27.1 實驗內(nèi)容

通過本實驗主要學(xué)習(xí)以下內(nèi)容：

? USB協(xié)議基本原理

? GD32F303 USBD的使用

? 虛擬鍵盤的協(xié)議原理及使用

27.2 實驗原理

27.2.1 USB通信基礎(chǔ)知識

USB的全稱是Universal Serial Bus,通用串行總線。它的出現(xiàn)主要是為了簡化個人計算機(jī)與外圍設(shè)備的連接，增加易用性。USB支持熱插拔，并且是即插即用的，另外，它還具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性，傳輸速度也很快，這些特性使支持USB接口的電子設(shè)備更易用、更大眾化。GD32F303系列MCU集成了USB2.0全速設(shè)備USBD模塊，可以滿足作為USB設(shè)備與主機(jī)通信的需求。首先為大家介紹USB通信的一些基礎(chǔ)知識，包括USB協(xié)議、枚舉流程等，建議讀者可以多多閱讀USB協(xié)議，以更深入了解USB，USB官網(wǎng)鏈接如下，可參考：https://www.usb.org/

27.2.1.1 USB金字塔型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

塔頂為USB主控制器和根集線器(Root Hub)，下面接USB集線器(Hub)，集線器將一個USB口擴(kuò)展為多個USB口，USB2.0規(guī)定集線器的層數(shù)最多為6層，理論上一個USB主控制器最多可接127個設(shè)備，因為協(xié)議規(guī)定USB設(shè)備具有一個7 bit的地址(取值范圍為0~127，而地址0是保留給未初始化的設(shè)備使用的)。

27.2.1.2 NRZI編碼

USB采用差分信號傳輸，使用的是如上圖所示的NRZI編碼方式：數(shù)據(jù)為0時，電平翻轉(zhuǎn)；數(shù)據(jù)為1時，電平不翻轉(zhuǎn)。如果出現(xiàn)6個連續(xù)的數(shù)據(jù)1，則插入一個數(shù)據(jù)0，強(qiáng)制電平翻轉(zhuǎn)，以便時鐘同步。上面的一條線表示的是原始數(shù)據(jù)序列，下面的一條線表示的是經(jīng)過NRZI編碼后的數(shù)據(jù)序列。

27.2.1.3 USB數(shù)據(jù)協(xié)議

USB數(shù)據(jù)是由二進(jìn)制數(shù)據(jù)串組成，首先由數(shù)據(jù)串構(gòu)成包(packet)，包再構(gòu)成事務(wù)(transaction)，事務(wù)最終構(gòu)成傳輸(transfer)。

USB傳輸?shù)淖钚挝粸榘粋€包被分成不同的域，根據(jù)不同類型的包，所包含的域是不一樣的，但是不同的包有個共同的特點，就是以包起始(SOP)開始，之后是同步域(0x00000001)，然后是包內(nèi)容，最后以包結(jié)束符(EOP)結(jié)束這個包。PID為標(biāo)識域，由四位標(biāo)識符加4位標(biāo)識符反碼構(gòu)成，表明包的類型和格式。根據(jù)PID的不同，USB協(xié)議中規(guī)定的包類型有令牌包、數(shù)據(jù)包、握手包和特殊包等。

USB事務(wù)通常有兩個或三個包組成：令牌包、數(shù)據(jù)包和握手包，令牌包用來啟動一個事務(wù)，總是由主機(jī)發(fā)送；數(shù)據(jù)包用來傳輸數(shù)據(jù)；握手包由數(shù)據(jù)接收者進(jìn)行發(fā)送，表明數(shù)據(jù)的接收情況。批量、同步和中斷傳輸每次傳輸都是一個事務(wù)，控制傳輸包括三個階段：建立過程、數(shù)據(jù)過程和狀態(tài)過程。

針對不同的數(shù)據(jù)傳輸場景，USB分為四種數(shù)據(jù)傳輸模式，這四種傳輸模式分別由不同的包(packet)組成，并且有不同的數(shù)據(jù)處理策略。每種數(shù)據(jù)傳輸模式的流程示意圖以及應(yīng)用場景如下：

