AT32講堂043 | 如何使用AT32 MCU主機(jī)庫快速開發(fā)USB相關(guān)應(yīng)用

AT32 USB主機(jī)協(xié)議庫

這部分主要介紹AT32 USB主機(jī)庫的結(jié)構(gòu)和庫的使用方法，AT32 USB支持全速和低速，不支持USB2.0高速設(shè)備。這里庫的作用是用來管理USB外設(shè)和實(shí)現(xiàn)USB的基本協(xié)議，使開發(fā)者能夠更快的上手開發(fā)。USB主機(jī)庫包含以下幾個(gè)模塊 如圖1：

• 用戶應(yīng)用程序此部分為開發(fā)者根據(jù)應(yīng)用具體需求開發(fā)應(yīng)用程序。
• USB Core Driver和USB主機(jī)類USB Core Driver：此部分實(shí)現(xiàn)USB設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議棧，標(biāo)準(zhǔn)請求等接口。USB主機(jī)類：此部分實(shí)現(xiàn)具體USB主機(jī)請求。
• USB主機(jī)硬件底層接口此部分實(shí)現(xiàn)硬件寄存器抽象接口
• USB/OTG外設(shè)

圖1. USB主機(jī)庫結(jié)構(gòu)

AT32 USB庫文件

如下是AT32 USB應(yīng)用工程結(jié)構(gòu)圖：圖2. AT32工程結(jié)構(gòu)Core Driver庫路徑：OTGFS-->middlewares\usb_driversHost Class庫路徑：middlewares\usbh_class如下是USB主機(jī)庫文件列表：表1. USB主機(jī)庫文件列表表2. USB主機(jī)類文件列表

USB主機(jī)庫文件說明

USB庫實(shí)現(xiàn)USB主機(jī)枚舉標(biāo)準(zhǔn)請求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)USB規(guī)格里面的4種傳輸類型（control，interrupt，bulk，isochronous）的函數(shù)接口。圖3 USB主機(jī)庫文件結(jié)構(gòu)

USB主機(jī)文件函數(shù)接口

usbh_int.c函數(shù)接口usbh_int.c主要處理底層中斷，包括設(shè)備連接，設(shè)備斷開等。表3 usbh_int函數(shù)接口usbh_core.c函數(shù)接口usbh_core.c此文件封裝不同的usb主機(jī)函數(shù)接口用于不同的地方調(diào)用，包括一些接收，發(fā)送函數(shù)等。表4 usbh_core函數(shù)接口usbh_ctrl.c函數(shù)接口usbh_ctrl.c此文件處理USB主機(jī)枚舉過程中的一些標(biāo)準(zhǔn)請求。表5 usbh_ctrl函數(shù)接口支持的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請求如下表：表6 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請求usbh_xx_class.c函數(shù)接口usbh_xx_class.c此文件為具體主機(jī)類型的數(shù)據(jù)處理，通過結(jié)構(gòu)體函數(shù)來實(shí)現(xiàn)不同主機(jī)類型數(shù)據(jù)的處理。開發(fā)者根據(jù)不同的主機(jī)類型，來實(shí)現(xiàn)下面函數(shù)結(jié)構(gòu)體中的函數(shù)，達(dá)到不同應(yīng)用結(jié)果。函數(shù)結(jié)構(gòu)體如下：表7 主機(jī)class函數(shù)結(jié)構(gòu)體表8 主機(jī)class函數(shù)接口usbh_user.c函數(shù)接口usbh_user.c此文件主要為一些給用戶處理事件的函數(shù)如復(fù)位，斷開連接等。表9 用戶事件函數(shù)結(jié)構(gòu)體表10 用戶函數(shù)接口函數(shù)其它參數(shù)函數(shù)的參數(shù)結(jié)構(gòu)體如下，USB主機(jī)庫中參數(shù)傳遞使用結(jié)構(gòu)體usbh_core_type，如下圖：圖4 全局結(jié)構(gòu)體USB主機(jī)的狀態(tài)機(jī)如下圖：圖5 USB主機(jī)狀態(tài)機(jī)USB返回值，USB函數(shù)接口使用如下函數(shù)返回值。圖6 函數(shù)返回值

