【转】 STM32USB的枚举过程简介

只看该作者 · 2016-12-4 01:20

STM32的USB枚举过程介绍

之前的说明：

文中大量引用网上资料，在文后已给出资料的引用说明。文件涉及到的USB各种传输包各个位的含义以及USB标准设备请求的含义都没有做说明，推荐看《圈圈教你玩USB》里面有详细的说明

一、枚举前的工作

系统上电后，程序开始运行，简单介绍一下USB的初始化

根据STM32的USB库做移植，介绍枚举过程

SetSystem函数是一些初始化化设置，因为我在之前已经做了初始化的操作，所以把这个函数就删了。

首先系统执行USB中断设置：USB_Interrupts_Config();//设置中断向量表，设置优先级

然后执行USB时钟设置：Set_USBClock();//时钟设置，USB使用48M时钟，

然后执行USB初始化设置：USB_Init();//这个函数比较重要

在执行USB初始化设置主要进行结构体，与函数指针的配置

[cpp] view plain copy

void USB_Init(void)
{
pInformation = &Device_Info;//当前的连接状态与信息，关于Device_Info的信息，自己go to 去查看
pInformation->ControlState = 2;//当前的控制状态设置为IN_DATA
pProperty = &Device_Property;//设备本身支持的属性和方法
pUser_Standard_Requests =&User_Standard_Requests;//主机请求的实现方法
/* Initialize devices one by one */
pProperty->Init();//回调设备的初始化例程
}

这里面还调用了pProperty->Init();函数进行初始化，它的函数主体是Joystick_init();函数程序执行到Joystick_init();函数，首先Get_SerialNum();获取STM32内部唯一标识码。然后赋给Joystick_StringSerial，不过这个东西好像并没有什么用，因为后面我们在usb_desc.c文件中给改写了。。
好，接下来执行PowerOn();函数，这个函数首先把D+的上拉电阻上电（我使用的是神舟IIIstm32开发板，对应的D+上拉电阻控制位为PG11，我在之前的函数中已经进行了端口的初始化，你们不要忘记呀），这样电脑就可以检测到设备了。（集线器报告设备连接状态，并收到主机指令后，会复位 USB总线，这需要一定的时间（这段时间内设备应该准备好处理复位指令）。但是现在设备初始化程序将继续往下进行，因为它还没有使能复位中断）
接着执行语句

[cpp] view plain copy

/*** CNTR_PWDN = 0 ***/
wRegVal = CNTR_FRES;
_SetCNTR(wRegVal);

这两句话的含义实际上是使能了USB模块电源，因为上电复位时，CNTR寄存器的断电控制位PNWN位是1，模块是断电的，语句将强制复位USB模块，直至
[cpp] view plain copy

wInterrupt_Mask = 0;
_SetCNTR(wInterrupt_Mask);

语句清除复位信号，然后终止复位操作，这个过程中因为复位中断允许位CNTR_RESETM没有被使能，所以，不会触发复位中断，而是间接使PDWN=0，模块开始工作。
[cpp] view plain copy

wInterrupt_Mask =CNTR_RESETM | CNTR_SUSPM| CNTR_WKUPM;
SetCNTR(wInterrupt_Mask);

执行语句后，复位中断，挂起中断，唤醒中断被允许，而此时集线器多半已经开始复位端口了，或者说稍微有限延迟，设备固件还能继续初始化一些部件，但已经不会影响整个工作流程了。那么实际上程序确实直接进入了复位中断。

程序直接进入了USB_LP_CAN1_RX0_IRQHandler的中断口，执行 USB_Istr();，通过匹配发现中断源为复位中断，程序运行到复位中断部分，开始执行复位程序（这里提一下，判断发生复位中断后，首先清中断位。在其它几个中断源也是先清中断位，但是CTR_LP();函数之前却没有清中断位是为什么呢？在STM32参考手册中是这样说的：端点在成功完成一次传输后， CTR位会被硬件置起，如果USB_CNTR上的相应位也被设置的话，就会产生中断。与端点相关的中断标志和USB_CNTR寄存器的CTRM位无关。这两个中断标志位将一直保持有效，直到应用程序清除了USB_EpnR寄存器中的相关中断挂起位(CTR位是个只读位)。）

