2. BLE协议栈基础：物理层与链路层、GAP与GATT角色、连接间隔与事件
好，咱们正式开始啃协议栈。很多初学者一上来就扎进GATT profile的代码里，结果遇到休眠唤醒功耗降不下来，回头才发现是底层没吃透。我个人习惯，不管做什么蓝牙项目，先把物理层和链路层那点事理清楚，后面写应用代码心里才有底。
2.1 物理层（PHY）—— 信号怎么在空中跑
BLE工作在2.4GHz ISM频段，这个频段其实挺挤的——Wi-Fi、Zigbee、微波炉都在这里。BLE把它分成了40个信道，每个信道2MHz宽。
你可能会问：为什么是40个？不是80个？嗯，这里有个设计取舍。2MHz带宽比经典蓝牙的1MHz宽了一倍，数据速率能跑上去，但信道数量就少了。BLE把这40个信道又分了两类：
- 3个广播信道（37/38/39）：专门用来发广播包、做连接前的握手。这三个信道刻意避开了Wi-Fi的1/6/11信道，减少干扰。我在项目中遇到过，有些模块在Wi-Fi密集的办公环境里广播成功率低，后来发现是广播信道被Wi-Fi挤了，换了个信道偏移策略才解决。
- 37个数据信道（0-36）：连接建立后，数据就在这些信道上跳来跳去——这就是跳频机制。
核心要点：BLE物理层支持三种速率模式——1Mbps（LE 1M）、2Mbps（LE 2M）、以及125kbps/500kbps（LE Coded）。低功耗场景下，LE Coded模式虽然速率慢，但接收灵敏度能提升6-8dB，传输距离翻倍。我建议，如果你的产品需要穿墙或远距离，优先考虑Coded PHY。
2.2 链路层（LL）—— 连接是怎么建立和维护的
链路层是BLE的大脑。它负责五件事：广播、扫描、发起连接、数据收发、以及休眠唤醒。说白了，链路层决定了你的设备什么时候该醒，什么时候该睡。
链路层有五种状态机：
- Standby：啥也不干，最省电
- Advertising：发广播包，告诉别人我在这儿
- Scanning：听广播包，找周围设备
- Initiating：主动发起连接
- Connection：连接状态，收发数据
这里有个容易踩的坑：很多开发者以为设备连上后链路层就一直醒着。其实不是。连接状态下，链路层只在约定的时间窗口内醒来收发数据，其余时间都在睡觉。这个时间窗口就是下面要讲的连接事件。
注意：链路层的休眠是硬件级别的，和你的MCU睡眠模式是两码事。我曾经在一个项目里，MCU已经进了deep sleep，但链路层因为配置了过短的扫描窗口，每隔几毫秒就醒来一次，整机功耗根本降不下去。后来把扫描间隔拉到100ms以上，功耗才正常。
2.3 GAP与GATT角色——谁负责发现，谁负责数据
很多新手把GAP和GATT搞混。我打个比方：GAP是社交礼仪，决定谁先打招呼、谁回应；GATT是聊天内容，决定聊什么、怎么聊。
GAP（Generic Access Profile）
GAP定义了四种角色：
| 角色 | 说明 | 典型设备 |
|---|---|---|
| Broadcaster | 只发广播，不连接 | 信标、温度标签 |
| Observer | 只扫描，不连接 | 扫描仪、网关 |
| Peripheral | 可被连接的外设 | 手环、传感器 |
| Central | 主动连接的中心设备 | 手机、平板 |
在低功耗休眠场景下，Peripheral角色最常用。它广播一段时间，然后休眠，等Central来连。我建议广播间隔不要短于100ms，否则电池撑不了多久。
GATT（Generic Attribute Profile）
GATT定义了连接后的数据交互方式。它有两种角色：
- GATT Server：提供数据的一方，比如传感器把温度值放在某个特征值里
- GATT Client：读取或写入数据的一方，比如手机App去读温度特征值
注意：一个设备可以同时是GAP Peripheral和GATT Server，也可以同时是GAP Central和GATT Client。但也可以混搭——比如一个设备是Peripheral但作为GATT Client去读另一个设备的数据。嗯，这种情况不常见，但协议栈是允许的。
经验之谈：设计休眠唤醒方案时，尽量让Peripheral做GATT Server。这样Central可以主动来读数据，Peripheral只需要在连接事件里回复，不用主动发通知，省电。如果你非要用Notification（通知），记得把CCCD（客户端特征配置描述符）配好，否则设备会一直发，功耗翻倍。
2.4 连接间隔与连接事件——休眠唤醒的核心参数
好，终于到了最关键的参数。连接建立后，Central和Peripheral会在一个固定的时间间隔内交换数据，这个间隔就叫连接间隔（Connection Interval），单位是1.25ms的整数倍。
举个例子：连接间隔设为30（即30×1.25ms=37.5ms），那么每37.5ms，Central和Peripheral会同步一次，交换数据。这个同步时刻就叫连接事件（Connection Event）。
连接间隔的范围是7.5ms到4s。你可能会问：间隔越长越省电，为什么不直接设4s？因为应用有实时性要求。比如一个心率监测器，如果连接间隔是4s，心率数据要等4s才能传一次，用户肯定不干。
我一般这样选：
- 实时控制类（如遥控器）：7.5ms - 15ms
- 数据采集类（如温湿度计）：100ms - 500ms
- 低功耗传感器（如门磁）：1s - 4s
避坑指南：我曾经在一个门锁项目里把连接间隔设成了4s，结果用户开门后App要等4s才能收到状态更新，体验极差。后来改成1s，功耗只多了不到10μA，但用户体验好了很多。所以别一味追求低功耗，要平衡。
另外，还有一个参数叫从机延迟（Slave Latency）。它允许Peripheral在连续几个连接事件里不响应，继续睡觉。比如从机延迟设为3，那么Peripheral可以跳过最多3个连接事件，只在第4个事件里醒来。这样平均功耗能再降一大截。
但注意：从机延迟不能设太大，否则Central会认为连接断了。协议规定，Peripheral最多可以跳过（连接间隔 × (从机延迟+1)）超过监督超时（Supervision Timeout）的时间。监督超时默认6s，所以如果你连接间隔是100ms，从机延迟最多设59——但实际没人这么干，一般设3-5就够了。
2.5 本章知识体系总览
下面这张图把物理层到连接事件的关系串起来了。我画图时习惯把层级和参数放在一起，方便对照。
这张图从左到右、从上到下，把本章的核心知识点串了一遍。你写代码时，遇到功耗问题，先回来看这张图——看看是物理层速率没选对，还是链路层状态机没配好，还是连接间隔太短。大部分问题都能在这张图上找到根因。
好了，这一章的内容就到这儿。物理层和链路层是地基，GAP和GATT是框架，连接间隔和事件是调优的旋钮。把这些搞明白，后面讲休眠唤醒策略时你就能直接上手调参数了。