# ESP-IDF 蓝牙低功耗音频架构

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本文档描述 ESP-IDF 蓝牙低功耗音频协议栈，以及它所基于的通用低功耗蓝牙传输层的内部架构，涉及两个蓝牙组件：

- ESP-BLE-ISO —— 通用的低功耗蓝牙传输层。它提供 GATT、GAP、ISO、L2CAP 和 HCI 原语，以及用于串行化所有主机事件的专用处理任务和锁模型。它并非蓝牙低功耗音频专用 —— 它是一个自包含的传输层，任何上层规范都可以构建于其上，也可以独立运行：它拥有自己的公共 API (`esp_ble_iso_*`) 和自己的初始化流程，因此应用程序可以直接使用它，而无需 ESP-BLE-AUDIO 或其上的任何规范层。

- ESP-BLE-AUDIO —— 上层规范层。它实现蓝牙低功耗音频的各项规范和服务（PACS、ASCS、BASS、BAP、CAP、VCP、MICP、CSIP、MCP、CCP、TMAP 等），并通过公共 `esp_ble_audio_*` API 对外暴露。

备注

ESP-BLE-AUDIO 目前是 ESP-BLE-ISO 的唯一使用方，但并非唯一的预期使用方，而且它完全不是必需的。

ESP-BLE-ISO 是一个独立组件：它可以单独构建和初始化，并通过其公共 `esp_ble_iso_*` API 驱动，用于纯 ISO 场景（CIS 或 BIS，不带任何规范层）—— 参见 ESP-BLE-ISO 公共 API。

该传输层也与规范无关：其 GATT、GAP、ISO、L2CAP 和 HCI 原语都是通用的低功耗蓝牙构建块，其他规范 —— 例如未来的 HID-over-ISO —— 预期也会构建在同一组件之上。本文档中凡描述 ESP-BLE-ISO 之处，其行为均适用于任何使用方，而不仅限于蓝牙低功耗音频。

这两个组件都可运行在 Bluedroid 或 NimBLE 两种低功耗蓝牙主机协议栈之一之上，并隐藏在一个公共接口之后。明确揭示两种主机之间的行为差异是本文档的首要目标之一，因为它们决定了回调运行所处的任务上下文、连接建立期间的操作顺序，以及事件的分发方式。

备注

本指南面向两类读者。概览部分给出层级层面的思维模型，适用于任何集成两个组件之一公共 API 的开发者（分别参见 ESP-BLE-ISO 与 ESP-BLE-AUDIO）。后续章节则深入到实现层面（任务、队列、锁、各主机的分发路径），面向维护组件本身的开发者。源码以文件路径和符号名引用，而非行号，因此这些引用会随代码演进而保持有效。

## 架构概览

### 分层结构

ESP-IDF 蓝牙低功耗音频被组织为一组相互协作的分层。每一层只与其正下方的一层通信，所有与主机相关的知识都被限制在每个组件内部的适配器子层中。

            flowchart TB
        APP["应用 / 示例（app 任务）"]
        AUDIO["ESP-BLE-AUDIO —<br/>蓝牙低功耗音频规范与服务<br/>(esp_ble_audio_* API)"]
        ISO["ESP-BLE-ISO — 传输原语：<br/>GATT、GAP、ISO、L2CAP、HCI<br/>全部由全局 ISO 锁串行化 —<br/>多数事件运行在 ISO 任务事件循环上"]
        HOST["低功耗蓝牙主机协议栈<br/>(Bluedroid 或 NimBLE)"]
        CTRL["低功耗蓝牙控制器"]
        APP <--> AUDIO
        AUDIO <--> ISO
        ISO <--> HOST
        HOST <--> CTRL
        ISO <-. ISO 数据通路 .-> CTRL

备注

实线链路是控制路径，它在两个方向上都遵循分层结构 —— 命令向下流动，事件向上流动。ISO 数据通路是例外（虚线链路）：在核心规范定义的两个数据通路方向上，它都绕过了主机协议栈。在输入数据通路（主机到控制器）上，ESP-BLE-ISO 将 SDU 直接写入控制器传输接口，控制器再通过回调将发送完成报告回 ISO 任务；在输出数据通路（控制器到主机）上，控制器通过同类回调递交接收到的 ISO 数据。两条路径都不经过主机协议栈的 HCI 事件分发，从而使高速率的音频数据通路保持简短。

应用程序只调用公共 `esp_ble_audio_*` API（对于纯 ISO 用例则调用 `esp_ble_iso_*`）。公共 API 之下的一切都是内部实现，可能在不同版本之间发生变化。

