stm32f4 USB項目開發詳解

一、USB總體概況

 

1.1、USB通信過程簡介

1. 設備插到主機上
2. 主機開始檢測設備類型（高速/全速/低速）
3. 復位設備
4. 主機開始對設備枚舉（根據枚舉得到的各種信息加載合適的驅動程序，比如根據信息知道是一個鼠標設備，則加載鼠標的驅動程序對接下來的數據進行處理）
5. 枚舉完成后主機要發送令牌包（IN / OUT）查詢有效端點是否有數據，有數據時設備自然會返還給主機

 

1.2、USB枚舉過程簡介

1. 主機獲取設備描述符（部分）
2. 主機對從機設置設備地址（非零，相當於我們的學號id）
3. 主機再次獲取從機設備描述符（全部）
4. 主機獲取配置描述符（了解從機配置，接口，端點）情況
5. 如果有字符串描述符還有獲取字符串描述符
6. 設置配置請求，就是激活配置，如果沒有這一步對應的配置就不可用
7. 針對不同的類，獲取它們獨特的類描述符（比如HID報告描述符）

注意：

1. 上面的枚舉1-4，6步驟是必須的，
2. 主機和從機通信時，從機時不能主動發數據給主機的，必須要等主機給從機發送令牌包后，根據主機的需求發送相應的數據

 

1.3、USB 配置  接口  端點  的關系

　　1、一個設備可以有多個配置，不同的配置對應不同的功能

　　　　比如，一個USB接口的CD－ROM，作為一個設備，

　　　　它具有兩種功能，1讀取光盤 和  2播放CD，所以有2個Configuration描述符

　　2、一個功能的實現要涉及許多接口，

　　　　比如當CD播放機使用時，需要音頻接口，同時還需要控制CD機的接口。 

　　3、一個接口又有許多端點組成，一般真正通信都是針對端點進行的，比如用端點0來進行控制枚舉傳輸

　　　　stm32  支持8個雙向端點，16個單向端點，每個端點只能時一個方向（OUT / IN），除了端點0

 

 

 

 、

二、區分高速全速 低速設備的方法

 

d+上面接電阻：全速/高速設備             d-  上接電阻：低速設備

 

 、

三、USB設備插拔檢測機制

3.1、沒有插上usb設備主機情況

1. D+和D-數據線上的下拉電阻起作用，使得二者都在低電平；主機端看來就是個SE0狀態；
2. 同樣地，當數據線上的SE0狀態持續一段時間了，就被主機認為是斷開狀態 

 

 

3.2、 插上usb設備時

 

當主機檢測到某一個數據線電平拉高並保持了一段時間，就認為有設備連上來了

主機必需在驅動SE0狀態以復位設備之前， 立刻采樣總線狀態來判斷設備的速度 

 

 

、

 四、USB通信數據包解釋以及包的傳輸過程

 4.1、Packet的組成

4.2 、USB包的分類（令牌，數據包，握手包、幀首包）

包的分類組要是靠PID域來說明的，其中令牌包最重要

 

4.2.1、令牌包：

IN　　OUT　　SETUP  三個命令可選,並且都由主機發出，用來啟動一次傳輸

主機和從機通信時，從機時不能主動發數據給主機的，必須要等主機給從機發送令牌包后，根據主機的需求發送相應的數據

 

　　1、IN   主機用來從設備讀取數據 

　　2、OUT   主機用來向設備發送數據

　　3、SETUP  主機用來向設備發送控制命令，接下來就是主機發送一次命令數據給（這個數據一般時獲取描述符請求）從機  一般枚舉的時候用

 

例如SETUP包：

 

 4.2.2、數據包：

數據包：一般是DATA0 DATA1交替發出，如本次發送DATA0 下次就發送DATA1,主要目的就是為了校驗

圖中DATA0 編碼是0xC3

 

 4.2.3、握手包

用來確認應答

　　>> ACK：傳輸正確完成
　　>> NAK：設備暫時沒有准備好接收數據，或沒有准備好發送數據
　　>> STALL：設備不能進行傳輸
　　>> NYET/ERR：僅用於高速傳輸，設備沒有准備好或出錯

