蓝牙基础(六)：蓝牙传输层 HCI 工作原理

liwen01 2025.10.03
前言

在《蓝牙基础(二)：蓝牙核心系统架构》中，我们有介绍到蓝牙分层架构设计的核心是：Host（主机）、Controller（控制器）与 HCI（Host Controller Interface，主机控制器接口）。
它们之间的关系、可以简单理解为：Host 是大脑，Controller 是身体，HCI 是它们之间的通信通道。
（一）HCI 简介

（1）蓝牙协议栈中的 HCI

Host（主机） ：运行在主处理器上（如 MCU、Linux、Windows 等），主要负责上层协议和应用逻辑。
Controller（控制器）：Controller 通常集成在一个蓝牙芯片中（有时称为 Bluetooth SoC），负责底层无线通信功能。
HCI（Host Controller Interface）：HCI 是 Host 和 Controller 之间的 标准接口协议，它定义了两者如何交换命令、事件和数据。通信方式主要有：UART、USB、SPI、SDIO 等
以 USB 蓝牙适配器为例，插入电脑的那个 USB 蓝牙适配器是 Controller，PC 机系统是 Host，它们通过 USB HCI 协议进行数据通信。

它们对应的软件层次结构图如下：

这里的物理总线，除了 USB 总线，还可以是 SDIO、UART、SPI 等等。
这些总线对 HCI 数据包是透明的传输，也就是说，它不用理解 HCI 的语义，仅仅负责 HCI 包的传输。
这样就可以保证不同硬件接口、不同厂商的模块能共用主机栈，而不必改写高层协议
（2） 蓝牙数据流

要将一个用户数据，从一个蓝牙设备发送到另外一个蓝牙设备，数据从应用层用户数据开始，经过主机（Host）、控制器（Controller），最终经由射频（RF）模块发射出去，另一端再反向流回。

• Host 负责逻辑和协议（决定发什么数据、什么时候发）。
  
• Controller 负责时序和无线电（怎么发、用哪个信道、怎么跳频）。
  
• HCI 是桥梁（命令/事件/数据的标准接口）。
  
• Physical Bus 是管道（USB、UART、SDIO等传输媒介）。
  

它的完整数据流如下：

如果要对它们进行简化，可以简化成如下流程：

1. Host Side (PC)
2. ──────────────────────────────────────────
3. L2CAP / RFCOMM
4.         ↓
5. HCI Library
6.         ↓
7. USB Stack → USB Host Controller →───┐
8.                                     │
9. Controller Side (Bluetooth USB Device)
10. ──────────────────────────────────────────
11. USB Device Controller ← Bluetooth USB Firmware
12.         ↓
13. Bluetooth LM / LC
14.         ↓
15. Bluetooth Radio  →  Over-the-air →  Other Device

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可以看到，数据数从 host 到 controller，必须经过 USB 协议栈。当然，如果是使用其它的通信总线，那就是其它总线对应的驱动。
（3） HCI 数据包

HCI 在协议中的位置如下：

通过 USB适配器 + Wireshark 抓取 蓝牙 HCI 数据包，信息如下：

通过 Wireshark 抓取到的蓝牙 HCI 的数据包，我们可以看到有抓到 USB、HCI_USB、HCI_CMD、HCI_EVT.. 这些协议的数据。
USB ：这是最底层的总线协议，表示所有通过 USB 物理链路 传输的数据包。HCI_USB ：这是 Wireshark 的 USB-HCI 解码层。用于承接 USB 层和HCI 层之间的数据。它不是新的协议，而是 Wireshark 把 USB 层数据识别为 蓝牙 HCI over USB 的结果。HCI_CMD、HCI_EVT：通过 HCI_USB 解析出来的真实的蓝牙HCI 数据包截图最开始的一串USB数据包，是一个USB枚举流程，以便 Wireshark 识别所有的 USB 设备。
（二） HCI 数据类型

主机与控制器之间通过 HCI 传输层的数据主要有：HCI 命令包、HCI 事件包、HCI 数据包（ACL/ISO/SCO）。
类型标识符方向用途HCI Command Packet0x01Host → Controller命令控制HCI ACL Data Packet0x02双向异步数据传输（L2CAP）HCI Synchronous Data Packet0x03双向实时音频传输（SCO/eSCO）HCI Event Packet0x04Controller → Host命令结果或事件通知HCI ISO Data Packet0x05双向BLE Isochronous 数据传输（1）HCI Command Packet 命令包

数据方向：由 host 发往 controller。
host 通过命令包告诉 controller 要执行的操作，例如建立连接、设置参数、发射广播等。
数据包格式：

1. | Packet Indicator (1B) | Opcode (2B) | Parameter Total Length (1B) | Parameters (N bytes) |

复制代码

• Packet Indicator：固定为 0x01
  
• Opcode：由 OCF（Command Field） + OGF（Group Field） 组成（16bit）
  
  
  
  • OGF：命令分组（如 Link Control, Controller & Baseband, etc.）
    
  • OCF：命令具体功能编号
    
  
  
• Parameter Total Length：参数长度（0~255字节）
  
• Parameters：命令的具体参数字段
  

（2）HCI Event Packet 事件包

数据方向：由 controller 发往 host
controller 返回执行命令的结果或状态通知，例如命令完成、设备连接成功、接收到广播等。
数据包格式：

1. | Packet Indicator (1B) | Event Code (1B) | Parameter Total Length (1B) | Parameters (N bytes) |