通道FIFO分配

USB主機(jī)要正常收發(fā)數(shù)據(jù)，在初始化時(shí)需要為通道分配FIFO，分配給所有通道FIFO大小的和不能超過系統(tǒng)分配給USB緩沖區(qū)的最大長度，具體USB的緩沖區(qū)大小參考RM上的描述。開發(fā)者可以參考例程usb_conf.h為通道自定義分配FIFO。OTGFS主機(jī)通道FIFO分配主機(jī)模式下，所有通道共享一個(gè)接收FIFO，通道發(fā)送FIFO分為非周期性發(fā)送FIFO和周期性發(fā)送FIFO。注意usb_conf.h中對端點(diǎn)分配的FIFO大小單位為word（Byte）。以hid_demo例程為例：

USB主機(jī)初始化

在使用USB主機(jī)功能時(shí)，需要對USB的寄存器做一些基本的初始化，通過調(diào)用USB主機(jī)的初始化函數(shù)完成這部分的操作。OTGFS外設(shè)初始化OTGFS初始化函數(shù)usbd_init包含5個(gè)參數(shù)：例程主機(jī)hid_demo的初始化如下：

USB主機(jī)中斷處理

USB主機(jī)中斷入口函數(shù)usbh_irq_handler處理所有USB主機(jī)中斷，包括連接狀態(tài)，通道收發(fā)數(shù)據(jù)，SOF，喚醒等中斷，下面介紹一些典型的中斷處理。圖7 USB主機(jī)中斷處理函數(shù)通道中斷處理當(dāng)USB主機(jī)與設(shè)備進(jìn)行通信時(shí)，通道的收發(fā)狀態(tài)都在通道中斷中處理，通道的方向分為IN和OUT通過通道寄存器中的方向?yàn)檫M(jìn)行判斷。中斷處理函數(shù)：usbh_hch_handler代碼如下：Wakeup 中斷處理當(dāng)USB主機(jī)在掛起狀態(tài)時(shí)，檢測到設(shè)備觸發(fā)的遠(yuǎn)程喚醒信號，將產(chǎn)生此中斷。此中斷會將當(dāng)前主機(jī)狀態(tài)改為WAKEUP狀態(tài)：中斷處理函數(shù)：usbh_wakeup_handler代碼如下：接收FIFO非空中斷此中斷表示當(dāng)前接收FIFO有數(shù)據(jù)，應(yīng)用程序通過此中斷讀出接收到的數(shù)據(jù)，并存放到對應(yīng)通道的FIFO當(dāng)中，當(dāng)數(shù)據(jù)讀取完成之后，會產(chǎn)生對應(yīng)的通道的中斷。中斷處理函數(shù)：usbh_rx_qlvl_handler代碼如下：主機(jī)端口中斷處理當(dāng)USB主機(jī)斷開發(fā)生狀態(tài)改變時(shí)，會產(chǎn)生端口中斷，應(yīng)用程序通過此中斷判斷連接設(shè)備的速度等。中斷處理函數(shù)：usbh_port_handler設(shè)備斷開連接中斷處理當(dāng)連接的設(shè)備斷開是，會產(chǎn)生斷開連接中斷。中斷處理函數(shù)：usbh_disconnect_handler代碼：

USB主機(jī)枚舉處理

USB主機(jī)狀態(tài)機(jī)在usbh_loop_handler函數(shù)中處理，對應(yīng)的主機(jī)狀態(tài)機(jī)uhost->global_state，如下圖是設(shè)備連接到主機(jī)的狀態(tài)處理流程：圖8 設(shè)備連接狀態(tài)機(jī)流程

• USBH_IDLE：當(dāng)USB啟動或者設(shè)備斷開連接之后在此狀態(tài)
• USBH_PORT_EN：USB主機(jī)端口使能之后在此狀態(tài)
• USBH_ATTACHED：USB設(shè)備連接穩(wěn)定之后
• USBH_ENUMERATION：USB設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)的枚舉流程
• USBH_USER_HANDLER：枚舉完成之后，調(diào)用主機(jī)類的初始化函數(shù)
• USBH_CLASS_REQUEST：主機(jī)類初始化完成之后，進(jìn)行主機(jī)類請求
• USBH_CLASS：所有枚舉完成，進(jìn)行正常的數(shù)據(jù)處理。

USB主機(jī)枚舉流程當(dāng)設(shè)備接到主機(jī)之后，通過控制端點(diǎn)（端點(diǎn)0）進(jìn)行枚舉動作，USB主機(jī)的枚舉狀態(tài)如下：如下是主機(jī)枚舉的狀態(tài)機(jī)流程：圖9 USB主機(jī)枚舉流程

