本书集中精力讲述芯片在各个设计层面所需的低功耗设计技术。全书分为13章。第一章为综述部分；第二章讲述纳米级晶体管与模型，铺垫集成电路设计所需要的基础理论知识；第三章讲述芯片工作时的功耗与能耗分析与计算；第四章讲述电路级低功耗设计技术；第五章讲述芯片架构级、算法级、系统级的低功耗设计技术；第六章讲芯片设计的低功耗布线与时钟设计技术；第七章讲述低功耗内存、缓存设计技术；第八章讲述电路与系统的静态功耗与低功耗技术；第九章讲述内存、缓存的静态功耗与低功耗技术；第十章讲述电路与系统的动态功耗与低功耗技术；第十一章讲述超低功耗设计；第十二章讲述低功耗设计整体流程；第十三章总结全书。

首本系统讲解蓝牙4.0的原理、体系结构、硬件设计以及应用开发的书籍。
作者系蓝牙4.0技术的核心人员、蓝牙标准化架构师，权威性毋庸置疑。
本书是学习蓝牙4.0技术标准与从事蓝牙4.0技术开发不可或缺的参考手册。

Bluetooth Low Energy
The Developer's Handbook
低功耗蓝牙开发权威指南
［英］ Robin Heydon　著　 陈灿峰 刘嘉　译

封底：
罗宾·海登（Robin Heydon）是蓝牙技术联盟名人堂的成员，他把之前分散于多个标准文档的精华部分汇集起来，并就其来龙去脉提供了专业的说明，这些都是实现高性能运行系统不可或缺的重要信息。作者首先回顾了低功耗蓝牙的设计目标，并解释了该目标是如何推动关键架构设计的，以及介绍了低功耗蓝牙的创新应用模型。之后，他深入地阐述了低功耗蓝牙的两个主要部分——控制器和主机的工作原理，随后探讨了安全、规范以及测试、鉴定等一系列关键问题。这些知识是制造“Bluetooth Smart”和“Bluetooth Smart Ready”设备必不可少的。
本书是学习低功耗蓝牙官方标准文档不可或缺的参考手册，适合每一位正在考虑、规划低功耗蓝牙产品开发，或者将该技术纳入工作体系的技术专家或决策者。

作者简介
Robin Heydon 毕业于英国曼彻斯特大学计算机科学专业，是CSR公司负责蓝牙技术标准化的标准架构师，也是制定低功耗蓝牙技术标准的超低功耗工作组的联合主席。自2007年起推动低功耗蓝牙技术标准的制定工作，因其贡献卓著，2010年他入选了蓝牙技术联盟名人堂。

前：
低功耗蓝牙（Bluetooth Low Energy，BLE）与传统蓝牙技术有着本质的不同，它为健身医疗、车联网等领域的无线应用带来了突破。只需一枚纽扣大小的电池，低功耗蓝牙便可以连接并扩展各类个人局域网（Personal Area Network，PAN）设备和新一代传感器，令其可靠地运行若干年。如今，该标准的主要制定者之一为每位系统开发者、设计师和工程师撰写了第一本全面、易懂的低功耗蓝牙权威开发指南。

陈灿峰　博士毕业于北京邮电大学，2005年起分别任诺基亚（中国）研究院博士后研究员、高级研究员和主任研究员，2011年起负责诺基亚物联网与软件无线电原型系统组的工作，诺基亚并入微软后担任微软设备部门移动设备产品创新组传感器技术首席专家。目前兼任中国电子学会物联网专家委员会副秘书长，中国可穿戴计算产业推进联盟委员。先后参与国家自然科学基金项目3项、863项目2项。在无线通信和移动计算领域先后编著和参与编著6本专著，提交国内外专利申请30余项（2项已授权）。目前的主要研究方向为低功耗蓝牙技术，室内外定位技术，智能家居与可穿戴设备等。