复制代码

• Packet Indicator：固定为 0x04
  
• Event Code：事件类型（如 Command Complete、Disconnection Complete 等）
  
• Parameter Total Length：参数长度
  
• Parameters：具体事件参数
  

常见事件有：
事件名称Event Code说明Command Complete0x0E命令执行完成Command Status0x0F命令状态返回Connection Complete0x03连接建立Disconnection Complete0x05断开连接（3）HCI ACL Data Packet 异步数据包

ACL(Asynchronous Connection-Less) 异步无连接数据包。用于传输 L2CAP 层 或上层的普通数据，如 ATT、SDP、RFCOMM 等。
数据包格式：

1. | Packet Indicator (1B) | Handle + PB + BC (2B) | Data Total Length (2B) | Data (N bytes) |

复制代码

• Packet Indicator：固定为 0x02
  
• Handle (12 bits)：连接句柄
  
• PB（2 bits）：Packet Boundary 标志，指示分片状态
  
• BC（2 bits）：Broadcast Flag（点对点或广播）
  
• Data Total Length：数据总长度（最大 65535）
  
• Data：L2CAP 层数据
  

（4）HCI Synchronous Data Packet 同步数据包

用于同步语音数据（例如 BR/EDR 语音连接）或其它同步时延敏感数据
用于传输 实时音频 数据（SCO 或 eSCO 链路）。
数据包格式：

1. | Packet Indicator (1B) | Handle + Packet Status Flag (2B) | Data Total Length (1B) | Data (N bytes) |

复制代码

• Packet Indicator：固定为 0x03
  
• Handle：连接句柄
  
• Packet Status Flag：包状态（如正确接收、数据丢失）
  
• Data Total Length：数据长度（通常很短，如 60 字节以内）
  
• Data：音频数据（CVSD, mSBC, etc.）
  

（5）HCI ISO Data Packet 等时性数据包

为 BLE Isochronous Channels 引入的新类型（自 Bluetooth 5.2 起支持）。
用于 BLE Audio（LE Audio）、广播音频、CIS/BIS 数据传输。

1. | Packet Indicator (1B) | Handle + PB + TS (2B) | Data Total Length (2B) | ISO Data Load (N bytes) |

复制代码

• Packet Indicator：固定为 0x05
  
• Handle (12 bits)：ISO 链路句柄（与 CIS_ID/BIS_ID 关联）
  
• PB（2 bits）：Packet Boundary 标志
  
• TS（1 bit）：是否包含时间戳
  
• Data Total Length：ISO 数据长度
  
• ISO Data Load：包含 ISO Header + Audio/Other Data
  

（三）HCI 中的 Handle 与 ID（Identifiers）

（1）Handle

在蓝牙协议中，Handle（句柄） 是用来标识一个逻辑连接（logical connection） 的编号。
它是控制器（Controller）为每个连接分配的一个唯一标识符，主机（Host）通过这个 Handle 来引用该连接。
在 HCI 层（Host Controller Interface），Handle 的主要作用包括：
区分不同的连接

• 蓝牙设备可能同时维护多个连接（比如同时连接耳机、手表等）。
  
• 每个连接都有独立的 Handle，用来区分是哪条链路的数据。
  

数据传输中的索引

• 在 HCI ACL Data Packet（异步数据包）、Synchronous Data Packet（同步数据包）、ISO Data Packet（ISOchronous包） 中，开头字段就包含了 Handle。
  
• 控制器根据 Handle 知道这帧数据属于哪个连接。
  

命令与事件匹配

• 当 Host 发送 HCI 命令（例如 HCI_Disconnect）时，需要提供对应的 Handle。
  
• 控制器在返回事件（Event）时也会带上这个 Handle，让 Host 知道是哪个连接断开了或状态变化。
  

Handle 在 HCI 层中的作用

1.         +---------------------------+
2.         |        Host (HCI)         |
3.         +---------------------------+
4.                     |
5.                     |  HCI Commands / Data
6.                     v
7.         +---------------------------+
8.         |     Controller (HCI)      |
9.         +---------------------------+
10.             |          |          |
11.         Handle0     Handle1     Handle2
12.          ACL#1       ACL#2       SCO#1

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（2）ID（Identifiers）

HCI 的 ID 是在 LE Audio（低功耗音频）或 ISO 数据流 中使用的编号，它不是连接编号，而是音频流编号。
蓝牙里有两种 ISO 流：
CIS（Connected Isochronous Stream）：用于点对点音频，比如耳机左右声道。
BIS（Broadcast Isochronous Stream）：用于广播音频，比如一个扬声器广播音乐，多个耳机收听。
对应的 ID 就是：
名称含义用途CIG_IDCIS Group ID标识一个“音频组”，比如“立体声”这一组。CIS_IDCIS Stream ID标识组内某条具体的流，比如“左声道”。BIG_IDBroadcast Group ID标识一个广播组，比如“公开音频频道”。BIS_IDBroadcast Stream ID标识组内某条具体广播流，比如“英语声道”。结尾

这里主要介绍了蓝牙的 HCI 模块，下一章将介绍蓝牙的 L2CAP 模块。
 
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