使用MM32F0270 USB從Suspend模式喚醒

在許多的PC的USB應(yīng)用中，越來越多的需要使用低功耗功能，PC可結(jié)合USB提供一定的供電能力，使得外設(shè)在1.5W以內(nèi)，可以不用其他單獨(dú)的外部供電；更巧妙的是PC可以進(jìn)入Sleep，驅(qū)使USB外設(shè)也進(jìn)入Suspend狀態(tài)，達(dá)到只提供2.5mA的供電需求，以達(dá)到低功耗的目的。靈動(dòng)微電子推出的MM32F0270系列，支持多種靈活的低功耗模式，支持Suspend模式的USB Device模塊。USB外設(shè)支持 USB掛起 /恢復(fù)操作，可以通過停止MCU時(shí)鐘來實(shí)現(xiàn)降低功耗。

當(dāng)USB設(shè)備處于掛起狀態(tài)時(shí)，它仍然為其D+或D-及上拉電阻器供電，以保持空閑狀態(tài)并保持其內(nèi)部狀態(tài)，包括地址和配置。當(dāng)它被USB總線上的恢復(fù)信號(hào)喚醒時(shí)，它不需要經(jīng)歷重新枚舉過程。

USB總線上的恢復(fù)信號(hào)可以由主機(jī)和設(shè)備發(fā)送。遠(yuǎn)程喚醒功能使USB設(shè)備能夠喚醒掛起的主機(jī);例如，將鼠標(biāo)連接到筆記本電腦時(shí)，您可以通過單擊鼠標(biāo)來喚醒已經(jīng)進(jìn)入睡眠狀態(tài)的筆記本電腦（PC端需要配置為支持遠(yuǎn)程喚醒）。遠(yuǎn)程喚醒功能在枚舉階段在配置描述符中報(bào)告，并且可以使用標(biāo)準(zhǔn) USB 請(qǐng)求啟用（或禁用）。

本文介紹了如何使用 MM32F0270的USB來實(shí)現(xiàn)通過接收USB的D+/D-信號(hào)在實(shí)現(xiàn)Suspend/Resume的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。

1、MM32F0270 USB的簡(jiǎn)要介紹

符合 USB 2.0全速設(shè)備的技術(shù)規(guī)范；

支持全速模式（12M）

包含四個(gè)獨(dú)立的通用端點(diǎn)和一個(gè)控制傳輸端點(diǎn)用于中斷傳輸和批量傳輸

控制、批量 、 中斷傳輸 最大可傳輸 64字節(jié)的包

CRC生成 /校驗(yàn)， NRZI編碼 /解碼和位填充

支持 USB掛起 /恢復(fù)操作

支持 DMA傳輸

圖1 USB的功能框圖

2、USB的功能特性

2.1、MM32的USB具有以下特性

USB模塊可以為PC主機(jī)和微控制器提供一種符合USB規(guī)范的通信連接，用于兩者所實(shí)現(xiàn)的功能之間的連接。PC主機(jī)和微控制器之間通過數(shù)據(jù)緩沖區(qū)完成數(shù)據(jù)傳輸，USB模塊與PC主機(jī)通信，根據(jù)USB規(guī)范完成對(duì)令牌分組的檢測(cè)，對(duì)數(shù)據(jù)發(fā)送/接收和握手分組的處理。由硬件完成對(duì)包括CRC的生成和校驗(yàn)等整個(gè)傳輸?shù)母袷?。每一個(gè)端點(diǎn)都有一個(gè)64字節(jié)緩沖區(qū)描述塊，且該緩沖區(qū)是在USB模塊內(nèi)部，不能直接被CPU訪問的。一個(gè)有效的功能/端點(diǎn)的令牌分組被USB模塊識(shí)別，當(dāng)端點(diǎn)已配置完成后發(fā)生相關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸。USB模塊與專用數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)交換通過內(nèi)部寄存器完成。在所有的數(shù)據(jù)傳輸完成后，根據(jù)需要的傳輸方向，發(fā)送或接收適當(dāng)?shù)奈帐址纸M。