刘　嘉　 工学博士。2011年毕业于清华大学计算机网络专业，同年进入诺基亚（中国）研究院开展博士后研究，现为北京智谷公司创新研究员，长期从事无线网络系统设计和性能优化工作，发表论文近20篇，拥有国内外专利和申请50余项。闲暇之余喜欢摄影、文学和Hi-Fi音响。

有时候，一项难能可贵的新技术的出现能够改变世界，AM广播、电视和无线互联网便是这样的例子。作为一项可广泛植入各类产品、围绕微型电池设计、可持续工作数年的技术，低功耗蓝牙已然站在了下一次无线技术革命的最前沿。
本书详尽地解释了这项技术是如何产生、如何设计以及如何工作的。作者Robin Heydon是低功耗蓝牙领域的顶尖专家，曾参与低功耗蓝牙的标准规范制定、互操作性测试以及培训工作。
本书适合从事低功耗蓝牙产品开发工作的各类读者，例如工程师、应用程序开发人员、设计师或者市场营销人员。
对工程师来说，这本书涵盖了系统工作的完整细节，从物理无线电到设备的发现、连接和提供接口。
对应用程序开发人员来说，这本书有助于其理解低功耗蓝牙对应用程序所施加的限制，此外本书还提供了关于设计目标和实现具体需求的详细介绍。
对设计师来说，本书包含的信息将让你了解关于设计低功耗蓝牙无线产品的特殊问题，比如产品需要如何工作，选择多大的电池才能实现你的想法等。
对其他想了解该技术的人来说，这本书提供了低功耗蓝牙的许多背景材料，包括为什么要设计该技术，试图实现的设计目标是什么，以及一些将会颠覆你对无线技术及其实现方式的看法的相关知识。
全书共分为四个部分：
第一部分为技术概述，包括用于指导低功耗蓝牙开发的基本概念，系统的体系结构（无线电、各种协议层、应用层），以及新技术带来的新使用模式。
第二部分详细介绍了控制器（无线电芯片）的工作原理。产品设计人员需要将该硅芯片植入自己的终端产品中。该部分涵盖了无线电、直接测试模式和链路层，此外还介绍了如何使用上层协议栈（或称主机）与控制器进行交互。
第三部分深入阐述了主机（软件栈）的工作原理，涉及各主要协议背后的概念和细节，这些协议主要用于公开设备的属性。该部分还介绍了安全模型，以及两台设备之间如何进行连接、绑定或相互关联。
第四部分讨论了产品或应用程序开发人员需要考虑的所有设计因素。首先着眼于与中央设备有关的问题，接着是外围设备的问题，最后讨论了任何蓝牙产品上市前的最后一步，即测试和认证。
如果阅读本书后，读者还想了解更多关于低功耗蓝牙的相关知识，以下列出一些可供参考的资料。标准规范可以在蓝牙技术联盟网站www.bluetooth.org中找到。如果想查找有关低能耗蓝牙的开发信息，可以访问开发者网站developer.bluetooth.org，上面有关于特性（characteristic）的详细信息。本书作者也有一个网站www.37channels.com ，在那里可以看到针对本书或者低功耗蓝牙的一些常见问题。
致谢
感谢以下各位的帮助和支持，使得本书得以顺利完成。Katherine Heydon多次从头到尾翻阅全文，并就内容提出了建设性的批评意见。Jennifer Bray第一个鼓励我撰写本书，并给予了我时间和空间来完成此项工作。感谢Addison-Wesley出版团队的所有成员，尤其是Bernard Goodwin、Elizabeth Ryan、Michelle Housley和Gary Adair，感谢文字编辑Bob Russell以及其他所有促成本书的幕后人员。感谢Nick Hunn多次与我讨论如何才能更好地交流低功耗技术的想法。Zo Hunn为本书设计了梦幻般的封面。Andy Glass不断询问本书的完成时间，并提供了很好的审查意见。Steve Wenham长期忍受我各种天马行空般的低功耗蓝牙的改进想法。英国航空公司几乎总是给我一个前排带有隔板的座位，让我得以在许多的长途航班中使用我的蓝牙键盘和鼠标。这本书可能是在30 000英尺的平均高度撰写完成的。感谢蓝牙技术联盟社区，他们在全员会议、蓝牙测试活动（UnPlugFest）和各种工作组会议中提出了许多问题，正是这些问题让我明确了哪些概念是最难解释的，本书的基本框架和内容也由此受益。

