蓝牙低功耗数据泵的实现

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Allrightsreserved1of14白皮书蓝牙低功耗数据泵的实现作者GeorgeCharkoftakis,PanagiotisSifniadis版本1.
0日期30/10/2019Achilleos8andLamprouKatsoni,NeueStrae9517674,Kallithea,Athens73230Kirchheim/Teck希腊德国电话:+302109310580电话:+497021805-0传真:+302109310581传真:+497021805-100蓝牙低功耗数据泵的实现www.
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Allrightsreserved2of14白皮书序言本文介绍了蓝牙低功耗(BLE)的一些特定用例,称为数据泵的应用,在该类应用中,外部的MCU可向有BLE功能的设备推送和拉取数据.
该类应用的关键要求是可通过低功耗蓝牙无线链路进行数据透传,而不关心数据的类型、配置文件(profile)或数据的最终应用.
在本文中,我们呈现了对接到蓝牙软件协议栈中不同层的各种可能性.
数据泵架构的每种设计选择均有明确的优缺点,从纯技术的(如速度或功耗)到与业务相关的(包括成本、可维护性和上市时间).
围绕这些方面,我们将建议您如何根据不同的应用做出正确的选择.
在考虑特定用例的情况下,本文的其余部分介绍了Dialog的DA14531器件在实现数据泵应用时的适用性.
DA14531是一款成本优化的解决方案,可作为完全可配置的BLE主机控制器接口(HCI),或运行实现与数据无关的"无线串行"端口的应用等.
数据泵应用图1显示了通用数据泵架构的简化图.
它由两部分组成,支持BLE的子系统和上层应用的子系统.
我们称前者为控制器,后者为主机.
根据在每个子系统中实现的BLE协议栈的不同部分,可以进行几种配置,后文将对这些配置进行介绍.
图1通用BLE数据泵架构两个子系统共享数据线来交换信息,控制线来实现功能,如流控制、睡眠控制、事件指示、复位、甚至是对控制器的电源控制等.
数据接口的实现通常是一套标准的串行协议,例如UART、SPI或IC.
它可以遵循标准流程,比如UARTHCI协议,也可以遵循定制流程,以节省引脚(IC)或提高链接速度(SPI).
其余与控制相关的功能是使用其他通用输入/输出(GPIO)实现的.
也可以将部分控制要求与数据线复用,或使用带内控制信令.
正确的选择通常取决于控制器和主机中可用的GPIO,以及可用的硬件接口及其功能.
图1所示的系统架构非常通用化.
它存在于大多数嵌入式系统中,有经验的工程师都会比较了解,因此有助于将现有的非BLE系统迁移到蓝牙的世界.
BLE子系统成为应用子系统的外设,可以使用标准串行接口将其连接到应用上.
BLE的标准对其中一种设计选项进行了定义:HCI.
这是数据泵架构中最强大的一种,为应用子系统提供了对BLE控制器的最大控制.
但不应认为这一设计选项一定是最佳选择.
使用HCI的学习曲线是不可忽略的,而对BLE的专业知识也至关重要.
HCI解决方案还会占用应用子系统大量内存和CPU资源.
那么可以对其进行简化吗可以,而且已经开发了多种不同的解决方案来解决这个问题.
在下一节中,我们将讨论使用数据泵构建系统时的需求和挑战.
主机和控制器之间的接口UART是连接BLE数据泵控制器及其主机的最常用接口.
它具有全双工传输的优势,且仅需要最简单的两条线路.
一般而言,两个设备均可以随时发起通信.
可实现921kbps数据速率.
UART接口被认为是实现BLEHCI和不同数据泵架构的标蓝牙低功耗数据泵的实现www.
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Allrightsreserved3of14白皮书准,我们将在后文进行讨论.
其中一个主要缺点是UART只在两个设备之间使用,并且无法支持总线架构.
同时,也是一种昂贵的资源,因为系统中总是没有足够的UART接口.
另一个选择是SPI.
它也是全双工传输,但可以实现超过20Mbps的更高的数据吞吐量,并且支持总线架构.
它至少需要四个信号.