數(shù)據(jù)傳輸完成時(shí)，USB模塊會(huì)觸發(fā)端點(diǎn)相關(guān)的中斷，通過讀取狀態(tài)寄存器或利用不同的中斷處理程序，可以確定：

主機(jī)請(qǐng)求的傳輸類型

哪個(gè)端點(diǎn)需要得到服務(wù)

正在進(jìn)行的是哪種類型的服務(wù)

端點(diǎn)的應(yīng)答

傳輸是否完成

USB模塊在不工作時(shí)，可以通過配置USB_POWER寄存器使 USB模塊處于SUSPEND模式（低功耗模式）。USB模塊在低功耗模式下，USB時(shí)鐘會(huì)減慢或停止且USB模塊不產(chǎn)生靜態(tài)電流功耗。USB模塊在低功耗模式下，可以通過USB線上數(shù)據(jù)傳輸將其喚醒，也可以通過軟件直接將其喚醒?；蛘咄ㄟ^將特定的中斷輸入源連接到喚醒引腳上，使系統(tǒng)立即恢復(fù)正常的時(shí)鐘，可以直接啟動(dòng)或停止時(shí)鐘系統(tǒng)。

2.2、MM32F0270 USB用于掛起和恢復(fù)的USB總線狀態(tài)

USB 規(guī)范定義了與 USB 總線上的信號(hào)電壓相對(duì)應(yīng)的總線狀態(tài)。

下圖為連接到D+的1.5 kΩ上拉電阻的全速總線。

MM32F0270系列芯片內(nèi)置1.5K上拉電阻。

下面介紹USB 總線如何定義掛起、恢復(fù)和空閑狀態(tài)的總線狀態(tài)。

設(shè)備的掛起

在USB系統(tǒng)中，正常狀態(tài)下PC，Hub或Root Hub會(huì)一直周期性地發(fā)送SOF包(Start Of Frame，全速USB每1ms發(fā)送一個(gè)，高速USB則是125μs發(fā)送一個(gè))。根據(jù)USB協(xié)議，如果USB線上一直處于空閑(Idle)狀態(tài)超過3ms，設(shè)備應(yīng)該把它當(dāng)作一個(gè)掛起(Suspended)信號(hào)，要求設(shè)備在10ms內(nèi)進(jìn)入掛起狀態(tài)，并把設(shè)備所需的電流大小降到規(guī)定的值；對(duì)于low-power設(shè)備，要求是500μA，而對(duì)于high-power或支持遠(yuǎn)程喚醒(remote wakeup)功能的設(shè)備是2.5mA。在掛起狀態(tài)中，設(shè)備必須繼續(xù)向數(shù)據(jù)項(xiàng)D+/D-的上拉電阻提供電壓以維持Idle狀態(tài)。

設(shè)備的喚醒

設(shè)備處于掛起狀態(tài)時(shí)，任何總線上的活動(dòng)（非空閑信號(hào)）都可以把設(shè)備喚醒/恢復(fù)，從而退出低功耗模式。同樣，設(shè)備也可以換醒host，比如電腦待機(jī)時(shí)通過USB鍵盤來換醒主機(jī)，這種功能稱之為“遠(yuǎn)程喚醒”（remote wakeup），不在本文的討論范圍內(nèi)。

因?yàn)樵O(shè)備掛起時(shí)處于全速信號(hào)，在當(dāng)host需要把將設(shè)備退出suspend狀態(tài)時(shí)，需要先發(fā)送一個(gè)持續(xù)時(shí)間超過20ms的Fulll Speed K狀態(tài)。設(shè)備看到K狀態(tài)結(jié)束的1.3us內(nèi)醒過來，而host需要在3ms內(nèi)發(fā)送SOF信號(hào)以維持正常的高速信號(hào)模式，否則設(shè)備又將進(jìn)入suspend。如下圖所示：

下面是USB的數(shù)據(jù)狀態(tài)與信號(hào)的說明：

數(shù)據(jù) J 和 K 狀態(tài)Data J and K states

對(duì)于全速總線段，J 狀態(tài)與差分 1 相同，即 D+ 為邏輯高電平時(shí)和 D- 為邏輯低電平，而 K 狀態(tài)與差分 0 相同，即當(dāng) D+ 為邏輯低電平且D- 是邏輯高電平。

