nRF5 SDK软件架构及softdevice工作原理

本文将介绍Nordic nRF5 SDK软件架构以及softdevice工作原理，以加深大家对Nordic产品开发的理解，这样开发过程中碰到问题时，大家也知道如何去调试。

如果你刚开始接触nRF5 SDK，建议先看一下这篇文章“Nordic nRF5 SDK和softdevice介绍”，以建立Nordic nRF5 SDK的一些基本知识。

首先说明一下，Nordic nRF5系列产品都是使用Flash存储器的，确切说，是嵌入式可执行代码的Flash存储器，也就是说，代码是可以直接在上面运行的，这个跟很多其他BLE厂商是不一样的（他们使用的是nand Flash，代码是不能直接在nand Flash中运行的，必须先装载到RAM中才能跑，所以你会发现这些厂商的RAM都非常大）。Nordic Flash是带cache机制的，以保证大部分代码执行速度可以达到64MHz，在cache失败的时候，等待周期也只有1个cycle，可以说Flash的执行速度和效率都是非常不错的。另外，Nordic芯片是纯Flash产品，里面没有其他NVM，所有非易失性数据都放在Flash中，包括蓝牙协议栈，这也是为什么Nordic蓝牙协议栈也可以OTA的根本原因所在。

Nordic nRF5 SDK将芯片的存储器划分成如下格局：

Flash结构图 RAM结构图

从上图可知，Flash存储器最下面放的是softdevice（softdevice就是蓝牙协议栈，图中的MBR也属于softdevice的一部分），中间是application，最上面是bootloader（可选，只有需要OTA的时候，才需要下载bootloader）。这里需要特别指出的是，softdevice是以二进制形式提供给大家的，它占据了Flash的一块固定空间，起始地址为0，结束地址为APP_CODE_BASE。softdevice同时占用了RAM的一块固定空间，起始地址为0x20000000，结束地址为APP_RAM_BASE。Softdevice占用的Flash空间是固定不变的，运行时不可调节，也就是说APP_CODE_BASE是一个固定值，而softdevice占用的RAM空间是动态可调的，跟softdevice配置和蓝牙服务的多少有直接关联，所以APP_RAM_BASE一定要根据应用的实际情况进行调整。

这里说明一下， Softdevice不是以库的形式提供给大家，而是以二进制文件（hex文件）的形式提供给大家，这种方式可以带来很多好处。首先二进制形式可以保证蓝牙BQB认证的版本和发布给客户的版本一模一样（因为库形式的版本每次编译都会产生少许差异！）。其次softdevice不需要跟你的应用一起编译或者链接，大大节省调试时间，更主要的是，Softdevice运行在固定的Flash空间中，使用固定的RAM空间，从而与你的应用完全隔离开，实现了真正的模块分离，从而出现问题时，可以迅速定位是协议栈的问题还是应用的问题。再次二进制形式的 Softdevice开启了保护机制，应用代码是不能对其进行访问的，以保证Softdevice的安全性，防止应用代码误访问或者误擦除某些softdevice区域。最后这种多bin形式使得OTA变得非常灵活，你可以只OTA应用，也可以OTA协议栈和bootloader，或者三者同时OTA。

上面是站在芯片存储器角度来看nRF5 SDK的结构划分。如果站在软件架构角度，nRF5 SDK可以划分成如下结构图：

由上图可知，最下面是芯片本身，然后是ARM公司的CMSIS库，再往上就是协议栈softdevice和设备驱动，最后就是application和标准的蓝牙service了。softdevice是以二进制文件形式提供给大家的，除此之外，其他所有的SDK代码都是开源的，以方便大家开发。应用程序，包括SDK代码，都是通过softdevice API来与softdevice进行交互的，所有softdevice API都是以sd_打头的，比如：

sd_softdevice_enable(…);

sd_ble_gap_adv_start(…);

sd_flash_write(…);

sd_ppi_channel_assign(…);

Softdevice API有两种类型：

与BLE协议有关的API，比如sd_ble_gap_connect()，sd_ble_gatts_hvx()等。

外设操作API，比如sd_flash_write()，sd_power_gpregret_set()等。由于softdevice会使用到某些外设，应用程序也需要访问这些外设时，不能通过普通的外设驱动API去访问，必须通过softdevice API去访问。

如前所述，softdevice是以二进制文件形式提供给大家的，那么应用是如何做到可以成功调用softdevice API的？其实，softdevice是通过SVC中断和软中断来实现与应用程序交互的。每一个softdevice API对应一个SVC异常号（softdevice API是非阻塞的），也就是说，每当应用程序调用softdevice API，其实是产生一个SVC异常，然后进入到softdevice协议栈，由softdevice的SVC handler进行相应处理。示例代码如下所示：

Softdevice API调用流程如下所示：

每当softdevice完成相关重要操作，都会以事件形式通知应用程序的，比如与手机连接成功，softdevice就会把BLE_GAP_EVT_CONNECTED事件告知应用程序，那softdevice是如何把相关事件告知给应用程序的？这个是通过软中断来实现的。每当softdevice完成相关操作，就会把对应的事件放入一个队列中，然后触发一个软中断，以重新回到应用程序环境中，应用程序在相关软中断handler中查询该队列，一旦发现有事件在里面，就回调相关函数，比如ble_evt_handler，从而达到通知应用程序相关事件的目的。事件通知流程如下所示：

为了达到各个软件模块松耦合的目的，每个软件模块，比如广播模块，可以单独注册自己的BLE事件回调处理函数，然后在自己的事件回调处理函数里面只处理跟本模块有关的事件，与本模块无关的事件不进行处理而直接返回。这里需要注意两点：一虽然每个BLE事件回调处理函数只处理跟本模块有关的事件，但是它是可以捕获所有BLE事件的，你可以让整个应用程序只有一个BLE事件回调处理函数，但这样会让各个模块紧密地耦合在一起，因此Nordic SDK没有这么做，尤其是SDK14以后，各个模块都自己注册自己的蓝牙事件回调处理函数，完全跟用户代码切割开，同样如果用户代码需要捕获BLE事件的话，只需注册自己的BLE事件回调处理函数即可。二BLE事件是异步的，所以有时BLE事件回调处理函数会同时收到多个BLE事件，也就是BLE事件回调处理函数有可能在很短的时间内被调用多次（BLE事件回调处理函数每次只处理一个事件case，然后返回，所以短时间内会被调用多次），这个在开发的时候需要注意一下。

从上面nRF5 SDK软件架构的讲解过程中，我们可以看到，当我们开发Nordic平台的BLE应用时，主要需要做两件事：

第1件事：初始化。为了简化初始化工作，Nordic SDK所有模块初始化时，只需要将相应API输入结构体参数清0即可完成初始化工作，也就是说，只要你保证初始化参数为0，蓝牙协议栈就可以工作起来，这对很多Nordic初学者来说，大大减轻了开发工作量。

第2件事：写蓝牙事件回调处理函数。一般来说，你的应用逻辑都是放在蓝牙事件回调处理函数中，所以写好回调处理函数代码，你的开发工作就完成了大半了。

审核编辑 黄宇