? 控制傳輸一般用于命令和狀態(tài)的傳輸，分為控制讀、控制寫和無數(shù)據(jù)控制傳輸。在設(shè)備枚舉的過程中，采用控制傳輸方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

? 批量傳輸分為批量讀和批量寫，用于數(shù)據(jù)量大、對實時性要求不高的場合，如U盤。

? 中斷傳輸用于數(shù)據(jù)量小的場合，保證查詢頻率，如鼠標(biāo)、鍵盤。

? 同步傳輸用于數(shù)據(jù)量大、同時對實時性要求較高的場合，如音視頻。不保證數(shù)據(jù)完整性，沒有ACK/NAK應(yīng)答包，不進(jìn)行數(shù)據(jù)重傳。

27.2.1.4 USB描述符

? 一個USB設(shè)備通常有一個或多個配置，但在同一時刻只能有一個配置；

? 一個配置通常有一個或多個接口；

? 一個接口通常有一個或多個端點；

在USB通信中，USB設(shè)備需要配置多個USB描述符用以枚舉階段將描述符返回給主機(jī)，用以主機(jī)的枚舉以及識別。USB描述符包括設(shè)備描述符、配置描述符、接口描述符、端點描述符以及字符串描述符等。在GD32 USBD固件庫中，針對各種描述符都按照USB協(xié)議定義了相關(guān)結(jié)構(gòu)體，具體說明如下。

? 設(shè)備描述符

每個設(shè)備必須有一個設(shè)備描述符，設(shè)備描述符提供了關(guān)于設(shè)備的配置、設(shè)備所歸屬的類、設(shè)備所遵循的協(xié)議代碼、VID、PID等信息，其相關(guān)結(jié)構(gòu)體定義如下。

C
typedef struct _usb_desc_dev {
usb_desc_header header; ??????????????????????/*!< descriptor header, including type and size */
uint16_t bcdUSB; ?????????????????????????????/*!< BCD of the supported USB specification */
uint8_t ?bDeviceClass; ???????????????????????/*!< USB device class */
uint8_t ?bDeviceSubClass; ????????????????????/*!< USB device subclass */
uint8_t ?bDeviceProtocol; ????????????????????/*!< USB device protocol */
uint8_t ?bMaxPacketSize0; ????????????????????/*!< size of the control (address 0) endpoint's bank in bytes */
uint16_t idVendor; ???????????????????????????/*!< vendor ID for the USB product */
uint16_t idProduct; ??????????????????????????/*!< unique product ID for the USB product */
uint16_t bcdDevice; ??????????????????????????/*!< product release (version) number */
uint8_t ?iManufacturer; ??????????????????????/*!< string index for the manufacturer's name */
uint8_t ?iProduct; ???????????????????????????/*!< string index for the product name/details */
uint8_t ?iSerialNumber; ??????????????????????/*!< string index for the product's globally unique hexadecimal serial number */
uint8_t ?bNumberConfigurations; ??????????????/*!< total number of configurations supported by the device */
} usb_desc_dev;

? 配置描述符

每個USB設(shè)備都至少具有一個配置描述符，在設(shè)備描述符中規(guī)定了該設(shè)備有多少種配置，每種配置都有一個描述符，其相關(guān)結(jié)構(gòu)體定義如下。

C
typedef struct _usb_desc_config {
usb_desc_header header; ??????????????????????/*!< descriptor header, including type and size */
uint16_t wTotalLength; ???????????????????????/*!< size of the configuration descriptor header, and all sub descriptors inside the configuration */
uint8_t ?bNumInterfaces; ?????????????????????/*!< total number of interfaces in the configuration */
uint8_t ?bConfigurationValue; ????????????????/*!< configuration index of the current configuration */
uint8_t ?iConfiguration; ?????????????????????/*!< index of a string descriptor describing the configuration */
uint8_t ?bmAttributes; ???????????????????????/*!< configuration attributes */
uint8_t ?bMaxPower; ??????????????????????????/*!< maximum power consumption of the device while in the current configuration */
} usb_desc_config;

