CH58X BLE 配对流程详解

本文基于 CH584 MCU 的 BLE 心率传感器项目，逐层拆解 BLE 外设的配对流程。文中的代码注释和配置均来自项目实际源码。

系统架构

整个 BLE 协议栈运行在沁恒 CH58x 系列的 TMOS 任务调度系统之上。调用链路如下：

Main.c 主循环
  └─ ble_peripheral_process() → TMOS_SystemProcess()
       └─ 事件分发 ble_peripheral_process_event()
            └─ GAPRole_PeripheralStartDevice() → 启动设备
                 └─ GAP → GATT → SM（安全管理器）
                      └─ CH58x BLE Controller（硬件链路层）

Main.c 在主循环中交替执行 ble_peripheral_process() 和应用调度器。协议栈事件通过 TMOS 消息机制异步回调到应用层。

编译期 BLE 配置

项目在 src/app_project_config.h 中覆盖了 SDK 的默认 BLE 参数：

参数	值	说明
`BLE_MEMHEAP_SIZE`	10240 (10 KB)	协议栈内存池
`BLE_BUFF_MAX_LEN`	251 (ATT_MTU = 247)	最大应用数据包长度
`BLE_BUFF_NUM`	8	收发缓冲区数量
`BLE_TX_NUM_EVENT`	6	单连接事件最大发包数
`BLE_TX_POWER`	`LL_TX_POWEER_MINUS_10_DBM`	发射功率 -10 dBm

SDK 层 CONFIG.h 还控制了绑定存储的硬件参数：

参数	值	说明
`BLE_SNV`	TRUE	启用 SNV 绑定存储
`BLE_SNV_ADDR`	`0x77000 - FLASH_ROM_MAX_SIZE`	存储起始地址
`BLE_SNV_BLOCK`	256 bytes	块大小
`BLE_SNV_NUM`	1	块数量
`PERIPHERAL_MAX_CONNECTION`	1	最大同时连接数

配对初始化

入口函数 ble_peripheral_init() 位于 src/ble_peripheral.c:103，分三步完成初始化。

第一步：底层初始化

CH58x_BLEInit();          // BLE 协议栈库初始化
HAL_Init();               // 硬件抽象层初始化
GAPRole_PeripheralInit(); // 配置为 Peripheral 角色

CH58x_BLEInit() 内部配置 SNV 的 Flash 读写回调，为绑定数据持久化准备硬件通路。

第二步：广播与连接参数

#define BLE_PERIPHERAL_ADV_INTERVAL      160  // 160 × 0.625 ms = 100 ms
#define BLE_PERIPHERAL_MIN_CONN_INTERVAL 6    // 6 × 1.25 ms = 7.5 ms
#define BLE_PERIPHERAL_MAX_CONN_INTERVAL 6    // 同上，固定连接间隔
#define BLE_PERIPHERAL_SLAVE_LATENCY     0    // 无延迟
#define BLE_PERIPHERAL_CONN_TIMEOUT      100  // 100 × 10 ms = 1 s

广播间隔 100 ms，连接间隔固定 7.5 ms，适合低延迟数据传输。

第三步：安全参数——核心决策

uint32_t passkey  = 0u;
uint8_t  pair_mode = GAPBOND_PAIRING_MODE_WAIT_FOR_REQ;  // 等主机发起
uint8_t  mitm      = FALSE;                               // 无 MITM 保护
uint8_t  bonding   = FALSE;                               // 不保存绑定
uint8_t  io_cap    = GAPBOND_IO_CAP_NO_INPUT_NO_OUTPUT;  // 无输入输出

GAPBondMgr_SetParameter(GAPBOND_PERI_DEFAULT_PASSCODE, sizeof(passkey), &passkey);
GAPBondMgr_SetParameter(GAPBOND_PERI_PAIRING_MODE, sizeof(pair_mode), &pair_mode);
GAPBondMgr_SetParameter(GAPBOND_PERI_MITM_PROTECTION, sizeof(mitm), &mitm);
GAPBondMgr_SetParameter(GAPBOND_PERI_IO_CAPABILITIES, sizeof(io_cap), &io_cap);
GAPBondMgr_SetParameter(GAPBOND_PERI_BONDING_ENABLED, sizeof(bonding), &bonding);

Bonding 关闭意味着每次断开后不会保存对端设备的密钥信息，重连时需要重新完成配对流程。

配对方式：Just Works

当前配置组合 (NoInputNoOutput + MITM=FALSE) 决定了采用 BLE 的 Just Works 配对：

Central（手机）                        Peripheral（CH58x）
     │                                       │
     │──── Pairing Request ─────────────────→│  主机发起配对
     │←─── Pairing Response ────────────────│  IO=NoInputNoOutput, Bonding=0
     │                                       │
     │  ← 双方用 TK=0 计算确认值和 STK →    │  无用户交互
     │                                       │
     │←── Encryption Start ─────────────────→│  链路加密建立

临时密钥 TK 固定为 0，无用户交互
无 MITM 保护，链路上的中间人攻击无法被检测
不存储 LTK / IRK / CSRK，设备断电或断开后密钥全部丢失

广播与扫描响应

设备启动后发出两类广播数据：

广播包（31 字节上限）：

Flags: LE General Discoverable + BR/EDR Not Supported
Service UUID: 0xFFF0（自定义服务）