4.3、包的傳輸順序

一般都是先由主機發送命令，然后才是數據過程，再時應答過程

 

 

五、枚舉過程

枚舉過程都是主機發送標准請求然后從機做出相應的應答

5.1、枚舉過程的通俗比喻 

1、主機(下稱H):你是什么設備（獲取設備描述符請求）?
　　設備(下稱D):12 01 0100……Device Descriptor
2、H:你有幾種功能（獲取配置描述符請求）?
　　D:09 02 09……Configuration Descriptor
3、H:每個功能有幾個接口（獲取接口描述符）?
　　D:09 04 00……Interface Descriptor
4、H:每個接口使用哪幾個端點（獲取端點描述符）?
　　D:06 05 82……Endpoint Descriptor
5、H:好了,我知道你是誰了,開始傳輸數據吧!
　　D:OK, Read Go

5.2、主機標准請求

 

主機要獲得從機的描述符就要發送相關8字節標准請求

 

 

 

 5.3、描述符介紹

5.3.1、設備描述符

 

 以stm32為例：

/*usb_desc.c*/

/* USB Standard Device Descriptor */
const uint8_t Joystick_DeviceDescriptor[JOYSTICK_SIZ_DEVICE_DESC] =
  {
    0x12,                       /*bLength */
    USB_DEVICE_DESCRIPTOR_TYPE, /*bDescriptorType*/
    0x00,                       /*bcdUSB */
    0x02,
    0x00,                       /*bDeviceClass*/
    0x00,                       /*bDeviceSubClass*/
    0x00,                       /*bDeviceProtocol*/
    0x40, /*bMaxPacketSize 64*/
    0x83,                       /*idVendor (0x0483)*/
    0x04,
    0x10,                       /*idProduct = 0x5710*/
    0x57,
    0x00,                       /*bcdDevice rel. 2.00*/
    0x02,
    1,                          /*Index of string descriptor describing
                                                  manufacturer */
    2,                          /*Index of string descriptor describing
                                                 product*/
    3,                          /*Index of string descriptor describing the
                                                 device serial number */
  0x01 /*bNumConfigurations*/
  }
  ; /* Joystick_DeviceDescriptor */

 

 

5.3.2、配置描述符

 

 

 

    0x09, /* bLength: Configuration Descriptor size */
    USB_CONFIGURATION_DESCRIPTOR_TYPE, /* bDescriptorType: Configuration */
    JOYSTICK_SIZ_CONFIG_DESC,  /*#define JOYSTICK_SIZ_CONFIG_DESC   34   這是一個大數組，整個數組大小34字節*/
    /* wTotalLength: Bytes returned   */
    0x00,
    0x01, /*bNumInterfaces: 1 interface*/
    0x01,         /*bConfigurationValue: Configuration value*/
    0x00,         /*iConfiguration: Index of string descriptor describing
                                     the configuration*/
    0xE0,         /*bmAttributes: Self powered */
    0x32,         /*MaxPower 100 mA: this current is used for detecting Vbus*/

 

5.3.3、 接口描述符

 

    /************** Descriptor of Joystick Mouse interface ****************/
    /* 09 */
    0x09,         /*bLength: Interface Descriptor size*/
    USB_INTERFACE_DESCRIPTOR_TYPE,/*bDescriptorType: Interface descriptor type*/
    0x00, /*bInterfaceNumber: Number of Interface 序號，編號從0開始，第二個接口就是1*/
    0x00,         /*bAlternateSetting: Alternate setting*/
    0x01, /*bNumEndpoints 該接口的端點數目*/
   0x03, /*bInterfaceClass: HID*/
    0x01,         /*bInterfaceSubClass : 1=BOOT, 0=no boot*/
    0x02,         /*nInterfaceProtocol : 0=none, 1=keyboard, 2=mouse*/
    0,            /*iInterface: Index of string descriptor*/

 5.3.4、類描述符（比如HID類描述符）這個時可選的（如果不是標准類，就不需要）

 

 

