01-蓝牙协议栈介绍

01 蓝牙入门-蓝牙协议栈介绍

一、蓝牙类型

特性	经典蓝牙（BR,EDR)	低功耗蓝牙(BLE)	备注
全称	Basic Rate / Enhanced Data Rate	Bluetooth Low Energy	经典蓝牙在嵌入式领域基本被放弃使用，现在着重使用低功耗蓝牙
主要用途	音频传输	低功耗设备	经典蓝牙适合大数据传输，BLE适合小数据、低功耗场景
传输速度	1-3 Mbps	1 Mbps
功耗	高	极低	BLE的功耗是经典蓝牙的1/10到1/100，适合电池供电设备
连接时间	较长（通常需要几秒）	极短（毫秒级）	BLE连接快，适合频繁连接和断开的场景
兼容性	仅支持经典蓝牙	仅支持BLE的蓝牙	双模蓝牙设备可以同时支持经典蓝牙和BLE，兼容性更强

说明：

• 这两种协议都包括 搜索管理，连接管理等机制，但他们底层是相互独立，不能互通的技术
• 厂家如果只实现了一种，那么只能与同样实现该技术的设备互通，如果厂家需要所有的蓝牙设备互通，那么就必须同时实现两种技术，而不去管是否真的需要

二、方案介绍

三种方案对比：

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方案	单芯片方案	蓝牙+MCU方案	Host+Controller方案
适用场景	蓝牙音响、蓝牙耳机	智能手环、智能手表	手机、平板等复杂设备
功能复杂度	功能固定，较简单	功能中等，需要额外处理能力	功能复杂，需要高性能处理
开发难度	低	中等	高
成本	低	中等	高
功耗	低	中等	高
蓝牙协议栈位置	集成在单芯片中	蓝牙芯片负责通信，MCU负责逻辑处理	蓝牙协议栈在主芯片中，蓝牙芯片负责底层通信

三、蓝牙协议栈

• HFP：接电话、挂电话。 【蓝牙电话协议】
• A2DP：听音乐。 【蓝牙音频传输协议】
• AVRCP：切歌、调音量。 【蓝牙音视频远程控制协议】
• PBAP：同步联系人。 【蓝牙电话本访问协议】
• MAP：查看短信。 【蓝牙短信访问协议】

蓝牙协议的简化架构图

协议栈说明：

1. Application（应用层）：
   • 这是用户直接接触的部分，比如用蓝牙耳机听音乐、接电话。
   • 应用层通过调用协议层实现具体功能
2. Profiles（协议层）：
   • 协议层定义了具体的功能，比如HFP用于电话，A2DP用于音乐。
   • 每个协议对应一种特定的应用场景。
3. Host Layer（主机层）：
   • 主机层负责管理蓝牙设备的连接、数据传输和安全。
   • 包括GAP（通用访问配置）、GATT（通用属性协议）、ATT（属性协议）等。
4. Controller（控制器层）：
   • 控制器层负责蓝牙的底层通信，包括HCI（主机控制接口）、LL（链路层）、PHY（物理层）。
   • 这一层决定了蓝牙的通信方式（如广播、连接）。
5. Hardware（硬件层）：
   • 硬件层是蓝牙芯片和射频模块，负责实际的信号发送和接收。

架构的核心部分

蓝牙协议架构分为两部分：Host（主机）**和**Controller（控制器）。这两部分通过**HCI（主机控制接口）**连接在一起，负责传递指令和数据。上层是逻辑实现，接近应用层，主要负责实现某些具体功能。下层是链路层，负责在数据通信时通过蓝牙协议进行传输。【蓝牙协议的主要修改通常集中在BT Controller这一层】

Host负责逻辑功能，决定设备做什么。它处理高层的协议和应用逻辑，比如GAP、GATT、ATT等，确保设备能够执行特定的任务，如数据传输、设备发现、连接管理等。

Controller负责底层通信，决定设备怎么做。它管理物理层和链路层的操作，包括射频信号的发送与接收、数据包的封装与解析、链路的建立与维护等。Controller是蓝牙通信的“执行者”，确保数据能够准确、高效地在设备之间传输。

HCI是连接Host和Controller的桥梁，确保它们能够协同工作。HCI通过标准化的接口传递指令和数据，使得Host和Controller可以独立开发，但又能无缝配合。HCI可以通过硬件接口（如UART、SPI、USB）或软件API实现。