? 接口描述符

接口描述符用以描述接口信息，接口描述符不能單獨返回，必須附著在配置描述符后一并返回，其相關(guān)結(jié)構(gòu)體定義如下。

C
typedef struct _usb_desc_itf {
usb_desc_header header; ??????????????????????/*!< descriptor header, including type and size */
uint8_t bInterfaceNumber; ????????????????????/*!< index of the interface in the current configuration */
uint8_t bAlternateSetting; ???????????????????/*!< alternate setting for the interface number */
uint8_t bNumEndpoints; ???????????????????????/*!< total number of endpoints in the interface */
uint8_t bInterfaceClass; ?????????????????????/*!< interface class ID */
uint8_t bInterfaceSubClass; ??????????????????/*!< interface subclass ID */
uint8_t bInterfaceProtocol; ??????????????????/*!< interface protocol ID */
uint8_t iInterface; ??????????????????????????/*!< index of the string descriptor describing the interface */
} usb_desc_itf;

? 端點描述符

端點描述符用以描述端點信息，端點描述符不能單獨返回，必須附著在配置描述符后一并返回，其相關(guān)結(jié)構(gòu)體定義如下。

C
typedef struct _usb_desc_ep {
usb_desc_header header; ??????????????????????/*!< descriptor header, including type and size */
uint8_t ?bEndpointAddress; ???????????????????/*!< logical address of the endpoint */
uint8_t ?bmAttributes; ???????????????????????/*!< endpoint attribute */
uint16_t wMaxPacketSize; ?????????????????????/*!< size of the endpoint bank, in bytes */
uint8_t ?bInterval; ??????????????????????????/*!< polling interval in milliseconds for the endpoint if it is an INTERRUPT or ISOCHRONOUS type */
} usb_desc_ep;

? 字符串描述符

字符串描述符可含有指向描述制造商、產(chǎn)品、序列號、配置和接口的字符串的索引。類和制造商專屬描述符可含有指向額外字符串描述符的索引。對字符串描述符的支持是可選的，有些類可能會需要它們。

C
typedef struct _usb_desc_str {
usb_desc_header header; ??????????????????????/*!< descriptor header, including type and size. */
uint16_t unicode_string[64]; ?????????????????/*!< unicode string data */
} usb_desc_str;

27.2.1.5 USB枚舉過程

USB枚舉實際上是host檢測到device插入后，通過發(fā)送各種標(biāo)準(zhǔn)請求，請device返回各種USB描述符的過程。USB枚舉的示意圖如下：

27.2.2 GD32 USBD模塊簡介

GD32F303系列MCU提供了一個USB2.0全速USBD接口模塊，它內(nèi)部包含了一個USB物理層而不需要額外的外部物理層芯片。 USBD支持USB 2.0協(xié)議所定義的四種傳輸類型（控制、批量、中斷和同步傳輸）。

主要特性如下：

? USB 2.0全速設(shè)備控制器；
? 最多支持8個可配置的端點；
? 支持雙緩沖的批量傳輸端點/同步傳輸端點；
? 支持USB 2.0鏈接電源管理；
? 每個端點都支持控制，批量，同步或中斷傳輸（端點0除外，端點0只支持控制傳輸） ；
? 支持USB掛起/恢復(fù)操作；
? 與CAN共享512字節(jié)的專用SRAM用于數(shù)據(jù)緩沖；
? 集成的USB物理層。

USBD模塊框圖如下所示。

27.2.3 USBD固件庫說明

USBD固件庫框圖如下所示。用戶應(yīng)用程序(User application)調(diào)用 GD32全速 USB 設(shè)備固件庫中的接口實現(xiàn) USB 設(shè)備與主機(jī)之間的通信，架構(gòu)的最底層為 GD32 MCU開發(fā)板的硬件。其中， GD32 全速 USB 設(shè)備固件庫(GD32F30x_usbd_Library)分為兩層，頂層為應(yīng)用接口層，用戶可以修改，包含 main.c 和 USB 相關(guān)設(shè)備類驅(qū)動；底層為 USBD 設(shè)備驅(qū)動層，不建議用戶修改，該驅(qū)動層包含實現(xiàn) USB 通信相關(guān)協(xié)議以及 USBD 底層模塊操作。