   /******************** Descriptor of Joystick Mouse HID ********************/
    /* 18 */
    0x09,         /*bLength: HID Descriptor size*/
    HID_DESCRIPTOR_TYPE, /*bDescriptorType: HID*/
    0x00,         /*bcdHID: HID Class Spec release number*/
    0x01,
    0x00,         /*bCountryCode: Hardware target country*/
    0x01,         /*bNumDescriptors: Number of HID class descriptors to follow*/
    0x22,         /*bDescriptorType*/
    JOYSTICK_SIZ_REPORT_DESC,/*wItemLength: Total length of Report descriptor*/
    0x00,
    /******************** Descriptor of Joystick Mouse endpoint ********************/

 

 

 5.3.5、端點描述符

    /******************** Descriptor of Joystick Mouse endpoint ********************/
    /* 27 */
    0x07,          /*bLength: Endpoint Descriptor size*/
    USB_ENDPOINT_DESCRIPTOR_TYPE, /*bDescriptorType:*/

   0x81, /*bEndpointAddress: Endpoint Address (IN)*/
    0x03, /*bmAttributes: Interrupt endpoint 0控制 1等時 2批量 3中斷*/
    0x04,          /*wMaxPacketSize: 4 Byte max */
    0x00,
    0x20,          /*bInterval: Polling Interval (32 ms)*/

 

5.4、獲取設備描述符

 

 

 

 

 

5.5、設置地址請求

 

 

 

 

 5.6、獲取配置描述符

 

 

 

 5.7、設置配置請求

就是讓某個配置有效

 

 

 

 

5.8、stm32 枚舉代碼分析

/*usbh_core.c*/

void USBH_Process(USB_OTG_CORE_HANDLE *pdev , USBH_HOST *phost)
{
  volatile USBH_Status status = USBH_FAIL;
  
  
switch (phost->gState)
  {
  
、、、、、、、、、、、、
    
  case HOST_ENUMERATION:  /* Check for enumeration status */  
    if ( USBH_HandleEnum(pdev , phost) == USBH_OK)
    { 
      /* The function shall return USBH_OK when full enumeration is complete */
      
      /* user callback for end of device basic enumeration */
      phost->usr_cb->EnumerationDone();
      
      phost->gState  = HOST_USR_INPUT;    
    }
    break;
    
、、、、、、、、、、
    
  default :
    break;
  }

}

 

/*usbh_core.c*/

/**
  * @brief  USBH_HandleEnum 
  *         This function includes the complete enumeration process
  * @param  pdev: Selected device
  * @retval USBH_Status
  */
static USBH_Status USBH_HandleEnum(USB_OTG_CORE_HANDLE *pdev, USBH_HOST *phost)
{
  USBH_Status Status = USBH_BUSY;  
  uint8_t Local_Buffer[64];
  
  switch (phost->EnumState)
  {
  case ENUM_IDLE:  
    /* Get Device Desc for only 1st 8 bytes : To get EP0 MaxPacketSize 得到8字節設備描述符 */
    if ( USBH_Get_DevDesc(pdev , phost, 8) == USBH_OK)
    {
      phost->Control.ep0size = phost->device_prop.Dev_Desc.bMaxPacketSize;
      
      /* Issue Reset 復位設備 */ HCD_ResetPort(pdev);
      phost->EnumState = ENUM_GET_FULL_DEV_DESC;
      
      /* modify control channels configuration for MaxPacket size */
      USBH_Modify_Channel (pdev,
                           phost->Control.hc_num_out,
                           0,
                           0,
                           0,
                           phost->Control.ep0size);
      
      USBH_Modify_Channel (pdev,
                           phost->Control.hc_num_in,
                           0,
                           0,
                           0,
                           phost->Control.ep0size);      
    }
    break;
    
  case ENUM_GET_FULL_DEV_DESC: /* Get FULL Device Desc 得到整個設備描述符 */
    if ( USBH_Get_DevDesc(pdev, phost, USB_DEVICE_DESC_SIZE)\
      == USBH_OK)
    {
      /* user callback for device descriptor available */
      phost->usr_cb->DeviceDescAvailable(&phost->device_prop.Dev_Desc);      
      phost->EnumState = ENUM_SET_ADDR;
    }
    break;
   
  case ENUM_SET_ADDR: /* 設置地址 set address */
    if ( USBH_SetAddress(pdev, phost, USBH_DEVICE_ADDRESS) == USBH_OK)  /*#define USBH_DEVICE_ADDRESS 1*/
    {
      USB_OTG_BSP_mDelay(2);
      phost->device_prop.address = USBH_DEVICE_ADDRESS;
      