电子与电气工程

罗宾?海登（Robin Heydon）是蓝牙技术联盟名人堂的成员，他把之前分散于多个标准文档的精华部分汇集起来，并就其来龙去脉提供了专业的说明，这些都是实现高性能运行系统不可或缺的重要信息。作者首先回顾了低功耗蓝牙的设计目标，并解释了该目标是如何推动关键架构设计的，以及介绍了低功耗蓝牙的创新应用模型。之后，他深入地阐述了低功耗蓝牙的两个主要部分——控制器和主机的工作原理，随后探讨了安全、规范以及测试、鉴定等一系列关键问题。这些知识是制造“Bluetooth Smart”和“Bluetooth Smart Ready”设备必不可少的。
本书是学习低功耗蓝牙官方标准文档不可或缺的参考手册，适合每一位正在考虑、规划低功耗蓝牙产品开发，或者将该技术纳入工作体系的技术专家或决策者。

（英）Robin Heydon 著：Robin Heydon毕业于英国曼彻斯特大学计算机科学专业，是CSR公司负责蓝牙技术标准化的标准架构师，也是制定低功耗蓝牙技术标准的超低功耗工作组的联合主席。自2007年起推动低功耗蓝牙技术标准的制定工作，因其贡献卓著，2010年他入选了蓝牙技术联盟名人堂。

陈灿峰 刘嘉 译：暂无简介

为了解除日益增多的连接线缆的烦恼，爱立信的一位工程师在1994年发明了一种名为蓝牙的短距离无线通信技术，时至今日，蓝牙已成为业界公认的连接智能移动设备与周边其他人机交互设备（如键鼠、耳机等）的最主要无线通信手段之一。自蓝牙技术联盟于2001年发布蓝牙1.1版本技术规范起，一群诺基亚的工程师就开始畅想，在若干年后，如何能够让智能移动设备与周边的嵌入式设备的连接时间更长，特别是各种传感器与执行器设备，从而使得智能移动设备成为与周边10m范围内各种电子产品通信的中枢。经过10年的努力，蓝牙技术联盟终于在2011年发布了里程碑版本的蓝牙4.0技术规范，其中最具吸引力的就是低功耗蓝牙技术规范。
与经典蓝牙相比，低功耗蓝牙不仅极大地降低了芯片的功耗，还以其连接的灵活性、良好的抗干扰性、简单的应用开发等特性，很快得到了智能手机与个人电脑厂商的认可，以及众多外设厂商和应用开发者的青睐。特别是自2012年以来，围绕智能手机打造的各种应用外设（appcessory）呈现出爆发式增长的态势，例如智能家居和车载电子设备，它们还可借助智能手机将数据发送至互联网，在云端得到进一步的分析处理，从而为消费者带来更加个性化的服务。许多互联网企业也加入可穿戴设备这样一轮新的移动互联网创新浪潮之中，为消费者带来各种集成了多种传感器的智能手环、手表等面向运动与健康的应用外设，并引发了一种称为“量化自我”的生活方式。
本书的作者Robin Heydon是CSR公司负责蓝牙技术标准化的标准架构师，蓝牙技术规范的每一个版本都有他的贡献，同时他也是制定低功耗蓝牙技术标准的超低功耗（ULP）工作组的联合主席，自2007年开始推动低功耗蓝牙技术标准的制定工作，并因其出色的工作于2010年入选蓝牙技术联盟名人堂。
译者所在的研发团队自2009年开始接触最早一批的低功耗蓝牙的工程样片，并陆续开发了基于低功耗蓝牙的端到端IPv6通信演示系统，以及基于低功耗蓝牙的高精度室内定位系统，并参与了其技术标准化工作。译者自接触低功耗蓝牙技术以来，就一直很希望能有机会与更多的同行分享这一设计出色的面向移动物联网的无线技术。就在译者翻译此书的过程中，蓝牙技术联盟又在2013年底发布了蓝牙4.1版，其中主要包含了面向物联网（IoT）的一些新技术特性，如允许建立面向连接的信道以及未来可以承载IPv6报文的传输。另外，蓝牙4.1也进一步优化了连接的建立与保持过程，如允许两部已经配对的设备基于定向广播延长广播的周期，从而实现设备更长的待机时间。
低功耗蓝牙技术及其未来的演进版本将继续拓展蓝牙现有的生态系统，为移动互联网的应用及设备的创新创造出更多的机会，满足消费者从家里到手提包里，从汽车上到高尔夫球场上无处不在的无线连接需求。

