低功耗蓝牙BLE学习记录

RWBLECORE记录传输信道BLE的传输信道在2.4G频段有40个channel。包括2种物理信道：广播信道和数据信道。数据帧中设置AccessAddress用于标识该信道，防止信道碰撞。ChannelMAP如下：RF0RFCttfltttF即1・口”2402MHiCh^rtritlTypwAdvtrriisiiigchannelChaniwlInchiMAdvaiFlifiinQChann«llnd«X3712404MHzData.ch^nir)el02240€MHzDutuehikMkd1—D^tachaurftel'S---11□■atacharw^l1012Advertjsng-cteiTinel脏ia2420MH?Daiiachannel11142430MHzCkvkichannel12Da.iachannels382478MHrDadagh^rwl363自Adw&rbsirvgchanrw&l胸数据帧通信蓝牙帧结构如下:LSBMSBPreamhipAccewAWtfg勺PDUCRC。ociet)(4ocieis)(2悟阍fKtetS)居octets)F用陞21L“（L弗切pjctef修rmjtfPreamble:根据AccessAddress而定，假如AA的LSB（最右bit）bit为1,则前导便是10101010b,反之则为01010101b。AccessAddress：广播帧的AA为：0x8E89BED6其他情况可以是一个32bit的随机数。AA需满足以下条件不超过连续6个1或者0。与广播帧的AA不同bit超过1个。不能4byte相同。01跳变不能超过24次MSB6bit01跳变超过2次。以下逐个介绍PDU

、AdvertisingChannelPDU蓝牙广播帧帧结构LSBMSBHeader(1Cibite)号perttieLer^tfifleidintheHeader|其中Header的帧格式如下:LSBMSBFLXJlypfRFUIxAddRxAddLengthRFU(4brts)(2brfe)(1lbit)(1bit)<6bits)<2txts)其中,a、广播帧类型（PDUType）分为以下几类:PDOTypeSgm心q尸3倒UweMDClMH岫□Q01ADVDIRECTIND00-1(]ADY时QMCUMN9011SCAN.REQChMSCANwRaP0W1<X*iNECT_R£Qcm。MrySCAMMODill-1111Reserved?ADV_IND:connectableundirectedadvertisingevent?ADV_DIRECT_IND:connectabledirectedadvertisingevent?ADV_NONCONN_IND:non-connectableundirectedadvertisingevent?ADV_SCAN_IND:scannableundirectedadvertisingeventb、Length：3~37bytes广播帧分为很多种，其区别就是payload所代表的意义不同，以下分别对几种广播帧作分别阐释：1、ADV_INDADV_IND的payload格式如下:AdvA(6oc1ats>AdvDats(0-31octets)在广播帧帧头中的TxAdd位是广播地址的标示位:TxAdd==0:AdvA地址为公用地址；TxAdd==1:AdvA地址为随机地址。AdvData则是广播HOST的广播数据。2、ADV_DIRECT_IND这种帧用于直接接入的广播事件。ADV_DIRECT_IND勺payload帧格式如下:AdM(6InitA博actetjj其中AdvA的意义与ADV_IND相同。InitA为广播发起者地址：RxAdd==O:发起者地址是公用地址；RxAdd==1:发起者地址是随机地址。注意：该帧不包含任何HOST数据。3、ADV_NONCONN_INDPa^lOiadM收(6MWtj(031ocietM用于不可接入不直达(non-connectableundirected)的网络。其payload意义与ADV_IND类似。4、ADV_SCAN_INDPiaylQadAdVAAdvDataQ31g9tx用于可扫描不直达网络。Payload意义与ADV_IND类似。、ScaningPDUsSCAN_REQ这是扫描请求帧，处于广播状态的接收设备接收这种帧。PayloadScanA隹DC归国)AdvA6octetst此处，ScanA为扫描者的地址，其地址由TxAdd控制是公共地址还是随机地址。AdvA为该扫描帧的目的地址。由RxAdd控制意义。SCAN_RSPPayloadAdvAi6octets)ScanRspData{D-31octetsi扫描确认。处于广播状态的设备在收到扫描请求后，需要回复扫描确认帧。AdvA地址意义由TxAdd确定。ScanRspData为广播端的附带数据。三、InitiatingPDU该部分为连接发起协议。发起的帧格式仅一种：CONNECT_REQ由发起方发送该帧，广播方接收该帧。1)CONNECT_REQCONNECT_RECM格式如下：inhA■6octets)AdvA16octets：1LLData(22octetsiTxAdd确认InitA地址为公共地址还是随机地址；RxAdd确认AdvA地址为公共地址还是随机地址。LLData的数据格式如下：LLDataAACRCInrtWinSizeWinOffsetIntervalLatencyTrneoutChUHopSCA(4OCtGtS)(3octets)(1octet)(2octets)[2octets)(2octets)(2octets)(5OCtOlS}(5bits)(3tits)AA：AccessAddressCRCInit:CRC校验的初始值，它应该是LinkLayer产生的一个随机值。WinSize：发送窗长度参数。transmitWindowSize=WinSize*1.25ms。WinOffset：发送窗起始偏移量。TransmitWindowOffset=WinOffset*1.25ms。上述两个window意义如下：CONMECT