      /* user callback for device address assigned */
      phost->usr_cb->DeviceAddressAssigned();
      phost->EnumState = ENUM_GET_CFG_DESC;
      
      /* modify control channels to update device address */
      USBH_Modify_Channel (pdev,
                           phost->Control.hc_num_in,
                           phost->device_prop.address,
                           0,
                           0,
                           0);
      
      USBH_Modify_Channel (pdev,
                           phost->Control.hc_num_out,
                           phost->device_prop.address,
                           0,
                           0,
                           0);         
    }
    break;
    
  case ENUM_GET_CFG_DESC:  /* 得到配置描述符get standard configuration descriptor */
    if ( USBH_Get_CfgDesc(pdev, phost, USB_CONFIGURATION_DESC_SIZE) == USBH_OK)
    {
      phost->EnumState = ENUM_GET_FULL_CFG_DESC;
    }
    break;
    
  case ENUM_GET_FULL_CFG_DESC:  
    /* get FULL config descriptor (config, interface, endpoints) */
    if (USBH_Get_CfgDesc(pdev, phost, phost->device_prop.Cfg_Desc.wTotalLength) == USBH_OK)
    {
      /* User callback for configuration descriptors available */
      phost->usr_cb->ConfigurationDescAvailable(&phost->device_prop.Cfg_Desc,
                                                      phost->device_prop.Itf_Desc,
                                                      phost->device_prop.Ep_Desc[0]);
      
      phost->EnumState = ENUM_GET_MFC_STRING_DESC;
    }
    break;
    
  case ENUM_GET_MFC_STRING_DESC: if (phost->device_prop.Dev_Desc.iManufacturer != 0)
    { /* 字符串描述符Check that Manufacturer String is available */
      
      if ( USBH_Get_StringDesc(pdev,
                               phost,
                               phost->device_prop.Dev_Desc.iManufacturer, 
                               Local_Buffer , 
                               0xff) == USBH_OK)
      {
        /* User callback for Manufacturing string */
        phost->usr_cb->ManufacturerString(Local_Buffer);
        phost->EnumState = ENUM_GET_PRODUCT_STRING_DESC;
      }
    }
    else
    {
      phost->usr_cb->ManufacturerString("N/A");      
      phost->EnumState = ENUM_GET_PRODUCT_STRING_DESC;
    }
    break;
    
  case ENUM_GET_PRODUCT_STRING_DESC:   
    if (phost->device_prop.Dev_Desc.iProduct != 0)
    { /* Check that Product string is available */
      if ( USBH_Get_StringDesc(pdev,
                               phost,
                               phost->device_prop.Dev_Desc.iProduct, 
                               Local_Buffer, 
                               0xff) == USBH_OK)
      {
        /* User callback for Product string */
        phost->usr_cb->ProductString(Local_Buffer);
        phost->EnumState = ENUM_GET_SERIALNUM_STRING_DESC;
      }
    }
    else
    {
      phost->usr_cb->ProductString("N/A");
      phost->EnumState = ENUM_GET_SERIALNUM_STRING_DESC;
    } 
    break;
    
  case ENUM_GET_SERIALNUM_STRING_DESC:   
    if (phost->device_prop.Dev_Desc.iSerialNumber != 0)
    { /* Check that Serial number string is available */    
      if ( USBH_Get_StringDesc(pdev, 
                               phost,
                               phost->device_prop.Dev_Desc.iSerialNumber, 
                               Local_Buffer, 
                               0xff) == USBH_OK)
      {
        /* User callback for Serial number string */
        phost->usr_cb->SerialNumString(Local_Buffer);
        phost->EnumState = ENUM_SET_CONFIGURATION;
      }
    }
    else
    {
      phost->usr_cb->SerialNumString("N/A");      
      phost->EnumState = ENUM_SET_CONFIGURATION;
    }  
    break;
      