• ENUM_GET_MIN_DESC：獲取8字節(jié)設(shè)備描述
• ENUM_GET_FULL_DESC：獲取18字節(jié)設(shè)備描述
• ENUM_SET_ADDR：設(shè)置設(shè)備地址
• ENUM_GET_CFG：獲取9字節(jié)配置描述
• ENUM_GET_FULL_CFG：獲取完整的配置描述
• ENUM_GET_MFC_STRING：獲取設(shè)備廠商信息
• ENUM_GET_PRODUCT_STRING：獲取設(shè)備產(chǎn)品信息
• ENUM_GET_SERIALNUM_STRING：獲取設(shè)備序列號信息
• ENUM_SET_CONFIG：SET CONFIGURE
• ENUM_COMPLETE：枚舉完成

USB控制傳輸過程包含SETUP-DATA-STATUS三個(gè)階段，如下是一個(gè)主機(jī)獲取設(shè)備信息的傳輸過程GET_DESCRIPTOR：

圖10 Get Descriptor如下是USB主機(jī)庫一個(gè)SETUP-DATA-STATUS函數(shù)調(diào)用流程：圖11 USB主機(jī)SETUP函數(shù)調(diào)用usbh_ctrl_transfer_loop函數(shù)中斷對控制請求的各個(gè)狀態(tài)階段進(jìn)行處理：控制請求狀態(tài)機(jī)：圖12 控制請求處理流程USB主機(jī)類初始化在USB標(biāo)準(zhǔn)枚舉完成之后，會調(diào)用USB主機(jī)類的初始化，在初始化函數(shù)中解析當(dāng)前枚舉的設(shè)備是否支持，調(diào)用函數(shù)uhost->class_handler->init_handler(uhost)。初始化代碼例：USB主機(jī)類請求USB主機(jī)類初始化之后，可以發(fā)送主機(jī)類控制請求，根據(jù)不同的設(shè)備類，需要實(shí)現(xiàn)不同的設(shè)備類請求。調(diào)用函數(shù)uhost->class_handler->request_handler((void*)uhost);主機(jī)類請求例：USB主機(jī)數(shù)據(jù)處理所有枚舉完成之后，將進(jìn)行主機(jī)數(shù)據(jù)處理主機(jī)數(shù)據(jù)處理例：

USB主機(jī)類型例程

本章將說明使用AT32 USB主機(jī)庫實(shí)現(xiàn)不同的主機(jī)類型的例程。目前實(shí)現(xiàn)的主機(jī)類例程如下：

• hid(mouse,keyboard)
• mass storage（msc_only_fat32）
• two_otg_host_demo(僅AT32F435/437支持)

HID例程

HID類支持鼠標(biāo)和鍵盤設(shè)備，開發(fā)者可修改此例程用以實(shí)現(xiàn)支持其它HID類設(shè)備。HID類：HID類例程初始化當(dāng)USB設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)枚舉完成之后，會進(jìn)行初始化，調(diào)用uhost_init_handler,調(diào)用此函數(shù)將解析接到主機(jī)上的設(shè)備類型，是鼠標(biāo)還是鍵盤或者其它設(shè)備。通過設(shè)備的配置描述信息進(jìn)行如下流程解析：

• 查找HID接口
• 判斷接口是鼠標(biāo)還是鍵盤
• 查找對應(yīng)接口的端點(diǎn)號
• 初始化對應(yīng)通道

代碼如下:

HID類請求HID類請求實(shí)現(xiàn)一些HID設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)請求，調(diào)用函數(shù)uhost_request_handler

• SET_IDLE
• SET_PROTOCOL
• GET_REPORT

代碼如下：

HID類數(shù)據(jù)處理HID枚舉設(shè)置完成之后，USB主機(jī)可以請求設(shè)備數(shù)據(jù)，通過調(diào)用uhost_process_handler來處理。

• 通過usbh_interrupt_recv函數(shù)給設(shè)備發(fā)送IN請求
• 通過usbh_get_urb_status(puhost, phid->chin); 獲取IN請求的狀態(tài)
• 通過phid->in_poll判斷多長時(shí)間發(fā)送一次IN請求
• 通過phid->protocol判斷是鼠標(biāo)還是鍵盤