扫描响应（在主机主动扫描时返回）：

设备名称: "CH584F_HR_PROTO"（15 字符完整名称）
连接间隔范围: 最小 6，最大 6（固定 7.5 ms）
TX Power: 0（未显式指定功率值）

广播过滤策略使用默认值 GAP_FILTER_POLICY_ALL，未启用白名单过滤。

连接与断开事件流

应用层通过 ble_peripheral_state_changed() 回调处理状态迁移。该函数在 ble_peripheral.c:330 实现：

状态机转换：

   [空闲/广播中]
        │ GAP_LINK_ESTABLISHED_EVENT
        ▼
   [已连接]
        ├─ 记录 conn_handle
        ├─ 80 TU 后发起连接参数更新请求
        └─ 激活 TinyFrame 协议层
        │
        │ GAP_LINK_TERMINATED_EVENT
        ▼
   [等待/广播中]
        ├─ 清除连接句柄
        ├─ 清除协议层连接状态
        └─ 若之前广播已开启 → 自动恢复广播

连接参数更新请求始终使用相同的 min/max 间隔（6），本质上是在确认而非协商。断开后广播恢复逻辑由 ble_peripheral_set_advertising() 的状态变量 g_ble_peripheral_advertising_enabled 控制——如果应用层此前开启了广播，断开后自动延续。

绑定回调：当前全部为空

协议栈通过 gapBondCBs_t 结构体向应用层通知配对事件：

static gapBondCBs_t g_ble_peripheral_bond_callbacks = {
    NULL,  // passcodeCB   — 动态密码请求
    NULL,  // pairStateCB  — 配对状态变化
    NULL,  // oobCB        — OOB 安全配对
};

三个回调全部为 NULL 的影响：

passcodeCB = NULL：使用静态 Passkey=0，无法动态生成或向用户展示密码
pairStateCB = NULL：不感知配对进度，出现失败时无日志也无重试
oobCB = NULL：OOB 安全配对不支持

SNV 绑定存储：硬件已就绪，尚未启用

BLE_SNV = TRUE 已在 CONFIG.h 中开启，Flash 读写回调已在 CH58x_BLEInit() 中注册。但由于 bonding = FALSE，协议栈不会实际写入任何绑定数据。

如果将来启用 bonding，每个绑定设备将占用 6 条 NV 记录，NV ID 计算公式为：

nvID = (bondIdx * 6 + offset) + 0x0200

offset 0: gapBondRec_t    — 设备地址、地址类型、状态标志
offset 1: gapBondLTK_t    — 本地 LTK（16 bytes）、ediv、rand、keySize
offset 2: gapBondLTK_t    — 对端 LTK
offset 3: IRK (16 bytes)  — 身份解析密钥
offset 4: CSRK (16 bytes) — 签名解析密钥
offset 5: SignCounter      — 签名计数器（uint32_t）

存储区域位于 Flash 末尾（0x77000 - FLASH_ROM_MAX_SIZE），单块 256 bytes。如果设备需要绑定多台主机，需要调整 BLE_SNV_NUM 扩大存储空间。

启用安全配对的方法

如果需要提升安全性，按以下顺序修改：

1. 启用 Bonding

uint8_t bonding = TRUE;
GAPBondMgr_SetParameter(GAPBOND_PERI_BONDING_ENABLED, sizeof(bonding), &bonding);

2. 实现绑定回调

至少实现 pairStateCB，在 GAPBOND_PAIRING_STATE_BOND_SAVED 状态时记录绑定完成。如果需要动态密码，则实现 passcodeCB。

3. 为 GATT 特征添加加密权限

当前 BLE UART 服务的读写权限不加加密限制（ble_uart_service_16bit.c）。需要修改两处：

RX 特征值（第 138 行），将 GATT_PERMIT_WRITE 替换为：

GATT_PERMIT_ENCRYPT_WRITE,

TX 特征 CCCD（第 124 行），将 GATT_PERMIT_READ | GATT_PERMIT_WRITE 替换为：

GATT_PERMIT_ENCRYPT_READ | GATT_PERMIT_ENCRYPT_WRITE,

加密后，主机必须先完成配对建立加密链路，才能读写这些特征。GATT_PERMIT_ENCRYPT_READ 和 GATT_PERMIT_ENCRYPT_WRITE 定义在 CH58xBLE_LIB.h 中，分别为 0x40 和 0x80。

4. 按需启用 MITM

如果设备有显示或输入能力，可以启用 MITM 保护：

uint8_t mitm = TRUE;
uint8_t io_cap = GAPBOND_IO_CAP_DISPLAY_YES_NO;

注意：启用 MITM 后配对需要用户交互（确认数字或输入密码），对无屏设备不适用。

总结

当前固件的 BLE 配对策略可以归纳为几条关键事实：

配对模式为 Just Works，无认证、无 MITM 保护
Bonding 关闭，断开后不记忆设备，每次重连都需要重新配对
SNV Flash 存储已配置但未使用
广播在断开后自动恢复，遵循应用层的开关状态
连接间隔固定 7.5 ms，延迟极低，适合心率数据实时传输
升级到安全配对只需修改 bonding 标志、实现回调、添加加密权限三步