USBD_Drivers設(shè)備驅(qū)動層(Firmware\GD32F30x_usbd_library\usbd)包含兩個文件夾，分別為Include和Source，其中，Include為底層頭文件，Source為底層源文件。

其中，usbd_lld_core.h/c文件中的庫函數(shù)說明如下所示。

usbd_lld_int.h/.c文件中的庫函數(shù)說明如下所示。

USBD_Device設(shè)備驅(qū)動層(Firmware\GD32F30x_usbd_library\device)包含兩個文件夾，分別為Include和Source，其中，Include為底層頭文件，Source為底層源文件。

其中，usbd_core.h/.c文件中的庫函數(shù)說明如下所示。

usbd_enum.h/.c文件中的庫函數(shù)說明如下所示。

usbd_pwr.h/.c文件中的庫函數(shù)說明如下所示。

usbd_transc.h/.c文件中的庫函數(shù)說明如下所示。

27.3 硬件設(shè)計

GD32F303紅楓派開發(fā)板的USB通信接口選擇的是目前較為通用的Type C接口，讀者手中的用于手機(jī)充電的Type C通信線即可使用。

USB的DP和DM線上使用22歐姆串阻，DP線通過1.5K電阻上拉到USBFS_CTL控制引腳，該引腳使用的是PD3引腳。

27.4 代碼解析

本例程主要實現(xiàn)通過按鍵向PC發(fā)送鍵值的現(xiàn)象，實現(xiàn)模擬鍵盤的效果。

本例程主函數(shù)如下所示，首先配置延遲初始化，歷程中使用到了ms延遲，之后配置rcu、gpio、usbd、NVIC等相關(guān)外設(shè)，具體說明將在后續(xù)介紹。

C
int main(void)
{
delay_init();
/* system clocks configuration */
rcu_config();

/* GPIO configuration */
gpio_config();

hid_itfop_register (&usb_hid, &fop_handler);

/* USB device configuration */
usbd_init(&usb_hid, &hid_desc, &hid_class);

/* NVIC configuration */
nvic_config();

usbd_connect(&usb_hid);

while(USBD_CONFIGURED != usb_hid.cur_status){
}

while (1) {
fop_handler.hid_itf_data_process(&usb_hid);
}
}

rcu的配置如下，主要用于配置USB時鐘，USB需要一個穩(wěn)定的48M時鐘，一般可通過系統(tǒng)時鐘分頻獲取，由于有固定的分頻系數(shù)，所以系統(tǒng)時鐘一般選擇48M、72M、96M或120M，歷程中做了自動分頻適配。另外如果使用IRC48Mhz時鐘作為USB時鐘，系統(tǒng)時鐘大于24MHz即可。

C
void rcu_config(void)
{
uint32_t system_clock = rcu_clock_freq_get(CK_SYS);

/* enable USB pull-up pin clock */
rcu_periph_clock_enable(RCU_AHBPeriph_GPIO_PULLUP);

if (48000000U == system_clock) {
rcu_usb_clock_config(RCU_CKUSB_CKPLL_DIV1);
} else if (72000000U == system_clock) {
rcu_usb_clock_config(RCU_CKUSB_CKPLL_DIV1_5);
} else if (96000000U == system_clock) {
rcu_usb_clock_config(RCU_CKUSB_CKPLL_DIV2);
} else if (120000000U == system_clock) {
rcu_usb_clock_config(RCU_CKUSB_CKPLL_DIV2_5);
} else {
/* reserved */
}

/* enable USB APB1 clock */
rcu_periph_clock_enable(RCU_USBD);
}

gpio配置主要用于配置DP線的上拉電阻，dp線上拉主要用于控制USB設(shè)備接入主機(jī)的時機(jī)。本例程中使用PD3的引腳。

若讀者的硬件使用其他的引腳作為dp線的上拉控制，修改上拉引腳的宏定義配置即可。

C
void gpio_config(void)
{
/* configure usb pull-up pin */
gpio_init(USB_PULLUP, GPIO_MODE_OUT_PP, GPIO_OSPEED_50MHZ, USB_PULLUP_PIN);