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REQI」F5,Adkthenr^lTfcramriWindow1二5rrbgq-t-trmer优，GO节wBOfl用闾砧ixn-ihH-筮dgg而审*3eriftechainedselecriLnalyiMm何*iprevifflja_e,¥i6nt_shanr!*1*t)Ad、k恬用

closecF母/94A2Mastas痴♦onLLconnection)如如*MH?"小冶"履WWcfcwQffeefsettozeroInterval：确定connectinterval的时间长度。conninterval=Interval*1.25ms。Latency：connSlaveLatency=Latency。TimeOut：connSupervisionTimeout=Timeout*10ms(100ms〜32s之间)，当两帧数据之间的时间间隔超过6*conninterval或者connSupervisionTimeout时，则认为连接丢失。ChM：即ChannelMAP,一共0〜36个信道。LSB代表channelO,哪一个是1,则哪一个信道有效。Channel37-39保留。Hop：5〜16之间的随机值，用于设置Hopincremento用于计算不使用的信道编号。unmappedChannel=(lastUnmappedChannel+hopincrement)mod37如果计算结果是属于保留信道，则通过下式计算：remappingindex=unmappedChannelmodnumUsedChannelsSCA设置Master睡眠时钟精确度的最大值。对应表如下：5CAmastersCA0251ppmto60appm1151ppm怕250ppm2101ppmto150ppm3?6ppmto100ppm451ppmto7^5ppm531ppmto50ppm€21ppmto30ppm7QDpmto20ppm

四、DataChannelPDU数据信道的帧格式如下:L5BMSB(16bks)-rPayload|MIC1(32E幡｝其中包括16bitHeader,长度可变的Payload,和一个信号完整性确认字段(MIC)。1、关于Header和MICHeader的数据格式如下:LLIDNE3NSNMDRFULengtnRFU(2bits)11训口喇(1&it)(3bits)(5bils.(3每个字段的意义如下:FnldnameLUD口sactipEi白件gLU口inaicaiMpaa*阵mLLPDUoranIXCotePDUooe■01bsLLDfftaPOLLCcnElTuatiocifragmentufanme&s&ae,OranEE1慎・LLDvHPOUSiaddtn«18PHmL2CAPeawg*小的2TrtgmtF阳i8.nti■ILLCflrWtiJPDUNESNMillExp*dBdtunttorSNS*quine«NumbfrMDg.Pa总LenigUiiTM5时MdihtliM柏ocWt,卓MP*y1o«daMMICfincMlM.MIC字段使用的时候，有两个条件：1、不能使用于非加密的数据帧；2、数据帧payload长度不能为0。字长为4byte。2、关于PayloadPayload分为两类，LLDataPDU和LLControlPDU(LLID==11b)。LLDataPDU里面又分为两类，一类是完整数据帧或帧碎片起始帧(LLID==10b),另一类是帧碎片(LLID==01b)。其中，帧碎片帧的帧长度可以为0,而完整(起始)帧的长度不可以为0。下面具体介绍LLControlPDU:LLControlPDU的帧格式如下：其帧长度不能为0,其中包含两个字段：Opcode和CtrData。

