG_SUSPENDED        0x020           /**< device is suspended */
#define RT_DEVICE_FLAG_STREAM           0x040           /**< stream mode */

#define RT_DEVICE_FLAG_INT_RX           0x100           /**< INT mode on Rx */
#define RT_DEVICE_FLAG_DMA_RX           0x200           /**< DMA mode on Rx */
#define RT_DEVICE_FLAG_INT_TX           0x400           /**< INT mode on Tx */
#define RT_DEVICE_FLAG_DMA_TX           0x800           /**< DMA mode on Tx */

驱动层到io设备管理层对象空间占用是一层一层减小

串口回调：

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// 在串口中断中回调
void rt_hw_serial_isr(struct rt_serial_device *serial, int event)
{
    switch (event & 0xff)
    {
        case RT_SERIAL_EVENT_RX_IND:
    .....
            /* invoke callback */
            if (serial->parent.rx_indicate != RT_NULL)
            {
                rt_size_t rx_length;

                /* get rx length */
                level = rt_hw_interrupt_disable();
                rx_length = (rx_fifo->put_index >= rx_fifo->get_index)? (rx_fifo->put_index - rx_fifo->get_index):
                    (serial->config.bufsz - (rx_fifo->get_index - rx_fifo->put_index));
                rt_hw_interrupt_enable(level);

                if (rx_length)
                {
                    serial->parent.rx_indicate(&serial->parent, rx_length); // 串口回调
                }
            }
            break;
        }
            ...
    }

SPI设备管理

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// spi总线对象
struct rt_spi_bus
{
    struct rt_device parent;   /* 设备基类 */
    rt_uint8_t mode;
    const struct rt_spi_ops *ops;  /* SPI总线的操作方法 */

    struct rt_mutex lock;          /* 互斥锁，防止总线上的从设备访问冲突 */
    struct rt_spi_device *owner;  /* SPI总线的持有者SPI从设备指针 */
};

// spi从设备对象
struct rt_spi_device
{
    struct rt_device parent;  /* 设备基类 */ 
    struct rt_spi_bus *bus;   /* 指向挂载的SPI总线设备 */

    struct rt_spi_configuration config;  /* SPI从设备传输模式配置结构体 */
    void   *user_data;
};

/**
 * SPI从设备传输模式配置结构体
 */
struct rt_spi_configuration
{
    rt_uint8_t mode;
    rt_uint8_t data_width;
    rt_uint16_t reserved;

    rt_uint32_t max_hz;
};
  • SPI总线创建、SPI从设备挂载到总线时序图

SPI总线是一个虚拟的设备（对应MCU硬件上的SPI控制器），总线可以挂载多个从设备，靠CS引脚来区分，总线现在被哪个从设备占用。 struct rt_spi_bus总线对象里的owner用来记录当前总线被哪个从设备占用。struct rt_spi_device从设备对象里的bus用来记录当前从设备挂载在哪个总线上。

1.SPI总线设备创建，drv_spi.c 驱动层里面实例化一个SPI总线对象。

2.SPI总线设备注册到 SPI设备驱动框架层：spi_core.c、spi_device.c ，通过 rt_spi_bus_register() 接口。

3.SPI设备驱动框架对象注册到IO管理层：rt_device.c ，通过 rt_device_register() 接口。

SPI设备驱动框架层由两个文件组成：spi_core.c、spi_device.c

4.在SPI从机设备驱动创建一个SPI从设备：对应具体的SPI外设芯片，在设备的驱动程序实现：比如 ssd1306.c ，使用 rt_spi_bus_attach_device() 里面会实例化一个spi从设备对象，并把从设备对象挂载到指定的一个总线上。

由于 rt_spi_bus_attach_device() 只是创建了一个从设备对象，并把它挂载到一个总线，但并没有配置该从设备通信时主设备该设置成什么参数配置（每个从设备占用总线通信的时候可能需要的总线配置是不一样的，默认的配置是 0），这里需要接着调用 rt_spi_configure() 接口配置总线以适合该从设备和总线（主设备）通信：数据宽度、时钟速度、模式等配置。配置完这么参数后总线上的主设备从能和这个从设备通信。