但支持总线架构的功能也带来了一定的缺陷,即所有传输都由总线上的SPI主设备控制和启动.
SPI从设备无法启动事务,必须请求主设备进行.
SPI主设备准许SPI从设备的请求并读取数据.
因此需要具有信号交换和优先级的协议.
通过这样的协议处理全双工通信是很复杂的,通常实际的数据传输是半双工的,这意味着两个设备中只有一个会在给定的时间点通过SPI链路传输有用的信息.
第三个常用的同步通信接口是IC.
其主要优点是它仅需要两个信号即可在通信设备之间共享,并且可以形成带内寻址总线.
最大数据速率从100kbps到1Mbps不等.
IC绝对是半双工的,并且具有与SPI相同的缺点,即从设备无法启动传输,因此需要信号交换协议.
低功耗管理靠电池供电的应用需要优化功耗.
对功耗敏感的应用要求系统的两个部分(主机和控制器)都可以尽可能地进入低功耗状态,通常称为睡眠状态.
BLE数据泵的应用场景也不例外,且必须不间断地支持睡眠管理.
在主机/控制器交换数据的情况下,控制器必须能够唤醒并通知主机有需要处理的数据,反之亦然.
控制器和主机都应能够缓存少量数据,以补偿唤醒对方所花费的时间.
长时间处于休止状态的系统可能还需要在不使用通信接口时,将控制器置于非常低的功耗模式,甚至使控制器断电.
睡眠管理通过专用的GPIO引脚实现,或与流控制或数据线引脚复用.
带宽数据泵架构可用于满足不同的数据吞吐量要求:从偶尔传输小数据块到连续传输大量数据.
数据泵必须能够处理所有这些情况.
在连续传输大量数据的情况下,应使用专用的二进制模式,从而允许通过共用接口以尽可能高的速率透传原始数据,而没有因为header和其它带内信号字段带来的延迟和开销.
另一方面,对于零星的数据传输,所使用的协议可以支持任何带有header的通知机制,以将数据作为消息的一部分进行传输.
在这种情况下,信号交换机制和header只会对系统带来最小的负担.
电源选择在上文中,我们简要讨论了功耗和睡眠管理.
设计人员在选择控制器时还必须考虑电源本身,尤其是当打算将其集成到现有设计中时.
现有的主机子系统可通过多种能源供电,包括具有不同额定电压和容量的电池、太阳能电池板或电网.
控制器应能够使用现代微控制器子系统中常用的各种电压工作.
其它要求另外,还需考虑其他几个参数.
下文列出的是我们已知的可能影响数据泵控制器选择的一些要求.

尺寸:嵌入式系统通常具有很大的尺寸限制.
现代BLE的数据泵控制器的体积小且组件少,即使在空间极度受限的设计中也可以轻松实现接口.
Boot延迟:引导时间是指控制器在复位后可被外部主机访问所需的时间.
它可能直接影响整体功耗和响应能力.

传输输出功率控制:这是微调功耗或实现近场模式功能所必需的.
最大输出功率:提高射频链路吞吐率,尤其是在进行流传输时.
成本:成本始终是重要的考量因素.
数据泵控制器的总成本越低,现有未与外部连接的应用接入连接的可能性就越大蓝牙低功耗数据泵的实现www.
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Allrightsreserved4of14白皮书通过BLE实现数据泵在介绍BLE数据泵架构的不同形式之前,让我们回顾一下蓝牙协议栈架构(图2).
BLE协议栈由几层组成.
底层包括射频、基带和链路层;处理射频操作,射频事件调度,连接的建立、管理和数据传输.

用于对接协议栈底层和上层的是标准的HCI协议.
该标准允许用户以最小的改动置换主机协议栈或控制器IC在HCI上方,信息分为两条不同的路径.
a)橙色路径主要涉及数据驱动的操作,包括L2CAP、ATT和GATT层.
它还可能包括位于GATT层之上的标准配置文件和服务的实现.
b)蓝色路径主要与连接控制和射频操作有关.
GAPM层处理大多数此类操作,而SM层主要负责与安全性相关的操作.