Opcode用于确定控制帧类型:OpcodeControlPDUNam*OkOOLL_C0NNECT10N_UPDATE^raEQOmOILljCHANN£L_MAP_R£QOmO?LILTERMINATEINO0⑼3LL_EMC_RFQOjiMILL_tNC._RSPILLSTART,ENCREOQkWLL_START_EWC_RSP0x(17LL_UNKNOWN_RSPILLFEATUREREQIL_FEATJRE_RSPOKHALL_PAJSL_LNU_RfcUQxOBLLpaajseencrspOfcOCLl_VERStON_INDOmODUL_REJECT_WOmOF-OmFFReservedforFilhjreIJ5e假如收到的LLCPDLa式不支持或者是无用帧，则回复LL_UNKNOWN_RSPPDU此时的Type字段需设置成收到的无用的opcode。LL_CONNECTION_UPDATA_REQ该帧的帧格式如下：QtrDataWinSizeWiiiOFfeelIlnitCTvalLatencyTimeoutInstant(1octet)(2octets(2octels)(2octets)Qoctets](2octeb)这些信息的意义在下一章的四中有详述。LL_CHANNEL_MAP_REQCtrl31atiChM(5octete)Insiant(2octets!LL_TERMINATE_IND:CtrOataErrorCode(1octet)这个ErrorCode在蓝牙协议中有具体制定意义。[Vol2PartD]LL_ENC_REQ:CtiDulaRandEDIVSKDmIVm(Boctets)(2ociets)(6octets)(4octets)和加密相关的请求帧LL_ENC_RSP:CtrDmWSKDsIVs(ftocl«tsi(4和加密相关的回复帧LL_START_ENC_REQ:没有CtrData字段LL_START_ENC_RSP:没有CtrData字段LL_UNKNOWN_RSP:CtrDataUiikncwnType

(1octel)LL_FEATURE_REQ:CllOdld(8cicters)LL_FEATURE_RSP:CtrDaiaFeature(8(kS1”LL_PAUSE_ENC_REQ:没有CtrData字段LL_PAUSE_ENC_RSP:没有CtrData字段LL_VERSION_IND:ClrOataVersNi(1octet)Carnpld(2octets!Sub'/ersNr(2OCtetSl关于蓝牙通信协议的理解一、时钟要求Active状态下小于土50ppm。SleepMode下小于土500ppm。二、设备过滤除了仅支持不可连接的广播系统（non-connectableadvertising）,其他模式均需支持设备过滤。广播、扫描、连接发起均具有各自独立的过滤机制。如果芯片不支持这几种模式的话，那就可以不支持设备过滤。设备过滤是为了尽量减少不必要的数据通信。设备过滤时需要具备一个白名单，白名单内容包括不过滤设备的地址和地址类型（公共或随机）。白名单内容由HOST设置。以下对各种过滤模式作一个介绍：1、广播过滤支持过滤方式如下，一次仅支持一种方式：广播设备仅处理来自白名单的设备的扫描、连接请求。广播设备处理一切设备的扫描、连接请求。（复位值）广播设备处理所有设备的扫描请求，仅处理白名单的连接请求。广播设备处理所有设备的连接请求，仅处理白名单的扫描请求。2、扫描过滤支持过滤方式如下：扫描设备仅处理来自白名单设备的广播帧。扫描设备处理一切设备的广播帧。假如广播方已经过滤该扫描设备的话，通信不能成功。3、发起过滤支持过滤方式如下：被发起设备处理来自白名单内所有设备的连接发起请求。被发起设备忽略白名单，仅处理host给出设备的连接发起请求。

三、非连接状态简述1、standbyStandby是复位后的芯片初始状态，由它可以进入广播、扫描和连接状态。2、advertisingadvertisingevent将advertisingevent将«aconnectableundirected白.电ntagnnectabldirectedeventanon-connectableundirectede^entascannableundirectedevent第一帧广播帧应该在channelindex中的最低的广播信道发送。广播事件是否有回复帧由广播帧类型决定，具体如下表：AdvdrtisinQEvftniTyp»PDUUE«dinth泳aetvertifing*vtmttyp»Allowablerespcn&ePDUsforSCAMNEGCUNNtCT_RtCCcnnectableuncli-rftcTAdADV_IMDYESYESConnectableDirectadItvenlADV_DIR£CTJNDNOYES*Won-canriBCIfltoleUr>direcie<JEvenrADV_NONCOJN_INDNONOSeamaNeUndi-n&CfedEventADV_5CANJNDYESNO当收到错误的返回帧时，广播端会在下一个广播信道发送广播帧，或直接停止广播事件。广播事件间隔必须是625us的倍数，范围在20ms~10.24s,其设置方式如下：T_advEvent=advInterval+advDelayscannableundirected和non-connectableundirected事件，advInterval长度必须大于100ms；connectableundirected事件，advInterval长度必须大于等于20ms。advDelay是0~10ms的伪随机数。连续广播帧发送示意图如下：AdmrEig