  case ENUM_SET_CONFIGURATION: /* 設置配置請求set configuration  (default config) */
    if (USBH_SetCfg(pdev, 
                    phost,
                    phost->device_prop.Cfg_Desc.bConfigurationValue) == USBH_OK)
    {
      phost->EnumState = ENUM_DEV_CONFIGURED;
    }
    break;

    
  case ENUM_DEV_CONFIGURED:
    /* user callback for enumeration done */
    Status = USBH_OK;
    break;
    
  default:
    break;
  }  
  return Status;
}

 

 

 六、 USB枚舉后的數據傳輸過程  以及    四種傳輸類型

usb 四種傳輸類型是針對端點而言的，並不是usb整個傳輸過程為一種傳輸類型

1、控制傳輸(Control Transfers):  枚舉　　

　　（一般用於枚舉過程端點0，主機給從機發命令或回應狀態時，這個過程是隨機突發的的，也就是主機隨時發命令，從機只能是待命）

 

 

2、大容量數據傳輸 批量傳輸(Bulk Transfers):       U盤

        大容量傳輸一般用於非零端點，並且針對大數據傳輸（如U盤），數據可以占用任意帶寬，並容忍延遲 ，並且這個過程也是隨機突發的，因為控制權在主機，用戶隨時要讀取設備（u盤）數據，所以這個過程是非周期的

 

 

stm32 大容量傳輸分析

 

 

3、同步傳輸(Isochronous Transfers):    攝像頭           

        周期性的，持續性的傳輸，用於傳輸與時效相關的信息，並且在數據中保存時間戳的信息 比如（攝像頭圖像傳輸）

 

 

 

4、中斷傳輸(Interrupt Transfers):   鼠標鍵盤

　　周期性，低頻率，比如hid鼠標鍵盤，（主機是周期性查詢端點有沒有數據的，只要鼠標有動作，就可以往端點緩存送數據，等到主機查詢的時候，數據就會被主機讀走）所以在設備初始化的時候要初始化主機查詢時間間隔

超時輪詢時間間隔在從機端點描述符中獲取

 

 

 stm32中斷傳輸分析

/*主機 usbh_hid_core.c*/

static USBH_Status USBH_HID_Handle(USB_OTG_CORE_HANDLE *pdev , 
                                   void   *phost)
{
 、、、、、、switch (HID_Machine.state)
  {
    
 、、、、、case HID_GET_DATA:

    USBH_InterruptReceiveData(pdev, 
                              HID_Machine.buff,
                              HID_Machine.length,
                              HID_Machine.hc_num_in);
    start_toggle = 1;
    
    HID_Machine.state = HID_POLL;
    HID_Machine.timer = HCD_GetCurrentFrame(pdev);
    break;
    
  case HID_POLL: if(( HCD_GetCurrentFrame(pdev) - HID_Machine.timer) >= HID_Machine.poll)//超時輪詢
    {
      HID_Machine.state = HID_GET_DATA;
    }
    else if(HCD_GetURB_State(pdev , HID_Machine.hc_num_in) == URB_DONE)
    {
      if(start_toggle == 1) /* handle data once */
      {
        start_toggle = 0;
       HID_Machine.cb->Decode(HID_Machine.buff);
      }
    }
    else if(HCD_GetURB_State(pdev, HID_Machine.hc_num_in) == URB_STALL) /* IN Endpoint Stalled */
    {
      
      /* Issue Clear Feature on interrupt IN endpoint */ 
      if( (USBH_ClrFeature(pdev, 
                           pphost,
                           HID_Machine.ep_addr,
                           HID_Machine.hc_num_in)) == USBH_OK)
      {
        /* Change state to issue next IN token */
        HID_Machine.state = HID_GET_DATA;
        
      }
      
    }      
    break;
    
  default:
    break;
  }
  return status;
}