/* USB wakeup EXTI line configuration */
exti_interrupt_flag_clear(EXTI_18);
exti_init(EXTI_18, EXTI_INTERRUPT, EXTI_TRIG_RISING);
}

define USB_PULLUP ????????????????????????GPIOD

define USB_PULLUP_PIN ????????????????????GPIO_PIN_3

define RCU_AHBPeriph_GPIO_PULLUP ?????????RCU_GPIOD

注冊HID接口操作函數(shù)如下所示。在該代碼清單中，注冊了HID接口操作的配置以及數(shù)據(jù)處理函數(shù)句柄，用于后續(xù)函數(shù)調(diào)用。

C
uint8_t hid_itfop_register (usb_dev *udev, hid_fop_handler *hid_fop)
{
if (NULL != hid_fop) {
udev->user_data = (void *)hid_fop;

return USBD_OK;
}

return USBD_FAIL;
}

USBD內(nèi)核初始化函數(shù)如下所示。在該代碼清單中，首先配置USB內(nèi)核基本屬性參數(shù)，然后初始化USBD描述符、設(shè)備類內(nèi)核以及設(shè)備類處理函數(shù)指針，之后初始化端點事務(wù)函數(shù)數(shù)組，配置電源管理以及USB掛起狀態(tài)使能，最后調(diào)用設(shè)備類內(nèi)核初始化函數(shù)完成USBD內(nèi)核初始化。

C
void usbd_init (usb_dev *udev, usb_desc *desc, usb_class *usbc)
{
/* configure USBD core basic attributes */
usbd_core.basic.max_ep_count = 8U;
usbd_core.basic.twin_buf = 1U;
usbd_core.basic.ram_size = 512U;

usbd_core.dev = udev;

udev->desc = desc;
udev->class_core = usbc;
udev->drv_handler = &usbd_drv_handler;

udev->ep_transc[0][TRANSC_SETUP] = _usb_setup_transc;
udev->ep_transc[0][TRANSC_OUT] = _usb_out0_transc;
udev->ep_transc[0][TRANSC_IN] = _usb_in0_transc;

/* configure power management */
udev->pm.power_mode = (udev->desc->config_desc[7] & 0x40U) >> 5;

/* enable USB suspend */
udev->pm.suspend_enabled = 1U;

/* USB low level initialization */
udev->drv_handler->init();

/* create serial string */
serial_string_get((uint16_t *)udev->desc->strings[STR_IDX_SERIAL]);
}

NVIC配置函數(shù)如下所示。在該代碼清單中首先對NVIC分組進(jìn)行配置，其中1位用于搶占優(yōu)先級，3位用于次優(yōu)先級。之后使能USBD低優(yōu)先級中斷和喚醒中斷。

C
void nvic_config(void)
{
/* 2 bits for preemption priority, 2 bits for subpriority */
nvic_priority_group_set(NVIC_PRIGROUP_PRE1_SUB3);

/* enable the USB low priority interrupt */
nvic_irq_enable((uint8_t)USBD_LP_CAN0_RX0_IRQn, 1U, 0U);

/* enable the USB Wake-up interrupt */
nvic_irq_enable((uint8_t)USBD_WKUP_IRQn, 0U, 0U);
}

然后調(diào)用usbd_connect(&usb_hid);函數(shù)將上拉引腳電平進(jìn)行上拉，并將USB設(shè)備狀態(tài)udev->cur_status設(shè)置為連接狀態(tài)USBD_CONNECTED。

C
__STATIC_INLINE void usbd_connect (usb_dev *udev)
{
udev->drv_handler->dp_pullup(SET);

udev->cur_status = (uint8_t)USBD_CONNECTED;
}

上拉電阻被上拉后，主機(jī)將會對設(shè)備進(jìn)行枚舉，設(shè)備端采用while(USBD_CONFIGURED != usb_hid.cur_status)語句進(jìn)行等待。當(dāng)USB設(shè)備狀態(tài)變?yōu)閁SBD_CONFIGURED狀態(tài)時，表明設(shè)備枚舉完成。