对应用层的接口方面,有可用的GAP层API可供控制,有可用的标准配置文件的服务或可直接调用的GATT层API可供数据传输用.
图2BLE协议栈数据泵的变化形式图3显示了4种BLE协议栈的划分方法,不同的划分对应不同的主机-控制器组合配置.
在每种情况下,切线(Cx)将BLE协议栈分为下部(控制器)和上部(主机).
数据泵对经过切线的消息进行序列化,并将它们传递给通常位于外部子系统的主机.
BLE协议栈中缺少的层的功能必须在主机设备中实现.
表1总结了数据泵架构的不同形式,以及一些基本属性和所使用的协议.
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Allrightsreserved5of14白皮书表1数据泵架构的不同形式切线通信协议对控制器的控制备注C1HCI完全标准HCI主机-控制器的实现C2DGTL完全DialogGTL主机-控制器的实现.
将所有协议栈的消息序列化之后给到应用层,反之亦然.
C3DGTL–混合选定的DialogGTL主机-控制器的实现,可以选择哪个应用层的功能在控制器中实现,以及哪个应用层的功能向主机公开.
C4应用定义的协议有限的控制器运行完整的BLE应用,并给主机提供有限的(如CodeLessAT工程)控制或无控制(如DSPS工程);并提供一条数据管道用于数据透传.
图3可能的控制器-主机配置HCI主机-控制器架构上文中C1产生了HCI配置.
这是蓝牙技术联盟的一个标准协议,受到诸多供应商的支持.
Dialog除了提供标准的UART接口的HCI实现之外,还提供其它经过验证的解决方案——可通过专用的协议将HCI消息序列化之后用IC或SPI接口传输.
HCI控制器的实现系基于蓝牙技术联盟认证的一个控制器.
这使开发人员可以从众多供应商中选择一个BLE主机协议栈,并且仍然可以确保高度的互操作性.
主机可以不受限制地完全控制控制器的功能.
控制器支持的任何功能都可以被调用和控制.

这种方法存在一些缺点.
例如,BLE的上层或类似功能必须在主机中实现.
这通常意味着实现经认证的主机协议栈会产生额外成本,并且需要具备与BLE有关的专业知识.
但是蓝牙认证的控制器仍然可以确保最小的互操作性.

该架构也不是功率最优化的.
控制器需要进行唤醒以服务射频事件,并与BLE协议栈的上层交换信息,以操作应用事件和与应用无关的事件.
这意味着主机必须更频繁地被唤醒,从而消耗更多功率.

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Allrightsreserved6of14白皮书蓝牙上层的存储资源也不容忽视.
代码可能需要50Kbytes,数据可能需要10Kbytes.
图4HCI主机-控制器架构GTL主机-控制器架构GTL架构在控制器中包含了完整的蓝牙协议栈.
GTL作为一项专用协议,可通过串行链路交换所有与应用程序相关的消息.
使用的接口可以是UART、IC或SPI.
GTL按照与HCI协议类似的原理进行操作.
它提供了一个针对BLE应用的所有事件和命令的接口.
GTL比HCI更省电,因为外部主机只应处理与应用有关的信息.
此外,由于在控制器中实现了蓝牙协议栈,因此该架构用户只需要为外部主机开发更少的代码.
但它依然很复杂,需要对控制器供应商协议栈的所有操作有充分的了解.
Dialog自己的GTL方法(即DGTL数据泵架构)非常通用,它有两种形式.
纯版本(图3中的C2)遵循标准GTL方法.
同时,在DGTL-混合(图3中的C3)中,设计人员可以将部分应用代码移至控制器中,并将部分功能开放给外部主机.
这提供了进一步优化功耗并降低主机软件复杂性的潜力.
一个典型的应用是,可选择将服务的实现放在系统的哪一部分中(主机或控制器).
包含静态信息(如设备ID)的服务,最好在控制器上实现,这样就无需每次在远程用户希望从该服务上读取信息时都唤醒外部主机.
相反,可以在外部主机中实现包含动态信息的服务,以简化信息的验证,并减少通过串行接口交换的数据量.
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Allrightsreserved7of14白皮书特别是对于新应用,DGTL比HCI更好.