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int ssd1306_attach_to_spi_bus(void)
{
    struct rt_spi_device *spi1_dev_ssd1306;
    struct rt_spi_configuration cfg;
    
    /* ssd1306 硬件引脚配置 */
    rt_pin_mode(SSD1306_DC_PIN, PIN_MODE_OUTPUT);
    rt_pin_mode(SSD1306_RST_PIN, PIN_MODE_OUTPUT);
    rt_pin_write(SSD1306_DC_PIN, 1);
    rt_pin_write(SSD1306_RST_PIN, 1);
    
    /* 在 spi1 总线上挂载一个设备 */
    rt_hw_spi_device_attach("spi1", OLED_DEV_NAME, GPIOC, GPIO_PIN_1);
    
    /* 配置spi从设备 */
    cfg.data_width = 8;
    cfg.max_hz = 20 * 1000 * 1000;  // 20Mhz
    cfg.mode = RT_SPI_MASTER | RT_SPI_MODE_0 | RT_SPI_MSB;
    spi1_dev_ssd1306 = (struct rt_spi_device *)rt_device_find(OLED_DEV_NAME);
    spi1_dev_ssd1306->config = cfg;  // 由于创建从设备对象的时候并没有配置对象，这里设置好spi从设备通信是主设备的配置，第一次操作从设备的时候会自动调用rt_spi_configure() 配置主设备（总线）
//    rt_spi_configure(spi1_dev_ssd1306, &cfg); // 或者直接调用配置函数配置主设备（总线）
    return 0;
}

总线：主设备+虚拟总线的统称。

5.挂载从设备对象到SPI总线：ssd1306.c 和步骤 4 创建对象时合成在一起了，通过 rt_spi_bus_attach_device() 接口。

6.注册spi从设备对象到IO设备管理层：rt_device.c ，通过 rt_device_register() 接口。

7.通过从设备的设备句柄调用 rt_spi_transfer_message() 就可以对从设备收发数据。

8.spi_drv.c 驱动中在检测到该从机是首次收发数据的时候，会调用congfig() 先配置从机，接着在 通过 xfer() 收发本次的数据。

spi_drv.c 驱动中动过检测发送数据的总线对象里面的 owner 是否是本从设备，是代表总线之前就已经被该设备占用，之前肯定是配置过从设备了，不是就代表之前总线不是被该从设备占用需要配置该从设备。

小结：

1.rtthread中把MUC内部的SPI控制器虚拟成了一个虚拟总线。

2.总线在系统启动是就已经创建并注册到IO设备管理器。

3.当我们在应用程序中需要创建挂载一个从设备的时候，首先创建从设备并挂载到总线，还要设置好该从设备与总线通信时，总线的配置参数。

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I2C总线、虚拟文件系统、网络组件

I2C总线

重复条件：在一次通信过程中，当主机需要和不同的从机传输数据或者需要切换读写操作，主机可再发送一个开始条件。

例如：主机需要读取从机某个寄存器的数据

1.主机发送起始信号。

2.主机发送从机地址，写标志。

3.从机应答后，主机再发送一次起始信号，发送寄存器地址，读标志。

4.主机释放总线，接收从机发来的数据。

5.主机收到数据ACK，不想再收从机的数据了就发NACK。

6.主机发送停止位，结束本次通信。

主机向从机的某个寄存器写数据：

1.主机发送起始信号。

2.主机发送从机地址，写标志。

3.从机应答后，主机接着发送寄存地址。

4.从机应答后，主机接着发送要写入的数据。

5.从机应答后，主机发送停止位结束本次通信。

本章小结：

1.i2c设备接口使用的从机地址均不包含读写的地址。

虚拟文件系统

  • DFS虚拟文件系统组件

全称：Device File System，即设备虚拟文件系统。

  • DFS架构

1.提供POSIX标准接口：read、write、poll/select

2.支持多种文件系统，例如：FatFS、RomFS、DevFS，提供普通文件、设备文件、网络文件描述符管理。

3.支持多种类型的储存设备，如：SDCard、SPI Flash、Nand Flash等。

4.主要分为：POSIX接口层dfs_posix.c 、DFS虚拟文件系统层dfs_file.c 、设备抽象层。

  • POSIX接口层

可移植性操作系统接口，规定的一组api函数接口。

  • 虚拟文件系统层

用户将具体的文件系统注册到DFS框架中，如：FatFS、RomFS、DevFS 这些文件系统。

1.FatFS：兼容微软FAT格式文件的开源文件系统，专为小型嵌入式设备开发，采用 ANSI C 编写，具有良好的硬件无关性以及可移植性，是 RT-Thread 中最常用的文件系统类型。

