BLE 协议栈架构与开发环境搭建

本章从 BLE 协议栈的层次结构出发，帮助读者建立对蓝牙低功耗通信模型的整体认知，并完成硬件选型、SDK 安装与工程模板解读。这是后续所有连接、数据读写和本地持久化实验的基础。

1.1 核心协议层：从物理射频到应用配置

BLE 协议栈从下到上可划分为四层：

• 物理层（PHY）：负责 2.4GHz 射频收发，支持 1Mbps、2Mbps 及 Coded PHY（125/500kbps）。
• 链路层（LL）：控制射频状态机（待机、广播、扫描、发起、连接），处理时序、重传与加密。
• 主机协议栈（Host）：包含 L2CAP（逻辑链路控制与适配协议）、ATT（属性协议）、GATT（通用属性配置文件）、GAP（通用访问配置文件）、SM（安全管理器）。
• 应用层（App）：用户代码通过 GATT/GAP API 实现具体业务逻辑。

1.2 硬件选型：主流 BLE SoC 对比

选择 SoC 时需综合考虑功耗、RAM/Flash 大小、SDK 成熟度及社区资源。以下为三种常见平台：

1.3 SDK 安装（以 nRF5 SDK v17.1.0 为例）

推荐使用 Segger Embedded Studio（SES）或 GCC + Makefile 进行编译。以下为基于 SES 的安装流程：

1. 下载 nRF5 SDK 并解压至无空格路径。
2. 下载并安装 SES（建议 v5.50 以上）。
3. 打开 SDK 中的示例工程（如 examples/ble_peripheral/ble_app_uart）。
4. 在 SES 中设置目标芯片（如 nRF52840_xxAA）。
5. 编译并烧录。首次烧录需安装 J-Link 驱动。

SDK 关键路径结构：

nRF5_SDK_17.1.0_9b71d5c/
├── components/          # 驱动、协议栈、库
│   ├── ble/             # BLE 协议栈 API
│   ├── boards/          # 板级支持包
│   └── libraries/       # 通用库（FDS、FSTOR等）
├── examples/            # 示例工程
│   └── ble_peripheral/  # 外设示例
│       └── ble_app_uart/
├── external/            # 第三方（FreeRTOS、segger_rtt）
└── integration/         # 构建系统配置

1.4 工程模板结构（以 nRF5 SDK 基础示例为例）

一个典型的 BLE 工程包含以下文件：

• main.c：应用入口，初始化硬件、协议栈、定时器，进入主循环。
• ble_.c/.h：自定义 GATT 服务实现。
• app_scheduler.c（可选）：任务调度器，用于非中断上下文事件处理。
• sdk_config.h：协议栈和驱动的宏配置开关。
• Makefile / SES project：编译与链接规则。

代码片段展示 BLE 初始化顺序（仅示意关键调用）：

// 1. 初始化 SoftDevice（BLE 协议栈）
nrf_sdh_enable_request();
nrf_sdh_ble_enable(&ram_start);

// 2. 配置 GAP 参数
ble_gap_conn_params_t gap_conn_params = {
    .min_conn_interval = MSEC_TO_UNITS(20, UNIT_0_625_MS),
    .max_conn_interval = MSEC_TO_UNITS(20, UNIT_0_625_MS),
    .slave_latency     = 0,
    .conn_sup_timeout  = MSEC_TO_UNITS(4000, UNIT_10_MS)
};
sd_ble_gap_appearance_set(BLE_APPEARANCE_UNKNOWN);
sd_ble_gap_conn_params_set(&gap_conn_params);

// 3. 添加 GATT 服务
ble_uart_service_init(&m_uart, uart_data_handler);