空閑狀態(tài)Idle state

在空閑狀態(tài)下，對(duì)于全速總線段，D+ 比 D- 的電平高。

掛起狀態(tài)Suspend signal

由于當(dāng)USB總線處于空閑狀態(tài)超過3 ms時(shí)進(jìn)入掛起狀態(tài)，因此掛起狀態(tài)與空閑狀態(tài)相同或與全速總線段中的J狀態(tài)相同。

恢復(fù)信號(hào)Resume signal

當(dāng)設(shè)備處于掛起狀態(tài)時(shí)，設(shè)備端口上的數(shù)據(jù)K狀態(tài)表示從掛起狀態(tài)恢復(fù)。這意味著恢復(fù)信號(hào)是全速段中從數(shù)據(jù)J狀態(tài)到數(shù)據(jù)K狀態(tài)的變化。

2.3、MM32F0270 USB支持從Suspend模式下喚醒

MM32F0270 可通過EXTI線 18連接到 USB總線掛起中斷實(shí)現(xiàn)USB從掛起狀態(tài)喚醒。

需要使用喚醒時(shí)，需要使能相應(yīng)的USB中斷外，還需配置EXTI 18以使能相關(guān)的功能。

相關(guān)的寄存器與控制狀態(tài)位的控制與查詢，可以參考MM32F0270的用戶手冊(cè)。

3、USB進(jìn)入Suspend與Res ume的軟硬件設(shè)計(jì)

3.1、在庫(kù)函數(shù)版本的樣例中可以通過如下順序初始化USB

a.配置系統(tǒng)時(shí)鐘為48MHz或96Mhz，使能GPIOA時(shí)鐘，使能USB時(shí)鐘

void USB_ClockConfig(void)
{
    USB_HSI48M_Config();
    Set_CRS();      // The calibration of vibration
    // Select USBCLK source
//    RCC_USBCLKConfig(RCC_USBCLKSource_PLLCLK_Div2); //if SYSCLK is 96MHz
    // Enable USB clock
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1ENR_USB, ENABLE);
}

b.配置USB D+和D-所需用到的GPIO引腳，使用GPIO_Configuration函數(shù)

void GPIO_Configuration(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
    GPIO_StructInit( GPIO_InitStruct);
    RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBENR_GPIOA, ENABLE);

    // USB_DISCONNECT used as USB pull-up
    GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = USB_DISCONNECT_PIN;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_FLOATING;
    GPIO_Init(USB_DISCONNECT,  GPIO_InitStruct);
}

c.配置USB的中斷，調(diào)用USB_NVIC_Config函數(shù)

void USB_NVIC_Config(void)
{
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStruct;

    NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannel = USB_IRQn;
    NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelPriority = 0;
    NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
    NVIC_Init( NVIC_InitStruct);
}

d.設(shè)置USB的時(shí)鐘，調(diào)用USB_ClockConfig

void USB_ClockConfig(void)
{
    USB_HSI48M_Config();
    Set_CRS();      // The calibration of vibration
    // Select USBCLK source
//    RCC_USBCLKConfig(RCC_USBCLKSource_PLLCLK_Div2);
    // Enable USB clock
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1ENR_USB, ENABLE);
}

e.設(shè)置USB 初始化

void USB_Init(void)
{
    pInformation =  Device_Info;
    pInformation->ControlState = 2;
    pProperty =  Device_Property;
    pUser_Standard_Requests =  User_Standard_Requests;
    // Initialize devices one by one
    pProperty->Init();
}

f.設(shè)定USB對(duì)應(yīng)喚醒的EXTI參數(shù)

void USB1_WKUP_Init(void)
{
    EXTI_InitTypeDef EXTI_InitStructure;

    EXTI_InitStructure.EXTI_Line = EXTI_Line18;            
    EXTI_InitStructure.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt;    
    EXTI_InitStructure.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Falling;
    EXTI_InitStructure.EXTI_LineCmd = ENABLE;
    EXTI_Init( EXTI_InitStructure);                        
}

g.中斷相應(yīng)處理函數(shù)

void USB_Istr(void)
{
    __IO u16 wIstr;
    wIstr = _GetUSB_INT_STA();
    //USB->INT_STATE = wIstr;

