低功耗蓝牙（BLE）协议栈是蓝牙技术中专门为低功耗设备设计的通信架构，核心目标是低功耗、低成本、短距离，这样的特性使其非常适用于现在热门的物联网（IOT）领域。
1. 协议栈架构
BLE协议栈采用分层架构设计，可以分为应用层（Application）、主机层（Host）和控制器层（Controller），HCI负责Host与Controller之间的通信，整体的架构如下图所示：
应用层主要面向业务逻辑的开发者，包含应用程序（如健康监测）和基于GATT的预定义服务（如电池服务）。开发者在此实现具体的功能逻辑，通过调用下层协议（GATT/ATT）操作设备数据，是蓝牙的直接载体。
Host主机层是协议栈的逻辑控制核心，通过标准化指令接主机层和控制器层。传输三类数据：控制命令（主机→控制器）、事件响应（控制器→主机）及业务数据流。调试时抓取HCI日志可快速定位协议交互问题。
控制器层是芯片及的物理通信引擎，具体分为两层：
- Link Layer（链路层）：控制广播信道（37/38/39号频段）、管理设备连接状态及跳频序列，直接决定通信稳定性与低功耗特性；
- Physical Layer（物理层）：调制解调2.4GHz无线信号（GFSK技术），对抗环境干扰，实现空中数据传输。
这一层由硬件固件实现，开发者需配置寄存器优化射频参数。
下面我将围绕各个层次分别进行更为详细的叙述，而作为一个驱动开发者需要重点关注控制器层和HCI接口，因此我也将重点介绍这两个部分。
2. 应用层
上面已经说过，这一层是面向业务逻辑开发者的，主要职责如下：
- 向上实现基于蓝牙的各种功能模块，如健康监测中的心率数据采集、智能家居的控制；
- 向下调用GATT服务：通过预定义或自定义的服务（如Battery Service）操作设备数据；
在这一层中，开发者需要设计符合蓝牙SIG规范的Profile结构，选择适当的数据操作方式进行开发。
注：驱动开发者通常无需深入学习这一层，但是要理解其如何调用下沉协议
3. Host主机层
主机层是协议栈的核心逻辑层，主要由五大模块协同工作：
| 模块 | 核心功能 | 驱动开发者关注点 |
|---|---|---|
| GAP | 管理设备角色（Peripheral/Central）、广播/扫描流程 | 广播参数（Interval/Channels）对功耗的影响 |
| ATT | 定义属性数据库（Handle/UUID/Value） | 属性读写权限的安全配置 |
| GATT | 构建服务-特征模型 | MTU大小对数据传输效率的优化 |
| SM | 处理配对加密（LE Secure Connections） | 密钥分发机制的安全实现 |
| L2CAP | 数据分片/重组、协议复用 | 动态MTU协商避免分包冗余 |
4. Controller控制器层
控制器层是BLE通信的物理引擎，由芯片硬件固件实现。驱动开发者在此层直接操控蓝牙芯片的射频行为，其性能直接决定通信质量与功耗表现。
4.1 Link Layer（链路层）
链路层是协议栈的实时调度中心，直接管理空中接口的数据传输流程。其核心职责包括：
| 功能 | 技术细节 | 驱动开发实践 |
|---|---|---|
| 广播管理 | 在37/38/39号信道发送广播包（ADV_IND, SCAN_RSP等） |
配置广播间隔（20ms-10.24s）平衡发现速度与功耗 |
| 连接控制 | 通过Connection Events时序管理通信锚点（Anchor Point） | 调整连接间隔（7.5ms-4s）及从机延迟（0-499） |
| 数据封装 | 构造LL Data PDU（包含16位Header+有效载荷+24位CRC） | 启用DLE（数据长度扩展）提升单包传输效率 |
| 跳频策略 | 采用伪随机序列在40个信道跳频 | 启用自适应跳频（AFH）避开WiFi干扰信道 |
4.2 Physical Layer（物理层）
物理层将二进制数据转化为无线电波信号，其关键特性包括：
- 调制方式：采用高斯频移键控（GFSK），带宽指数0.5
- 信道规划：40个2MHz宽信道（中心频率=2402 + k×2 MHz, k=0-39）
- 发射功率：支持-20dBm至+10dBm动态调节（步进4dB）
驱动关键任务：
- 射频参数校准
- 使用频谱仪测量频偏（要求≤±50kHz）
- 功率计标定发射功率误差（≤±4dB）
- 天线优化
- 通过矢量网络分析仪（VNA）调谐天线阻抗匹配
- 设计π型匹配网络减少信号反射
5. HCI接口
HCI（Host Controller Interface）是协议栈中唯一的软硬件分界层，驱动开发者必须掌握其三元指令体系：
5.1 HCI协议解析
| 包类型 | 方向 | 结构特征 | 典型示例 |
|---|---|---|---|
| Command | Host→Controller | 16位OpCode + 参数 | HCI_LE_Set_Advertising_Data（0x2008） |
| Event | Controller→Host | 事件码 + 参数 | HCI_LE_Connection_Complete（0x3E） |
| ACL Data | 双向传输 | 12位Handle + 数据载荷 | L2CAP分片后的应用数据 |
5.2 驱动开发四步法
5.2.1 抓包分析
1 | # Linux系统使用btmon抓取HCI日志 |
5.2.2 故障诊断
- 连接失败 → 检查
HCI_LE_Connection_Complete事件状态码1
2
30x00：成功
0x0202：连接超时
0x0205：认证失败 - 数据丢失 → 核对ACL包的
Packet_Boundary_Flag（00=连续分片）
5.2.3 传输层优化
- UART接口
- 提升波特率（≥921600bps）
- 启用硬件流控（CTS/RTS）
- USB接口
- 选择Isochronous传输模式保障实时性
5.2.4 寄存器映射
建立HCI指令与蓝牙芯片寄存器的对应关系：
1 | HCI_LE_Set_Tx_Power → 修改RADIO->TXPOWER寄存器（Nordic芯片） |