在蓝牙芯片的选择上，有单模芯片和双模芯片两种。单模芯片只支持一种蓝牙技术，功能相对单一，通常用于低功耗蓝牙（BLE）应用。双模芯片则支持两种蓝牙技术，既能支持经典蓝牙（BR/EDR），也能支持低功耗蓝牙（BLE），功能更强大，兼容性更好，适合需要同时支持多种蓝牙应用的场景。

协议栈是蓝牙设备的“操作手册”，定义了设备如何完成任务。它包含了从物理层到应用层的所有协议和规范，确保设备能够按照统一的标准进行通信。协议栈的实现通常由芯片厂商提供，开发者只需要在其基础上开发应用即可。

总结来说，蓝牙协议架构的核心在于Host和Controller的分工协作，HCI作为两者的桥梁，确保指令和数据的顺畅传递。单模芯片和双模芯片的选择取决于应用需求，而协议栈则是蓝牙设备能够正常工作的基础。理解这些层次和模块的作用，能够帮助我们更好地开发和优化蓝牙应用

官方文档说明

蓝牙协议栈极其复杂，官方文档有800多页，是由几家大型的公司联合起来，各自负责自己擅长的领域，最终实现的。初学者研究这个东西，不利于快速的上手学习和实用产品的开发，除非在蓝牙领域有十多二十年了，想成为蓝牙方面的专家，那你去彻底的把蓝牙协议吃透，那是可以的，作为初学者只需要简单了解，芯片的厂家一般会把蓝牙协议栈封装好，去做在芯片里面，我们直接使用就可以

快速上手应用开发

要实现一个BLE应用，首先得有个支持BLE射频的芯片，还得有个配套的BLE协议栈，最后在协议栈上开发自己的应用。通常这些都已经封装在芯片里了，我们只需要在此基础上开发应用即可。协议栈的作用就是对应用数据进行层层封包，生成一个符合BLE协议的空中数据包。简单来说，就是把应用数据包在一系列的帧头和帧尾里。

物理层（PHY）主要负责在物理信道上发送和接收数据包。BLE使用了40个射频信道，频率范围在2.4GHz（用来发送0和1）。链路层（LL）主要负责创建、修改和释放链路。它控制链路层状态机处于五种状态之一：准备、广播、扫描、发起连接、已连接。主机控制接口层（HCI）为主机和控制器提供了一个标准化的接口。这层可以通过软件API实现，或者使用硬件接口如UART、SPI、USB来控制。

HOST层包括几个关键部分。通用访问配置层（GAP）代表了所有蓝牙设备通用的基本功能，比如设备发现、链接模式、安全、身份验证等。GAP服务包括设备的发现、链接模式、安全、身份验证、关联模块和服务发现。通信方式有两种：一种是单独开辟的信道用来配对链接，另一种是核心的信道用来发送数据。L2CAP层负责数据的分段重组和发送。不管是通过GAP和SMP进行数据配对，还是GATT和ATT进行数据传输，最后都要通过L2CAP进行数据的中转操作。安全管理层（SMP）是和GAP配套的，当你进行配对连接时，会用到SM层。这里会生成加密密钥和身份密钥，并管理它们的存储。SMP还负责生成随机地址，并将随机地址解析为已知设备身份。通用属性配置文件（GATT）用于配置属性文件，表述属性服务可选的客户端功能。不同的特征表示不同的操作，比如有的特征是写，有的是读。属性协议层（ATT）是封装了的数据传输协议。

了解到这里就足够了。后续使用蓝牙时，上面这些内容通常都被厂家直接封装在芯片里，我们不需要过多关注。学习的重心应该放在如何使用蓝牙芯片上。

在BLE中，设备可以划分为主机和从机。从机负责广播，主机可以发起连接。通常设备作为从机，而主机往往是手机。GATT角色中，设备可以分为服务端和客户端。主机和从机都可以作为服务端或客户端。在配对连接时，需要一个编码来识别蓝牙设备，类似于身份证号码。公共地址是48位，商业收费，具有全球唯一性。随机地址是厂家免费使用，提高了隐私和数据安全性。

总结来说，BLE的应用开发，核心在于理解如何使用蓝牙芯片，而不是深入协议栈的底层细节。掌握GAP、GATT、ATT等高层协议的使用，能够帮助我们快速实现BLE应用。

使用，提高了隐私和数据安全性。

总结来说，BLE的应用开发，核心在于理解如何使用蓝牙芯片，而不是深入协议栈的底层细节。掌握GAP、GATT、ATT等高层协议的使用，能够帮助我们快速实现BLE应用