陈灿峰　刘嘉
2014年3月10日

译者序
前言
第一部分　综　　述
第1章　什么是低功耗蓝牙技术 2
1.1　设备类型 4
1.2　设计目标 5
1.3　术语 6
第2章　基本概念 8
2.1　纽扣电池 8
2.2　时间即能量 9
2.3　昂贵的内存 10
2.4　非对称设计 10
2.5　为成功而设计 11
2.6　凡事皆有状态 12
2.7　客户端–服务器架构 12
2.8　模块化架构 13
2.9　十亿只是个小数目 14
2.10　无连接模型 14
2.11　范式 14
2.11.1　客户端–服务器架构 14
2.11.2　面向服务的架构 15
第3章　低功耗蓝牙的体系结构 19
3.1　控制器 20
3.1.1　物理层 20
3.1.2　直接测试模式 20
3.1.3　链路层 21
3.1.4　主机/控制器接口 22
3.2　主机 22
3.2.1　逻辑链路控制和适配协议 22
3.2.2　安全管理器协议 23
3.2.3　属性协议 23
3.2.4　通用属性规范 24
3.2.5　通用访问规范 25
3.3　应用层 25
3.3.1　特性 26
3.3.2　服务 26
3.3.3　规范 26
3.4　协议栈划分 27
3.4.1　单芯片解决方案 27
3.4.2　双芯片解决方案 28
3.4.3　三芯片解决方案 28
第4章　新的使用模型 30
4.1　存在检测 30
4.2　广播数据 31
4.3　无连接模式 31
4.4　网关 32
第二部分　控　制　器
第5章　物理层 36
5.1　背景 36
5.2　模拟调制 36
5.3　数字调制 38
5.4　频段 39
5.5　调制 40
5.6　射频信道 41
5.7　发射功率 41
5.8　容限 42
5.9　接收机灵敏度 42
5.10　通信距离 42
第6章　直接测试模式 45
6.1　背景 45
6.2　收发机测试 46
6.2.1　测试报文格式 46
6.2.2　发射机测试 47
6.2.3　接收机测试 47
6.3　硬件接口 48
6.3.1　串口 48
6.3.2　命令与事件 48
6.4　使用HCI的直接测试模式 50
第7章　链路层 51
7.1　链路层状态机 51
7.1.1　就绪态 52
7.1.2　广播态 53
7.1.3　扫描态 53
7.1.4　发起态 54
7.1.5　连接态 55
7.1.6　多状态机 55
7.2　报文 57
7.2.1　广播与数据报文 57
7.2.2　白化 57
7.3　报文结构 59
7.3.1　比特序与字节 60
7.3.2　前导 60
7.3.3　接入地址 60
7.3.4　报头 61
7.3.5　长度 61
7.3.6　净荷 63
7.3.7　循环冗余校验 63
7.4　信道 63
7.4.1　跳频 66
7.4.2　自适应跳频 66
7.5　设备发现 68
7.5.1　通用广播 69
7.5.2　定向广播 69
7.5.3　不可连接广播 70
7.5.4　可发现广播 70
7.6　广播 70
7.7　建立连接 71
7.7.1　接入地址 72
7.7.2　CRC初始化 72
7.7.3　发送窗口 72
7.7.4　连接事件 73
7.7.5　信道图 74
7.7.6　睡眠时钟精度 74
7.8　发送数据 74
7.8.1　数据报头 75
7.8.2　逻辑链路标识符 75
7.8.3　序列号 76
7.8.4　确认 76
7.8.5　更多数据 77
7.8.6　使用序列号和更多数据的例子 77
7.9　加密 79
7.9.1　AES 79
7.9.2　加密净荷数据 80
7.9.3　消息完整性校验 81
7.10　管理连接 82
7.10.1　连接参数更新 83
7.10.2　自适应跳频 84
7.10.3　启动加密 85
7.10.4　重启加密 87
7.10.5　版本交换 87
7.10.6　功能交换 89