代碼如下：

MSC例程

msc_only_fat32實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡單的mass storage主機(jī)類，僅支持FAT32格式。MSC類：MSC 類初始化當(dāng)USB設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)枚舉完成之后，會進(jìn)行初始化，調(diào)用uhost_init_handler,調(diào)用此函數(shù)將解析接到主機(jī)上的設(shè)備類型，判斷是否是MSC類型。通過設(shè)備的配置描述信息進(jìn)行如下流程解析：

• 查找MSC接口
• 查找對應(yīng)接口的端點(diǎn)號
• 初始化對應(yīng)通道
• 初始化bulk-only和SCSI狀態(tài)機(jī)

代碼如下：

MSC類請求MSC類請求實(shí)現(xiàn)一些MSC設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)請求，調(diào)用函數(shù)uhost_request_handler

• GET_MAX_LUN

代碼如下：

MSC類數(shù)據(jù)處理HID枚舉設(shè)置完成之后，USB主機(jī)可以請求設(shè)備數(shù)據(jù)，通過調(diào)用uhost_process_handler來處理。實(shí)現(xiàn)如下命令：

• INQUIRY
• TEST_UNIT_READY
• READ_CAPACITY10
• REQUEST_SENSE

代碼如下：

MSC讀寫數(shù)據(jù)MSC讀寫數(shù)據(jù)在通過FATFS接口進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，在usbh_msc_diskio.c中實(shí)現(xiàn)讀寫函數(shù)。讀函數(shù)：寫函數(shù)：

CDC例程

cdc實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡單的虛擬串口類。CDC類：CDC類例程初始化當(dāng)USB設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)枚舉完成之后，會進(jìn)行初始化，調(diào)用uhost_init_handler,調(diào)用此函數(shù)將解析接到主機(jī)上的設(shè)備類型。通過設(shè)備的配置描述信息進(jìn)行如下流程解析：

• 查找CDC接口
• 判斷接口是否為虛擬串口
• 查找對應(yīng)接口的端點(diǎn)號
• 初始化對應(yīng)通道

代碼如下:

CDC類請求CDC類請求實(shí)現(xiàn)一些CDC設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)請求，調(diào)用函數(shù)uhost_request_handler

• GET_LINECODING

代碼如下：

CDC類數(shù)據(jù)處理CDC枚舉設(shè)置完成之后，USB主機(jī)可以請求設(shè)備數(shù)據(jù)，通過調(diào)用uhost_process_handler來處理。

• 通過set_linecoding和get_linecoding配置linecoding
• 通過cdc_process_reception(puhost)函數(shù)給設(shè)備發(fā)送IN請求
• 通過cdc_process_transmission(puhost)函數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)給設(shè)備

代碼如下：

two_otg_host_demo例程

AT32F435/437存在兩個(gè)OTGFS，此例程說明同時(shí)使用兩個(gè)OTGFS實(shí)現(xiàn)兩個(gè)host功能。

• 實(shí)現(xiàn)功能：

OTGFS1實(shí)現(xiàn)MSC主機(jī)（參考MSC例程）OTGFS2實(shí)現(xiàn)HID主機(jī)（參考HID例程）配置與實(shí)現(xiàn)在usb_conf.h中配置OTGFS1和OTGFS2：在main中初始化：

關(guān)于雅特力雅特力科技于2016年成立，是一家致力于推動全球市場32位微控制器(MCU)創(chuàng)新趨勢的芯片設(shè)計(jì)公司，專注于ARM Cortex-M4/M0+的32位微控制器研發(fā)與創(chuàng)新，全系列采用55nm先進(jìn)工藝及ARM Cortex-M4高效能或M0+低功耗內(nèi)核，締造M4業(yè)界最高主頻288MHz運(yùn)算效能，并支持工業(yè)級別芯片工作溫度范圍（-40°~105°）。雅特力目前已累積相當(dāng)多元的終端產(chǎn)品成功案例：如微型打印機(jī)、掃地機(jī)、光流無人機(jī)、熱成像儀、激光雷達(dá)、工業(yè)縫紉機(jī)、伺服驅(qū)控、電競周邊市場、斷路器、ADAS、T-BOX、數(shù)字電源、電動工具等終端設(shè)備應(yīng)用，廣泛地覆蓋5G、物聯(lián)網(wǎng)、消費(fèi)、商務(wù)及工控等領(lǐng)域。