SlatsFtCftae41白小毛村足"剪曰/历施加由甘力24，疗所疗已打效也e曲DelayConnectableUndirectedEventTypeINDADV_INDADV_IND4他Advids=INDADV_INDADV_IND4他Advids=38£IQ-37Aam^Hi&inq

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denedFjyure44,CtxwpecVdWec/加力代fed甘上日加♦四*t*Ew加WCAf$_REQuridSCANRSPpudcefsdttheendof加atfucrfwrisfcrcntHgurs45Comecfc心teundirectedaWe欣geventduringiWwchaCONNLCl_Rk(JPDL/后ADWJMDJO/JNDMf.tdxXZ2I.一AcNr.iia=tewnrsTEaHeJt如vcrtoFewwdcaedrecerved如图4.5接收到CONNECT_RE0后，广播方便退出广播状态，进入Slave状态。ConnectableDirectedEventType3CIRECT

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CwN!Fque4&CtxmecfaWed/zecft?d球相ntfypeShoniyotf/ErtranflFVUsNote:ConnectabedirectedadvertisingIsdesignedforcasesinwEchfastiLink网眼30g肌理皿电®第则祝就BONG网3ItIsapo'^andb日ndwidihintensiveadvertisngschem©thatshouldonlybeused“henfmskcgnn应［:tiun&宜tupisrequired.c)ScannableUndirectedEventTypeAOV

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ttriAdF<gnrc49iJcannciXew。reefed的e双犯jevenf'/rtT?SCA/J_f?£Gand€GAN_RSPPOUsatftieeixJH皿advw^sr'Q丑史值d)Non-connectableUndirectedEventType1、scanning检测状态是用来监听广播帧的，其状态由HOST控制，分为主动扫描和被动扫描。扫描状态下有两个参数scanWindow、scanInterval用于设置一次扫描的时间。扫描时间不能长与10.24s,scanWindow<scanInterval。被动扫描(PassiveScanning：只接收帧，不发送帧。主动扫描(ActiveScanning)：监听广播帧，根据广播帧格式，回复相应帧。ADV_IND/ADV_SCAN_IND->SCAN_REQADV_DIRECT_INDPDU/ADV_NONCONN_IND不回复SCAN_REQ扫描需进行退避操作。具体看文档吧，就不贴进来了。2、initiatinginitiating没有channelindex的限制。当收到一个在过滤白名单内的ADV_IND或ADV_DIRECT_IND，发起者将会发送一个CONNECT_REQ给广播方。发送完CONNECT_REQ后退出发起状态，进入连接状态。四、连接状态简述：当发起者发送CONNECT_PDlM者广播方收至ijCONNECT_REQ贝U认为连接被创建，但此时并非认为已经建立连接。只有当正式开始数据通信后，才认为连接已经被建立。连接建立后，连接中有两个角色：Master和SlaveMaster主控connectionevent的时序。每次connectionevent便是Master和Slave的一次同步结点。1、连接事件(ConnectionEvents一次连接时间，使用同一个channelindex。每次连接至少进行一次数据传输。Slave端在接收到来自Master的数据帧后，无论CRC是否正确，均需要回复数据，除非多次连续CRC不正确。Master也是不管Slave发过来的帧是否正确，均需回复数据，没有除非。无论CRC是否正确，我们都认为Header是对的。Master收不到来自Slave的数据，则关闭connectionevent。Master和Slave都能关闭此次connectiono连接事件持续时间长度由conninterval和connSlaveLatency决定。每次连接事件的起始点称作anchorpoint。在anchorpoint,Master开始发送数据，Slave开始接收数据。conninterval便是本次连接的持续时间。Master必须确保本次连接时间在下次anchorpoint之前间隔T_IFS的时间关闭。conninterval长度必须是1.25ms的倍数，长度在7.5ms〜4.0s不等。conninterval由发起者通过CONNNECT_REQ传送给广播方。connSlaveLatency是Slave端允许的监听延时时间，其长度范围如下：0〜((connSupervisionTimeout/conninterval)-1)且必须小于500。也而是说，假如connSlaveLatency=0,贝USlave需要在每个anchorpoint时刻监听。没收至U设置connSlaveLatency的帧时，亦如是。Master和Slave均有一个I6bit的计数器connEventCounter每有一次connectionevent,计数器就加一，假如溢出则循环。它是用于LinkLayer作同步时用。Slave在等待connSlaveLatency时，该计数器亦计数。2、连接超时(SupervisionTimeout)蓝牙系统为了检测连接丢失，便设置了一个SupervisionTimeout计数器TLLconnSupervision。每次接收到数据帧，则计数器清零。SupervisionTime超过以下几个范围则认为超时：•大于6*conninterval,大于connSupervisionTimeoutconnSupervisionTimeout为10ms的倍数，范围是100ms〜32s,并且小于(1+connSlaveLatency)*conninterval。Timeout以后，设备停止发送，进入Standby状态，并且上报中断。3、发送窗(TransmitWindow)TransmitWindow的信息包含在CONNECT_REQh传送给发起者。发送窗起始是在收到CONNECT_RE0后transmitWindowOffset+1.25ms,transmitWindowSize定义发送窗的宽度。transmitWindowOffset范围1.25ms的倍数，0ms〜conninterval。transmitWindowSize范围1.25ms的倍数，1.25ms〜10ms|conninterval-1.25ms。4、主设备(MasterRole)建立连接后，发起的一方成为Master。连接状态建立以后，Master重新设置TLLconnSupervision,LinkLayer确认连接已经建立。随后Master在transmitwindow时间内开始发送第一个数据帧，Master的第一帧长度可以超过