7.10.7　终止连接 90
7.11　鲁棒性 90
7.11.1　自适应跳频 90
7.11.2　强CRC 92
7.12　为低功耗优化 93
7.12.1　短报文 93
7.12.2　高比特率 94
7.12.3　低开销 95
7.12.4　确认机制 96
7.12.5　单信道连接事件 96
7.12.6　亚速率连接事件 97
7.12.7　离线加密 98
第8章　主机/控制器接口 99
8.1　介绍 99
8.2　物理接口 99
8.2.1　UART 99
8.2.2　3线UART 100
8.2.3　USB 101
8.2.4　SDIO 102
8.3　逻辑接口 102
8.3.1　HCI信道 102
8.3.2　命令数据包 102
8.3.3　事件数据包 103
8.3.4　数据包 104
8.3.5　命令流控 105
8.3.6　数据流控 106
8.4　控制器的配置 106
8.4.1　重置控制器为已知状态 106
8.4.2　读取设备地址 107
8.4.3　设置事件掩码 107
8.4.4　读取缓冲区大小 108
8.4.5　读取控制器支持的功能 109
8.4.6　读取控制器支持的状态 109
8.4.7　随机数 110
8.4.8　加密数据 110
8.4.9　设置随机地址 111
8.4.10　白名单 112
8.5　广播和观察 112
8.5.1　广播 112
8.5.2　被动扫描 114
8.5.3　主动扫描 115
8.6　发起连接 116
8.6.1　与白名单设备发起连接 116
8.6.2　与单一设备发起连接 118
8.6.3　取消连接请求 118
8.7　连接管理 119
8.7.1　更新连接 119
8.7.2　更新信道映射图 120
8.7.3　交换功能列表 121
8.7.4　交换版本信息 121
8.7.5　加密连接 122
8.7.6　重启加密 123
8.7.7　终止连接 125
第三部分　主　　机
第9章　逻辑链路控制和适配协议 128
9.1　背景 128
9.2　L2CAP信道 130
9.3　L2CAP数据包结构 130
9.4　低功耗信令信道 131
9.4.1　命令拒绝 132
9.4.2　连接参数更新请求和响应 132
第10章　属性 135
10.1　背景 135
10.1.1　精简协议 136
10.1.2　无所不在的数据 136
10.1.3　数据与状态 137
10.1.4　几种常见的状态 137
10.1.5　状态机 138
10.1.6　服务和规范 139
10.2　属性 142
10.2.1　属性概述 143
10.2.2　属性句柄 143
10.2.3　属性类型 143
10.2.4　属性值 144
10.2.5　数据库、服务器和客户端 145
10.2.6　属性许可 145
10.2.7　接入属性 147
10.2.8　原子操作和事务 148
10.3　分组 149
10.4　服务 150
10.4.1　扩展服务 151
10.4.2　其他服务的重用 153
10.4.3　结合服务 153
10.4.4　首要还是次要 154
10.4.5　即插即用的客户端应用 156
10.4.6　服务声明 157
10.4.7　包含服务 158
10.5　特性 159
10.5.1　特性声明 159
10.5.2　特性数值 161
10.5.3　描述符 161
10.6　属性协议 164
10.6.1　协议消息 165
10.6.2　交换MTU请求 165
10.6.3　查找信息请求 166
10.6.4　按类型值查找请求 167
10.6.5　按类型读取请求 168
10.6.6　读取请求 168
10.6.7　大对象读取请求 168
10.6.8　多重读取请求 169
10.6.9　按组类型读取请求 169
10.6.10　写入请求 169
10.6.11　写入命令 169