它不仅更加节能,而且由于主机和控制器之间需要交换的信息较少,因此可以实现更高的吞吐量.
此外,它提供了对协议栈的完全控制,消除了互操作性的问题,因为该规格来自供应商的控制器实现,并且不需要额外的成本来为主机获取蓝牙软件组件.
图5DGTL(左)和DGTL-混合(右)架构.
注:在DGTL-混合情况下,部分BLE应用位于控制器内(以绿色显示)但也存在一些缺点.
DGTL将外部主机与控制器的供应商紧密耦合.
使用此架构需要很好的蓝牙技术,并且对控制器中的实现方式有很好的了解.
应用定义的协议–DSPS/CodeLessAT图3中最上层的切线(C4)涉及在控制器中实现一个完整的BLE应用.
该应用处理所有蓝牙相关的功能,并通过自定义协议仅将经过协议栈的特定的数据、命令和事件公开给外部主机.
DSPS主机-控制器架构该架构的一种应用,是Dialog的串口服务(DSPS,充当UART串口线)参考设计.
参考设计中提供了两种实现方式:一种用于中央设备,一种用于外围设备.
在现实生活中,中央设备通常是安卓/iOS手机.
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Allrightsreserved8of14白皮书图6DSPS主机-控制器架构DSPS在设计时考虑了简易性和性能.
对蓝牙链路无控制.
连接参数是硬编码的,且连接由控制器处理.
在使用安卓/iOSDSPS软件时,终端用户可以选择要连接的DSPS设备.
可以将DSPS视为串行端口的替代,或将串行化的数据传输到主设备或从主设备传输串行化数据的通用方法.
DSPS应用的核心是一套定制的BLE服务,仅使用三项特征.
其中两个用于RX/TX,另一个用于流控制.
对于控制器和主机之间的串行接口,当两端都支持该特性时,可以通过RTS和CTS信号的标准流控制实现.
利用内部循环缓冲区、DMA和流控制机制对DSPS进行了优化,最大程度地提高数据吞吐量.
对于特定设置,吞吐量可以超过600Kbit/秒.
DSPS是功率最优化的解决方案之一.
控制器和主机仅需在与数据相关的应用活动中相互唤醒.
所有其他操作均由控制器处理.
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Allrightsreserved9of14白皮书图7:典型DSPS性能表作为一个数据泵,DSPS架构可以在主机干预最少的情况下传输大量数据.
那么对蓝牙链路的控制情况如何呢当应用需要控制连接及其参数时,DSPS并不是一个好选择.
当然,DSPS实现是在源代码中提供的,终端用户可以通过修改代码以编译自定义DSPS来优化连接参数并增加对连结的控制.
这需要具备DSPS软件知识,了解其内部架构以及在控制器环境中进行开发的能力.
当现有的DSPS功能完全满足应用需求时,与DSPS类似的数据泵是想要连接智能手机的设备之完美选择.
几乎不需要具备蓝牙知识即可使用控制器.
主机的代码开发简化为处理用于数据传输的串行接口,并且可以毫不费力地建立自管理的虚拟UART无线连结.
但是,如果某些应用要求得不到满足,设计人员将面临要么投资定制DSPS解决方案,要么选择另一种能提供更大灵活性的架构的困境.
CodeLessAT命令数据泵与DSPS数据泵类似的另一种应用是CodeLessAT命令数据泵.
CodeLessAT命令应用不仅提供数据管道,而且通过蓝牙连接提供了有限的控制路径,因此与DSPS相比,它适合于更多的用例.
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Allrightsreserved10of14白皮书图8ATCodeLess主机-控制器应用与前面描述的HCI和DGTL数据泵解决方案相比,CodeLessAT命令的主机实现明显更简单,并且在BLE协议中对使用者的知识能力要求很低.
因此,基于这种方法的解决方案可以大大缩短具备BLE连接功能的产品的上市时间.
Dialog半导体公司推出了CodeLessAT命令解决方案.
这类方案在市场上经常可以找到.
顾名思义,这些解决方案是基于AT命令的,并试图向用户隐藏BLE实现细节.