transmitwindow。Master决定第一个anchorpoint,下一个anchorpoint=conninterval+firstanchorpoint。以下是一个例子:Fkjutf4.12:/Jeter'swei/vcoLLconnectionsetupsettozero5、从设备(SaveRole)建立连接后，广播的一方成为SlaveSlave一方也相同，重新设置TLLconnSupervision,LinkLayer确认连接已经建立。连接建立后的第一帧，无论CRC!否收对，都把它作为第一次连接事件的anchorevent。假如第一个transmitwindow没有收到数据帧，则准备在下一个transmitwindow下接收数据，而此时事件同步计数器connEventCount亦加一。Figure413:磁足dosingLLconnectionsetupinthesecondLLconnectionevent6、关闭连接事件（ClosingConnectionEventsHeader中的MD位标识是否该次事件之后还有数据发送。假如MD置位，则Master接着发，Slave接着收。任何一方收不到对方的帧了，均关闭连接事件。连续两次收到数据CRC^对，也关闭连接事件。总结如下:MD=0MD=1Slav4MD^OMuster缙wllnu<uwidjrimlmrpacketekningiht?eoniwc-(ioneventSlawdoesnotneedtohslen曲Efsendingit$pnckfllMasl^riridryconTiriueUh。conriec-t记mcm酿密心gslwxildl1招lerialterendingitspacketMD-1Mastermaycontinuellheconnectionevent.SlaveshouldlislenaftersendingitspacketMasterrruycontinueCheconhec-tfOiieventSlaveshouldllistenaftersendingrtspacket.7、发送窗拓宽(WindowWidening)由于发送端接收端都存在晶振频偏，所以可能会导致Slave端anchorpoint不同步，因此Slave每次接收完一个数据帧，均需同步一次anchorpoint。接收端需要根据发送端的频偏MasterSCA和接收端频偏SlaveSCA来计算接收端的接收窗拓宽参数，以保证数据成功接收。计算方式如下：windcwWid^ng-((rra^terSCA+ff/akeSC(A)■11000000)'f^eS/ncetas-tAnchcr其值应小于((conninterval/2)-T_IFSus)。假如到达这个值，则认为连接丢失。8、信道列表选择(DataChannelIndexSelectionMaster端需要给此次连接的信道分类：使用信道和不使用信道。使用信道最少为两个。信道分类由HOST产生。而Slave的ChannelMap通过CONNECT_RE㉚接收到本地。连续的connectionevent每次需要获取两个参数unmappedChannel和lastUnmappedChannel。前者是此次连接没有使用过的信道列表，后者是前一次连接未用过的信道编号。未用信道编号计算方法如下：unmappedChannel=(lastUnmappedChannel+hopincrement)mod37假如unmappedChannel为usedChannel的话，则此次的ChannelIndex贝肝艮据这个unmappedChannel彳导至U该次connection所使用的Channelo假如unmappedChannel为unusedChannel,则根据下面公式计算得到一个remappingindex。remappingindex=unmappedChannelmodnumUsedChannels总结如下图：