10.6.12　签名写入命令 169
10.6.13　准备写入请求与执行写入请求 170
10.6.14　句柄值通知 171
10.6.15　句柄值指示 171
10.6.16　错误响应 171
10.7　通用属性规范 173
10.7.1　发现规程 174
10.7.2　发现服务 174
10.7.3　特性发现 175
10.7.4　客户端发起规程 176
10.7.5　服务器发起规程 178
10.7.6　属性协议数据单元（ATT PDU）到GATT规程的映射 178
第11章　安全 180
11.1　安全概念 180
11.1.1　认证 180
11.1.2　授权 181
11.1.3　完整性 181
11.1.4　机密性 182
11.1.5　隐私 182
11.1.6　加密引擎 182
11.1.7　共享机密 182
11.2　配对和绑定 185
11.2.1　配对 185
11.2.2　配对信息交换 185
11.2.3　认证 186
11.2.4　密钥分配 187
11.2.5　绑定 188
11.3　数据签名 188
第12章　通用访问规范 189
12.1　背景 189
12.1.1　初次发现 190
12.1.2　建立初始连接 191
12.1.3　服务特性 191
12.1.4　长期关系 192
12.1.5　重连 192
12.1.6　私有地址 193
12.2　GAP角色 193
12.3　模式和规程 194
12.3.1　广播模式和观察规程 195
12.3.2　可发现性 195
12.3.3　可连接性 197
12.3.4　绑定 199
12.4　安全模式 200
12.5　广播数据 201
12.5.1　标识 202
12.5.2　服务 202
12.5.3　本地名称 203
12.5.4　发射功率等级 203
12.5.5　从设备连接间隔范围 203
12.5.6　服务请求 203
12.5.7　服务数据 203
12.5.8　制造商指定数据 203
12.6　GAP服务 204
12.6.1　设备名特性 204
12.6.2　外观特性 204
12.6.3　外围设备隐私标识 204
12.6.4　重连地址 205
12.6.5　外围设备首选连接参数 205
第四部分　应　　用
第13章　中央设备 208
13.1　背景 208
13.2　发现设备 208
13.3　连接设备 209
13.4　这个设备能做什么 210
13.5　通用客户端 211
13.6　与服务交互 211
13.6.1　可读特性 212
13.6.2　控制点 212
13.6.3　状态机 213
13.6.4　通知和指示 214
13.7　绑定 214
13.8　变更服务 215
13.9　实现规范 216
13.9.1　定义规范 216
13.9.2　查找服务 217
13.9.3　查找特性 217
13.9.4　使用特性 217
13.9.5　规范安全 217
第14章　外围设备 219
14.1　背景 219
14.2　仅广播 219
14.3　可发现 220
14.4　可连接 220
14.5　公开服务 221
14.6　特性 221
14.7　安全事项 222
14.8　为低功耗优化 222
14.8.1　可发现广播 224
14.8.2　绑定 224
14.8.3　可连接广播 224
14.8.4　定向广播 225
14.8.5　已连接 225
14.8.6　保持连接还是断开 226
14.9　优化属性 227
第15章　测试和质量鉴定 229
15.1　启动项目 229
15.2　选择功能 231
15.3　一致性检查 232
15.4　生成测试计划 232
15.5　建立合规文件夹 232
15.6　鉴定测试 233
15.7　鉴定设计 234
15.8　合规声明 234
15.9　产品名录 234
15.10　结合组件 235