    // fSuspendEnabled = 0;
    if(wIstr   USB_INT_STATE_RSTF) {
        _ClrUSB_INT_STA(USB_INT_STATE_RSTF) ;
        Device_Property.Reset();
    }
//…
    EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line22);
}

3.2、實(shí)現(xiàn)main Demo功能的主要函數(shù)代碼

s32 main(void)
{
    GPIO_Configuration();
    USB_NVIC_Config();
    USB_ClockConfig();
    USB_Init();
    while(1) {
        if(bDeviceState == CONFIGURED) {
            if(!(_GetUSB_CTRL1() EP1_CTRL_TRANEN)) {
                UserToPMABufferCopy(gTableData, ENDP1, BUFF_SIZE);
                _SetUSB_CTRL1(EP1_CTRL_TRANEN | BUFF_SIZE) ; //Loop IN transmission
            }
        }
    }
}

配置好初始化USB收發(fā)的初始化操作后，PC端會(huì)發(fā)現(xiàn)USB HID枚舉成功；此時(shí)PC端進(jìn)入待機(jī)模式，

MCU的USB收到Suspend的命令后，執(zhí)行：

void Suspend(void)
{

    if(bDeviceState == CONFIGURED) {
        //Frequency the bus clock 512
        USB->POWER  = ~USB_POWER_SUSP;

        bDeviceState = SUSPENDED;
        fSuspendEnabled = true;

        RCC->CFGR  = ~RCC_CFGR_HPRE;
        RCC->CFGR |=  RCC_CFGR_HPRE_DIV512;
        RCC->CR  = ~(0x1f << 26);

        RCC_USBCLKConfig(RCC_USBCLKSource_PLLCLK_Div4);

        UART_DeInit(UART1);

    }

}

USB喚醒機(jī)制

USB設(shè)備進(jìn)入掛起狀態(tài)之后，將由Resume信號(hào)進(jìn)行喚醒。Resume信號(hào)可以由USB主機(jī)發(fā)起，也可以由USB設(shè)備本身觸發(fā)，但是只有USB主機(jī)可以結(jié)束Resume信號(hào)。

主機(jī)在掛起設(shè)備后可通過翻轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)線上的極性并保持20ms來喚醒設(shè)備，并以低速EOP信號(hào)結(jié)尾。

如果設(shè)備支持遠(yuǎn)程喚醒，設(shè)備可向主機(jī)發(fā)起遠(yuǎn)程喚醒請(qǐng)求，前提是設(shè)備已進(jìn)入idle狀態(tài)至少5ms，設(shè)備會(huì)驅(qū)動(dòng)總線進(jìn)入K狀態(tài)，如下圖，K狀態(tài)必須維持1ms-15ms之內(nèi)，此信號(hào)會(huì)在1ms內(nèi)被主機(jī)接管，主機(jī)會(huì)繼續(xù)驅(qū)動(dòng)喚醒信號(hào)直到20ms，并以低速EOP信號(hào)結(jié)尾。

主機(jī)復(fù)位設(shè)備或者設(shè)備對(duì)自己強(qiáng)行復(fù)位，設(shè)備也會(huì)從掛起狀態(tài)切換到默認(rèn)狀態(tài)。

MM32F0270 設(shè)備被喚醒后，如果喚醒中斷使能（比如使用PA0的EXTI0），則會(huì)進(jìn)入喚醒中斷，退出低功耗模式，然后清除USB_POWER寄存器的SUSPEND位，退出強(qiáng)制掛起操作。

操作上體現(xiàn)為PC Host主機(jī)同按主機(jī)KeyBoard或鼠標(biāo)按鍵實(shí)現(xiàn)退出睡眠狀態(tài)，從而喚醒MM32F0270的掛起狀態(tài)。

通過上述的步驟，簡(jiǎn)單的演示了MM32F0270的USB 接收數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)幀中的Start Bit喚醒MCU的功能。

Demo程序可登錄MindMotion的官網(wǎng)下載MM32F0270 lib_Samples

工程路徑如下：

~ MM32F0270_SamplesLibSamplesUSB

來源：靈動(dòng)MM32MCU