AT命令是简短、易于理解的文本命令,可以通过任何可用的通信接口(UART,SPI,IC)发出.
每个命令都指示CodeLessAT控制器执行一个或多个预定义功能.
根据功能产出的结果,CodeLessAT控制器会给出适当的响应.
典型的CodeLessAT命令支持扫描其他BLE设备,建立新连接和基本连接管理.
主机开发的基础是在适当的时候发出AT命令,并响应错误代码以及作为数据源或数据接收器.
与更传统的与控制器交互的方式相比,此方法具有多个优点.
在"主机-控制器"链路上传输的主要是应用层相关的消息,功耗由控制器管理,因此它比较节能.
此外,CodeLessAT还提供了简化的BLE连接管理和数据传输控制.
因此,用户无需熟悉BLE底层的细节.
在主机中开发最终应用所需的工作最少.
AT命令很容易记住,所有消息均采用用户可读的形式,没有任何含义模糊的代码和晦涩的信息,设计人员因此可以直接与控制器进行交互或实验.
CodeLessAT命令应用可被用于BLE的入门,降低BLE的学习门槛.
用户可在深入钻研更复杂的解决方案之前,自己通过该应用熟悉一些BLE的概念.
因此,该应用能显著加快开发进度.
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Allrightsreserved11of14白皮书这种方法也存在一些缺点.
CodeLessAT在数据吞吐率上没有作优化.
尽管功能强大,但CodeLessAT命令应用仅支持有限的一些BLE协议栈功能.
因此,在开发过程中,设计人员可能再次面临困境:要么扩展CodeLessAT控制器功能,要么采用提供完全灵活性的其他解决方案.
数据泵应用中的DA14531DA14531关键特性DA14531是DA145xx系列BLE产品中的最新成员.
该设备在成本和功耗上都经过了优化,主要应用于简单的、一次性及数据泵类的产品.
它可用作本文中介绍的所有数据泵架构,作为HCI、GTL、DSPS或CodeLessAT控制器.
满足数据泵的要求如上所述,数据泵应用的关键要求包括数据吞吐率、主机与控制器之间的接口选项、低功耗、供电的灵活性、小尺寸和低启动延迟.
DA14531从一开始就被设计用来满足数据泵控制器的基本要求.
图9DA14531框图除了符合蓝牙5.
1规范外,它还提供全部三种类型的串行接口(UART,SPI和IC),从而允许主机子系统中使用任何类型的串行通信.
DA14531的功耗得到了优化,这得益于其可配置的发射功率,和其在Buck模式(3.
3v供电)下低于2.
2mA的射频接收电流.
电源管理电路围绕两条电轨(VBAT_HIGH和VBAT_LOW)构建.
在两个电轨之间,有一个DC/DC转换器,一个LDO和一个内部开关.
该设置允许DA14531在主机子系统中可用的任何电压下工作.
例如,如果电压低于1.
8V,则可以在VBAT_LOW处提供该电压,并使用内部DC/DC转换器将其升压至VBAT_HIGH.
可以向VBAT_HIGH提供1.
8-3.
3V的电压.
在这种情况下存在多种选择.
可以使用内部DC/DC转换器将电压降压至VBAT_LOW,以优化功耗.
对于降低成本的解蓝牙低功耗数据泵的实现www.
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Allrightsreserved12of14白皮书决方案,两个电轨都可以在外部进行缩短以节省DC-DC电感器的成本.
或者,可以使用内部LDO或开关代替降压DC/DC配置,以将VBAT_HIGH的操作扩展到1.
8V以下,以消耗电池电量.
DA14531提供多种封装选择.
FCGQFN24封装尺寸为2.
2mmx3.
0mm,并提供12个可用的GPIO.
WLCSP17封装尺寸仅为1.
694mmx2.
032mm,但仍具有6个可用的GPIO,从而最大程度地减少了实现BLE连接所需的占板尺寸.
如果从外部闪存读取代码,则设备冷启动将在不到30毫秒的时间内完全运行.
如果代码存储在内部OTP存储器中,则启动时间将降至1.
5毫秒.