### 两个组件

组件 | 职责 | 关键目录
--- | --- | ---
ESP-BLE-ISO | ACL 连接管理 广播与扫描 GATT 客户端与服务端 ISO（CIS 和 BIS） HCI 和 L2CAP ISO 任务事件循环 `esp_ble_iso_*` API | `host/common` `host/adapter/bluedroid` `host/adapter/nimble` `api/include`
ESP-BLE-AUDIO | 蓝牙低功耗音频 GATT 服务 规范客户端与控制器 对象传输服务 (OTS) `esp_ble_audio_*` API | `host/common` `host/adapter/bluedroid/profiles` `host/adapter/nimble/profiles` `host/services/ots` `api/include`

## 双主机设计

每个组件都被拆分为与主机无关的通用部分和主机相关的适配器部分。`host/common` 下的目录持有一份不依赖主机协议栈的实现，而 `host/adapter/bluedroid` 和 `host/adapter/nimble` 则持有直接与各主机交互的代码。最终只会编译其中一个适配器，由当前激活的主机选择（`CONFIG_BT_BLUEDROID_ENABLED` 或 `CONFIG_BT_NIMBLE_ENABLED`）。通用层定义了两个适配器都需实现的内部接口，因此上层永远无需针对主机协议栈做分支判断。

这两种主机在行为上并不完全一致。它们在回调运行所处的任务、入站事件如何到达 ISO 任务，以及若干流程级细节（MTU 交换、服务发现、ISO 建立）上都有差异，这些将在各分层章节中介绍。结构性差异总结如下；其中对应用开发者最重要的一项 —— 回调运行所处的任务 —— 在 回调执行上下文 中详述。

主机层面的差异
方面 | Bluedroid | NimBLE
--- | --- | ---
引发入站事件的任务 | BTU 任务（BTA GATT 和 GAP 回调在此运行）。 | NimBLE 主机任务。
适配器如何转发事件 | BTA 回调构造一个事件并将其投递到 ISO 任务队列。 | `*_cb_safe` 包装函数先获取 ISO 锁；随后大多数事件被投递到 ISO 任务队列。
同步例外 | GATT 服务端的属性访问以异步方式完成：请求被投递到 ISO 任务，响应稍后发送。 | GATT 服务端的属性访问在主机任务上原地 (inline) 完成，因为 NimBLE 要求同步返回属性值。
ISO 任务所在 CPU 核 | 绑定到所配置的 Bluedroid 核。 | 绑定到所配置的 NimBLE 核。
ISO 任务优先级 | 与 BTU 任务优先级保持一致。 | 与 NimBLE 主机任务优先级保持一致。

备注

ISO 任务被特意赋予与主机协议栈主任务相同的 CPU 核和相同的优先级（参见 `host/common/include/common/task.h`）。让传输任务运行在与主机相同的优先级上，可使二者协作式调度，而非相互抢占。

## 组件内部

各组件的实现细节见下表，涵盖任务、队列、锁以及各主机的分发路径，面向在组件内部工作的维护者：

页面 | 涵盖内容
--- | ---
ESP-BLE-ISO | 并发模型 —— 单一的 ISO 任务与全局锁，以及每个回调运行所处的任务 连接管理 广播、扫描与周期性广播同步 HCI 命令路径 ISO 子系统 —— CIS 和 BIG 状态机，以及 SDU 数据通路 GATT 客户端与服务端，以及 ATT MTU 交换 L2CAP（草案）与应用事件接口 `esp_ble_iso_*` 公共 API
ESP-BLE-AUDIO | 开源规范适配器与预构建库 GATT 服务与服务适配器模式 规范客户端与控制器 对象传输（草案） 初始化流程与 ATT-MTU 取值 端到端单播与广播流程 `esp_ble_audio_*` 公共 API

## 横切关注点

本节汇集跨越两个组件、并在整个实现中反复出现的不变式和实际关注点。

### 主机对等

最重要的维护不变式是：两个主机适配器在行为上保持等价。它们之上的通用层假定行为完全相同，因此对一个适配器的连接、清理、发现或事件路径的改动，必须在另一个上镜像 —— 否则上层会因主机不同而表现不同。在两者确实无法匹配之处，这种不对称是有意为之的，且其完整集合很小：

有意的各主机差异
方面 | Bluedroid | NimBLE
--- | --- | ---
引发入站事件的任务 | BTU 任务 | NimBLE 主机任务
GATT 服务端属性访问 | 投递到 ISO 任务；响应通过 BTA 异步发送 | 在主机任务上原地；值同步返回
GATT 客户端读/写完成 | 投递到 ISO 任务 | 在主机任务上原地
HCI ISO 命令 | 私有的直连 HCI 路径，带自己的完成信号量 | 类型化的 `ble_hs_hci_*` 辅助函数
GATT 服务注册 | 两阶段且异步（`*_init` 然后 `*_start`） | 单阶段 `ble_gatts_add_svcs`
L2CAP 面向连接的通道 | 未实现 (TODO) | 已实现（草案）
对象传输服务 (OTS) | 未实现（构建在 L2CAP 之上） | 已实现（草案）
连接发起的事件路由 | 共享引擎的 BTA GATTC 接口 (`esp_ble_iso_bluedroid_get_gattc_if`) | 把 GAP 事件转发进引擎 (`*_gap_app_post_event`)

