3. BLE协议栈架构：Controller与Host分层、GAP与GATT角色、BLE连接建立流程
BLE协议栈，说白了就是一套软件分层规范。我刚开始接触蓝牙时，总觉得这东西很玄乎。后来调了几个项目才明白——分层设计就是为了让咱们工程师能各司其职，不用从头造轮子。
这一章，咱们把BLE协议栈拆开来看。重点就三个：Controller与Host怎么分工、GAP和GATT到底管什么、连接是怎么一步步建立起来的。
3.1 Controller与Host：协议栈的两大块
BLE协议栈分两层：Controller（控制器）和Host（主机）。中间通过HCI（Host Controller Interface）通信。你想想看，这就像把射频硬件和上层应用逻辑隔离开。
核心分工：
- Controller：负责物理层、链路层。说白了就是管发数据、收数据、定时、跳频这些硬活。
- Host：负责逻辑链路控制、属性协议、安全管理、GAP/GATT。这些是软件层面的东西。
- HCI：两者之间的管道。可以是UART、SPI、USB。
我在一个穿戴项目里遇到过一个问题：设备偶尔断连，抓包发现是HCI通信超时。后来排查发现是UART波特率不匹配，Controller发过来的事件包Host没及时收。嗯，这种坑调一次就记住了。
| 分层 | 包含模块 | 典型实现 |
|---|---|---|
| Controller | PHY、LL、RF | Nordic nRF52840的无线电硬件 + 固件 |
| Host | L2CAP、SM、ATT、GAP、GATT | Zephyr或FreeRTOS上的协议栈软件 |
| HCI | 命令/事件/数据包 | UART传输，典型波特率115200或更高 |
实际项目中，很多SoC把Controller和Host做在同一颗芯片里，比如Nordic、TI的CC26xx系列。但有些场景需要分开——比如手机里，Host跑在应用处理器上，Controller跑在蓝牙芯片上。这时候HCI就特别关键。
3.2 GAP与GATT：两种角色，两种职责
GAP和GATT，这两个词初学者容易搞混。我简单说：GAP管“能不能连”，GATT管“连上后能干什么”。
3.2.1 GAP（通用访问规范）
GAP定义了设备的角色和广播行为。说白了就是：你是谁？你能被谁发现？
- Broadcaster：只发广播，不连。比如信标。
- Observer：只收广播，不连。比如扫描器。
- Peripheral：从设备，发广播，等待连接。比如传感器。
- Central：主设备，扫描并发起连接。比如手机。
我个人的习惯：做低功耗产品时，尽量让设备做Peripheral角色。因为Peripheral可以控制广播间隔和连接间隔，功耗更好调。Central角色要一直扫描，功耗很难压下去。
3.2.2 GATT（通用属性规范）
GATT定义了连接后的数据交互方式。它基于ATT（属性协议），把数据组织成Service（服务）和Characteristic（特征值）。
举个例子：一个心率传感器，它有一个“心率服务”，里面包含“心率测量值”这个特征值。手机连上后，通过GATT读这个特征值，就能拿到心率数据。
| GATT角色 | 说明 | 典型设备 |
|---|---|---|
| GATT Server | 提供数据的一方，拥有属性表 | 心率传感器、温湿度计 |
| GATT Client | 请求数据的一方，读写属性 | 手机App、网关 |
注意：GAP角色和GATT角色是独立的。一个Peripheral设备可以是GATT Server，也可以是GATT Client。我在一个项目中做过双向数据透传，设备既是Server（提供状态），又是Client（读取配置），这种场景很常见。
3.3 BLE连接建立流程
连接建立，我把它拆成四个步骤。每一步都有坑，咱们一个一个说。
- 广播：Peripheral在三个广播信道（37/38/39）上发广播包。广播间隔一般20ms到10.24s可配。
- 扫描：Central在广播信道上监听。扫描窗口和扫描间隔决定了发现速度。
- 发起连接：Central收到广播后，发送CONNECT_REQ。这个包包含了连接参数：连接间隔、延迟、超时时间。
- 连接建立：双方切换到数据信道，按约定的连接间隔进行数据交互。
我曾经踩过的坑：连接间隔设得太小（比如7.5ms），导致设备功耗飙升。后来改成30ms，功耗降了60%。你想想看，连接间隔直接决定了射频唤醒频率，这是低功耗调优的第一道关口。
下面这张图，把整个流程画清楚了：
3.4 连接参数与低功耗调优
连接建立后，真正影响功耗的是三个参数：
- 连接间隔（Connection Interval）：两次数据交互之间的时间。范围7.5ms到4s。间隔越大，功耗越低，但延迟也越大。
- 从设备延迟（Slave Latency）：从设备可以跳过几次连接事件而不丢连接。比如延迟设为4，意味着可以跳过4次连接事件，省电。
- 监督超时（Supervision Timeout）：超过这个时间没收到包，就认为连接断了。一般设成连接间隔的几倍。
| 参数 | 典型值 | 对功耗的影响 |
|---|---|---|
| 连接间隔 | 30ms ~ 100ms | 间隔越大，射频唤醒越少，功耗越低 |
| 从设备延迟 | 0 ~ 499 | 延迟越大，设备可以睡更久 |
| 监督超时 | 100ms ~ 32s | 太短容易误断连，太长反应慢 |
我的调优经验：对于传感器类产品，连接间隔设100ms，从设备延迟设3，监督超时设2s。这样平均电流能控制在10μA以下。如果是音频或OTA，连接间隔得压到15ms以内，但功耗会翻好几倍。
3.5 小结
这一章咱们把BLE协议栈的骨架搭起来了。Controller管硬件，Host管逻辑，GAP管发现，GATT管数据。连接建立的四步流程，每一步都有参数可以调。记住一点：低功耗不是靠一个参数，而是靠整体参数的平衡。