应用案例智能白色家电大多数中高端白色家电已经包含了一个微控制器单元,以实现一些高端功能,例如精细控件和高级用户界面.
但由于成本和复杂性,仍缺少无线连接功能.
将无线连接功能引入此类设备将带来一系列新的可能性,使消费者可以通过智能手机与家电进行交互.
简单的应用场景包括交换宝贵的使用情况统计数据(如工作时间和功耗),以及服务或错误代码日志以远程诊断问题.
此外,可以通过智能手机提供的功能强大的接口来配置家电,或进行个性化设置.
在这种情况下,BLE的安全性将成为重要考量因素.
Dialog提供了有助于此类应用开发的工具(SDK、参考设计).
由于目前还没有为大多数白色家电定义BLE的标准服务,因此类似DSPS的数据泵是为这些设备提供连接的绝佳起点.
不但没有互操作性要求,而且在DSPS提供的无线串行接口上唯一需要开发的是一个专有的命令响应协议,能够维持无线连接中可能发生的突然断连.
仅通过该协议的实现,该家电就可以交换信息和命令,而无需花费时间做出与BLE相关的决定.
图10"智能"熨斗用例家电在通电时会向外界告知其自身的存在,并能够连接到附近的智能手机.
人们很容易联想到智能洗碗机或智能电炉,但DA14531的成本和尺寸使其甚至可以为小体积和成本敏感的应用提供连接功能,如智能熨斗或智能电吹风.
许多已经具备微控制器并可以省去几个引脚的小型设备,可以通过连接到智能手机来实现各种功能.

想象一下,Alexa(亚马逊的语音智能助手)可以从互联网的数据库中,选择最适合你的连衣裙的熨烫机的配置.
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Allrightsreserved13of14白皮书电池供电的工具无线连接功能可以为所有小型设备带来一系列类似的好处.
但对于电池供电的设备(例如无绳电钻)而言,则需要对蓝牙链路有更多控制.
为了节省电量,设备不应始终向外界告知自己的存在.
同时,设备应该在用户不使用的情况下,自动断开连接.
使用CodeLessAT命令可以轻松实现此类功能.
CodeLessAT命令的应用可以提供足够的控制和信息,以了解BLE的连接状态.
选择正确的架构如果已经定义了与特定用例相关的BLE服务,则GTL架构或许是最好的方法.
这将使服务能够开放给其他可互操作的应用,甚至允许目标设备访问智能手机提供的服务.
温度计、血糖仪、血压计、体重秤都是可以从BLE的标准服务中受益的例子.
GTL架构通过串口提供了蓝牙协议栈的所有灵活性,但会增加主机上蓝牙应用的开发成本.
一个简单应用的代码占用量为5-10Kbits.
综上所述,下表列示了所有通信协议的优缺点.
表2–各通信协议的优缺点通信协议优点缺点HCI众多供应商支持的标准接口高性能(吞吐量)对蓝牙有完全控制需要具备高深的BLE的知识需要BLE协议栈,这意味着额外的费用极大的复杂性GTL对蓝牙有完全控制节能非标准比HCI简单,但仍很复杂需要有蓝牙知识DGTL/DGTL-混合可以选择在控制器中实现哪些应用层功能以及向主机公开的功能对蓝牙有完全控制节能非标准比HCI简单,但仍很复杂需要有蓝牙知识DSPS/ATCodeLess无需事先具备BLE知识使用简单-所需开发最少快速上市Dialog提供源代码对蓝牙链路有限控制(ATCodeLess)或无控制(DSPS)难以添加新功能,因为可能需要重新编译结语本文介绍了不同的BLE数据泵架构.
特别研究了不同的数据泵架构,从需要大量专业知识和蓝牙知识的解决方案,到简单得多的解决方案.
精心设计的解决方案无疑对数据透传过程提供了更好的控制,而简单的解决方案则允许以最小的工作量和在较短的时间内创建应用.
除了BLE数据泵外,文章还介绍了Dialog半导体的DA14531,非常适合数据泵应用.
文章在最后还提供了几个应用案例,以及为每个应用案例选择最合适的数据泵架构的指南.