枚舉完成之后，程序?qū)⑦M(jìn)入主循環(huán)中，在主循環(huán)中，循環(huán)調(diào)用HID USB模擬鍵盤數(shù)據(jù)處理函數(shù)，在該函數(shù)中，首先判斷上次傳輸是否完成，完成之后通過掃描按鍵的方式查看按鍵是否被按下，若按鍵被按下，則通過hid_report_send()函數(shù)發(fā)送鍵盤報告數(shù)據(jù)。

C
static void hid_key_data_send(usb_dev *udev)
{
standard_hid_handler *hid = (standard_hid_handler *)udev->class_data[USBD_HID_INTERFACE];

if (hid->prev_transfer_complete) {
switch (key_state()) {
case CHAR_A:
hid->data[2] = 0x04U;
break;
case CHAR_B:
hid->data[2] = 0x05U;
break;
case CHAR_C:
hid->data[2] = 0x06U;
break;
default:
break;
}

if (0U != hid->data[2]) {
hid_report_send(udev, hid->data, HID_IN_PACKET);
}
}
}

報文發(fā)送函數(shù)定義如下，該函數(shù)包含三個參數(shù)，udev為初始化后的設(shè)備操作結(jié)構(gòu)體；report為發(fā)送報告緩沖區(qū)地址；len為發(fā)送報告的長度。在該函數(shù)中，如果設(shè)備已經(jīng)被枚舉成功，則首先將prev_transfer_complete標(biāo)志位設(shè)置為0，表明接下來將進(jìn)行發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)并未發(fā)送完成，之后，調(diào)用usbd_ep_send()將需要發(fā)送的報告拷貝到USB外設(shè)緩沖區(qū)中并設(shè)置端點為有效狀態(tài)，等待主機(jī)發(fā)送IN令牌包，USB設(shè)備將外設(shè)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)發(fā)送給主機(jī)。

C
uint8_t hid_report_send (usb_dev *udev, uint8_t *report, uint16_t len)
{
standard_hid_handler *hid = (standard_hid_handler *)udev->class_data[USBD_HID_INTERFACE];

/* check if USB is configured */
hid->prev_transfer_complete = 0U;

usbd_ep_send(udev, HID_IN_EP, report, len);

return USBD_OK;
}

當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完成，USB設(shè)備將調(diào)用hid_data_in_handler()函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。該函數(shù)程序如下所示。在該函數(shù)中，首先判斷hid->data[2]的數(shù)據(jù)是否為0x00，如果不為0x00表明上次發(fā)送的為按鍵按下的鍵值，還需發(fā)送按鍵松開的鍵值，如果為0x00表明上次按鍵按下和松開的鍵值均已發(fā)送完成，之后將prev_transfer_complete設(shè)置為1，表明上一次的按鍵數(shù)據(jù)傳輸完成，可進(jìn)行下次按鍵數(shù)據(jù)傳輸。

C
static void hid_data_in_handler (usb_dev *udev, uint8_t ep_num)
{
standard_hid_handler *hid = (standard_hid_handler *)udev->class_data[USBD_HID_INTERFACE];

if (hid->data[2]) {
hid->data[2] = 0x00U;

usbd_ep_send(udev, HID_IN_EP, hid->data, HID_IN_PACKET);
} else {
hid->prev_transfer_complete = 1U;
}
}

在該例程中通過hid->prev_transfer_complete數(shù)據(jù)流程標(biāo)志位進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送控制，讀者可使用該標(biāo)志位用于對數(shù)據(jù)發(fā)送的控制，當(dāng)該標(biāo)志位為0的時候，表明數(shù)據(jù)已被填送到USB緩沖區(qū)，但還沒有發(fā)送給主機(jī)，此時MCU不能繼續(xù)調(diào)用發(fā)送函數(shù)向緩沖區(qū)中填數(shù)據(jù)，否則可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)覆蓋丟失，正確做法是等待該標(biāo)志位置位，表明上一包數(shù)據(jù)已被主機(jī)讀取，然后再繼續(xù)發(fā)送后續(xù)數(shù)據(jù)。

27.5 實驗結(jié)果

將本例程燒錄到紅楓派開發(fā)板中，通過Type C數(shù)據(jù)線連接開發(fā)板和PC，之后按下ROCKER_KEY、K1、K2按鍵，將會向PC發(fā)送A、B、C鍵值。

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