2.传统型的 RomFS 文件系统是一种简单的、紧凑的、只读的文件系统。

3.Jffs2 文件系统是一种日志闪存文件系统。主要用于 NOR 型闪存，基于 MTD 驱动层，特点是：可读写的、支持数据压缩的、基于哈希表的日志型文件系统，并提供了崩溃 / 掉电安全保护，提供写平衡支持等。

4.DevFS 即设备文件系统，在 RT-Thread 操作系统中开启该功能后，可以将系统中的设备在 /dev 文件夹下虚拟成文件，使得设备可以按照文件的操作方式使用 read、write 等接口进行操作。

5.UFFS 是 Ultra-low-cost Flash File System（超低功耗的闪存文件系统）的简称。它是国人开发的、专为嵌入式设备等小内存环境中使用 Nand Flash 的开源文件系统。与嵌入式中常使用的 Yaffs 文件系统相比具有资源占用少、启动速度快、免费等优势。

设备抽象层

设备抽象层将物理设备如 SD Card、SPI Flash、Nand Flash，抽象成符合文件系统能够访问的设备，例如 FAT 文件系统要求存储设备必须是块设备类型。

  • 注册文件系统

  • 将储存设备注册为块设备

  • 格式化文件系统
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int dfs_mkfs(const char * fs_name, const char * device_name);
// shell 命令：mkfs -t elm w25q16(块设备名字)

  • 挂在文件系统
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int dfs_mount(const char   *device_name,
              const char   *path,
              const char   *filesystemtype,
              unsigned long rwflag,
              const void   *data);

其他在C语言代码中的操作直接调用文件系统提供的POSIX接口就行。shell中也可使用文件操作的命令，创建删除文件和目录文件、切换目录等命令。

  • 开机初始化块设备和DFS文件系统完后，在main中挂载文件系统到根目录：
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#include "dfs_fs.h"
/* 挂载文件系统从w25q16块设备，elm：文件系统类型elmfat */
if (dfs_mount("w25q16", "/", "elm", 0, 0) == 0)
{
    rt_kprintf("Filesystem initialized!\n");
}
else
{
    rt_kprintf("Failed to initialize filesystem!\n");
}

rtconfig.h中的宏添加：

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/* DFS虚拟文件系统所需宏 */
#define RT_USING_DFS
#define DFS_USING_WORKDIR
#define DFS_FILESYSTEMS_MAX 2
#define DFS_FILESYSTEM_TYPES_MAX 2
#define DFS_FD_MAX 16
#define RT_USING_DFS_ELMFAT

/* elmFatFs：通用FAT文件系统所需宏 */
#define RT_DFS_ELM_CODE_PAGE 437
#define RT_DFS_ELM_WORD_ACCESS
#define RT_DFS_ELM_USE_LFN_3
#define RT_DFS_ELM_USE_LFN 3
#define RT_DFS_ELM_LFN_UNICODE_0
#define RT_DFS_ELM_LFN_UNICODE 0
#define RT_DFS_ELM_MAX_LFN 255
#define RT_DFS_ELM_DRIVES 2
#define RT_DFS_ELM_MAX_SECTOR_SIZE 4096
#define RT_DFS_ELM_REENTRANT
#define RT_USING_DFS_DEVFS

RT-Thread网络框架

AT命令、SAL层（套接字抽象层）、BSD Socket API（标志网络套接字API）、LwIP

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    缺失模块。
    1、请确保node版本大于6.2
    2、在博客根目录（注意不是yilia-plus根目录）执行以下命令：
    npm i hexo-generator-json-content --save

    3、在根目录_config.yml里添加配置： 

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