9、确认机制和数据流控制(AcknowledgementandFlowContro|数据的确认依靠transmitSeqNum(SN)和nextExpectedSeqNum(NESN来控制。NESN用于确认前一帧是否接收正确，是否需要重发。刚刚进入连接状态，SN和NESN均需设置成0。控制方式如下图：NESN在一种情况下不会被更新，就是接收BUFFE杯够的情况。这会使发送端重传该帧，如此实现数据流控制。五、LinkLayer控制描述LLCP(LinkLayerControlProtocol)是用来控制两个LinkLayer之间的控制和协商的。其中包括连接控制，加密控制等等。1、LinkLaye睢接更新和ChannelMap更新每次进入连接状态后，设备均需更新conninterval,connSlaveLatency和connSupervisionTimeout。Master通过发送LL_CONNECTION_UPDATE_REQ帧来实现参数更新，Slave不能发送这种格式的帧，它通台使用L2CAP言必回复更新旅来确认参数更新。参数更新之前使用老的参数，更新之后使用新参数。Slav渊收至ULL_CONNECTION_UPDATE_REQ之后，假如connEventCountmod65535小于32767,并且不等于本地的connEventCount,此时它需监听所有的ConnectionEvent,直到确认Master收到自己的REQACKSlave在确认两边connEventCount相等之前的ConnectionEvent均需要监听。假如connEventCountmod65535大于32767,贝USlave认为MMaster丢失连接，回至UStandby状态，并上报主机。Master这边，需要在第一个TransmitWindow内发送数据，它发送的这帧数据作为此次Connection的anchorpoint。Master在这个anchorpoint以后更新它的conninterval,并清零TLLconnSupervision计数。假如使用自动发送LL_CONNECTION_UPDATE_REQ,则Timeout参数不跟新，与前次LL_CONNECTION_UPDATE_REQ或者CONNECT_REQ设置时相同。其他参数亦如是。自动更新机制用于Master由于其他需求，需要更改anchorpoint时间。ChannelMap的更新由LL_CHANNEL_MAP_REQ完成，2、加密加密参数设置通过LL_ENC_REQ和LL_ENC_RSP开始加密：LL_START_ENC_REQ和LL_START_ENC_RSP结束加密：LL_PAUSE_ENC_REQorLL_TERMINATE_INDPDUsEmptyPDUsorLL_PAUSE_ENC_RSPorLL_TERMINATE_IND3、FeatureSetExchange进入连接状态以后，蓝牙设备之间需要交换各自所支持的功能参数。该过程通过LLFEATUREREQPDULLFEATURERSPPM信息。数据帧交换时间关系如下:具体的Feature对应位如下图所示:

SilpoaitionLink5厘F«etanValklfroinControllertoHostValidfromlloMtoControllerValidfromControllertoControlk>r0LEEncryptionYYY1—2RFU4、VersionExchangeLL_VERSION_INDB交换信息。其LL_VERSION_INDB交换信息。其VersNr：所支持的蓝牙协议CompId:认证信息SubVersNr：Controller的实现版本号。5、TerminationProcedure终止通信，通过LL_TERMINATE_INDB交换信息。IP架构Figure2-1showst'hetop4^vdblockdiagramofHi通Figure2-1showst'hetop4^vdblockdiagramofHi通RW-BLtCore,alongwiththemainsurroundingblocksithintegratedlintoan以下是几个理解上的难点:、关于ExchangeTab的ControlstructureExchangeMemory是一个动态的存储器件，其中包括了ExchangeTabekControlstructure、T/RxDescriptor、T/RxBuffer,它们之间的连接都是由指针完成。关系大概如下:STA-TJBaLit1U1.MO