超出这些范围的任何差异都需要同样的论证，并记录在引入它的地方。

### 层边界

该架构依赖几条调用者和维护者都应尊重的边界：

- 公共 API 是唯一稳定的接口面。`esp_ble_iso_*` 和 `esp_ble_audio_*` API 之下的一切都是内部实现，可能在不同版本之间改变。

- 两种低功耗蓝牙主机协议栈是被适配，而非被修改。适配器层的存在正是为了让组件永不改动 Bluedroid 或 NimBLE 本身；主机行为被视为既定。

- 规范与控制器逻辑是一个具有固定 ABI 的预构建库。开源代码只通过在初始化时校验的共享函数表和配置表与它交互；它的内部实现不属于这个契约。

### 常见陷阱

并发与线程安全 中的并发模型有一些容易弄错的实际后果：

- 不要在回调中阻塞。大多数回调运行在 ISO 任务上；在那里阻塞会拖住协议栈中所有其他事件。它的栈只有 4 KB，因此必须避免深层调用链和大的栈上分配缓冲区 —— 包括根据配置值确定大小的数组。

- 已投递的事件之间不会相互竞争。由于单个任务排空 ISO 任务的各队列，两个都已投递的事件不可能并发运行；假定它们可以的推断几乎总是错误的。

- 在 NimBLE 上要注意回调所在的任务。一次 GATT 读或写完成、或对本地服务的一次入站写，运行在 NimBLE 主机任务上而非 ISO 任务；在不同路径间共享的代码必须在两者上都正确。

- ISO 锁排序的是访问，而非完成。持有它保证互斥，但不保证你发起的某个操作已经完成 —— 许多传输操作在稍后的事件上才完成。

### 内存占用

开源的 ESP-BLE-ISO 和 ESP-BLE-AUDIO 代码有小而确定的固定开销：

- ISO 任务使用一个 4 KB 栈和三条优先级事件队列（32 + 64 + 32 项），由单个消费者排空。

- ISO 引擎的通道、组和广播池由 `CONFIG_BT_ISO_MAX_CHAN`、`CONFIG_BT_ISO_MAX_CIG` 和 `CONFIG_BT_ISO_MAX_BIG` 确定大小；HCI 命令池只持有一个缓冲区。

- 每条连接上，NimBLE 缓存已发现的属性数据库，并为在途的 GATT 流程持有深拷贝的参数；订阅在两种主机上都用按连接的列表跟踪。

- GATT 服务属性表在初始化时分配，大小由已启用的服务决定。

由于这些池和表的大小都来自 Kconfig，开源代码的占用在构建时就固定了，除了在途的 SDU 缓冲区之外没有按流的动态增长。预构建的规范与控制器库是例外：它动态分配自己的规范和控制器状态 —— 在初始化时以及在连接和流建立时 —— 因此这部分占用并非在构建时固定。

## 附录 —— 文件与目录映射

### ESP-BLE-ISO

目录 | 内容
--- | ---
`api/include` | 公共 `esp_ble_iso_*` 头文件。
`host/common` | 与主机无关的传输：连接、广播、扫描、GATT、HCI、ISO 粘合、L2CAP、ISO 任务和 ISO 锁；`app/` 持有应用的 GAP 和 GATT 事件接口。
`host/iso` | ISO 引擎（CIS 和 BIG 状态机及通道 API）。
`host/adapter/bluedroid`, `host/adapter/nimble` | GAP、GATT、ISO、HCI 和 (NimBLE) L2CAP 的各主机适配器。
`host/utils` | 地址、UUID、CRC、加密、定时器和缓冲区辅助函数。

### ESP-BLE-AUDIO

目录 | 内容
--- | ---
`api/include` | 公共 `esp_ble_audio_*_api.h` 头文件，每个规范和服务一个。
`host/common` | 初始化编排 (`init.c`)。
`host/adapter/bluedroid/profiles`, `host/adapter/nimble/profiles` | GATT 服务适配器（PACS、ASCS、BASS、CAS、CSIS、HAS、MCS、MICS、TBS、TMAS、VCS）。
`host/services/ots` | 对象传输服务。
`lib` | 预构建的、按目标芯片的规范与控制器库。

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