Device_Property.Reset();
这个函数指针，指向的函数是Joystick_Reset。我们跳过来继续看。

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voidJoystick_Reset(void)
{
/* Set Joystick_DEVICE as not configured */
pInformation->Current_Configuration = 0;
pInformation->Current_Interface = 0;/*thedefault Interface*/
/* Current Feature initialization */
pInformation->Current_Feature =Joystick_ConfigDescriptor[7];//供电方式，总线供电，自供电
SetBTABLE(BTABLE_ADDRESS);//设置包缓冲区地址
/* Initialize Endpoint 0 */
SetEPType(ENDP0, EP_CONTROL);//端点0为控制端点
SetEPTxStatus(ENDP0, EP_TX_STALL);//端点状态为发送无效，也就是主机IN令牌包来的时候，回送一个STALL
SetEPRxAddr(ENDP0, ENDP0_RXADDR);//设置端点0的描述符表，包括接收缓冲区地址，最大允许接收的字节数、发送缓冲区地址三个量。
SetEPTxAddr(ENDP0, ENDP0_TXADDR);//发送缓冲区地址
Clear_Status_Out(ENDP0);///清除EP_KIND的STATUS_OUT位，如果改位被设置，在控制模式下只对0字节数据包相应。其它的都返回STALL。主要用于控制传输的状态过程
SetEPRxCount(ENDP0,Device_Property.MaxPacketSize);///接收缓冲区支持64个字节
SetEPRxValid(ENDP0);//使能端点0的接收，因为很快就要接收SETUP令牌包了
/* Initialize Endpoint 1 */
SetEPType(ENDP1, EP_INTERRUPT);//端点1设为中断端点
SetEPTxAddr(ENDP1, ENDP1_TXADDR);//设置发送缓冲区地址
SetEPTxCount(ENDP1, 4);//每次发送4个字节
SetEPRxStatus(ENDP1, EP_RX_DIS);///接收禁止，只发送 Mouse 信息，而不从主机接收
SetEPTxStatus(ENDP1, EP_TX_NAK);///现在发送端点还不允许发送数据
/* Set this device to response on defaultaddress */
SetDeviceAddress(0);//址默认为 0.
bDeviceState = ATTACHED;//接状态改为已经连接，默认地址状态
}

这个复位的过程我们用一句话总结就是端点初始化。至此RESET中断处理完成，因为我们也没有设置RESET_CALLBACK，所以也不会有RESET_Callback();，不过它本身也是个空函数。在执行完复位函数后PC指针又回到main函数中来，Joystick_init函数往下执行， USB_SIL_Init();函数中使能所有常用中断前面说道，当开复位中断后，程序进入中断，那么复位中断执行完成以后，真正的枚举的过程（获取描述符）并没有开始。而是有一段空余的时间，这段时间内，程序执行了上面的提到的USB_SIL_Init();直至USB_Init();函数结束。那么真正的USB枚举过程都是在中断中完成。

通过我调试发现，在完成复位中断后，主机好像并没有发送获取描述符的命令，在这个过程中，系统两次进入挂起中断，然后触发唤醒中断，然后复位中断。我个人的理解是，这段时间因为stm32没有收到sof，所有触发挂起中断，当设备发送获取设备描述符命令时，触发唤醒中断，在唤醒中断中，系统设置恢复正常工作。至于最后的复位请求，我表示我也不知道了。。。（这里需要说一下，在移植的挂起中断处理程序中，针对stm32部分也做了挂起处理，我觉得（实际上是我看以前的前辈们都觉得）这样做没必要。所以，只保留了USB挂起，而对整个stm32的挂起被屏蔽掉了。）

(此时pInformation->ControlState=IN_DATA, bDeviceState=UNCONNECTED)

只看该作者 · 2016-12-4 01:24

二、枚举过程

枚举过程就是USB设备与主机通讯获取设备的一系列描述符的过程。我们贴图理解

据说这是圈圈大神整理的枚举过程图，接下来我们来一步一步的看枚举的过程。整个枚举的过程以我实际调试的结果为准。

1、获取设备描述符

注：packet包是实际传输时的数据包。

首先是建立连接阶段，在经过漫长的等待以后，主机发出对地址0、端点0发出SETUP令牌包和数据包，然后设备返回ACK包。点0寄存器的CTR_RX被置位为1， ISTR的CTR置位为1， DIR=1， EP_ID=0，表示端点0接收到主机来的请求数据。此时设备已经ACK主机，将触发正确传输完成中断。程序进入CTR_LP();中断，我们来详细看一下

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void CTR_LP(void)
{
__IO uint16_t wEPVal = 0;
/* stay in loop while pending interrupts */
while (((wIstr = _GetISTR()) & ISTR_CTR)!= 0)
{
/* extract highest priority endpoint number*/
EPindex = (uint8_t)(wIstr & ISTR_EP_ID);//判断读取端点号
if (EPindex == 0)
{
SaveRState = _GetENDPOINT(ENDP0);//USB端点0寄存器 USB_EP0R中的数据
SaveTState = SaveRState & EPTX_STAT;//获取发送状态码
SaveRState &= EPRX_STAT;
_SetEPRxTxStatus(ENDP0,EP_RX_NAK,EP_TX_NAK);//将TXRX的状态都改为NAK
if ((wIstr & ISTR_DIR) == 0)//判断是IN包
{
_ClearEP_CTR_TX(ENDP0);
In0_Process();
_SetEPRxTxStatus(ENDP0,SaveRState,SaveTState);
return;
}
else//判断是OUT包或SETUP包
{
wEPVal = _GetENDPOINT(ENDP0);
if ((wEPVal &EP_SETUP) != 0)//判断是SETUP包
{
Setup0_Process();
_SetEPRxTxStatus(ENDP0,SaveRState,SaveTState);
return;
}
else if ((wEPVal & EP_CTR_RX) !=0)//判断是OUT包
{
_ClearEP_CTR_RX(ENDP0);
Out0_Process();
_SetEPRxTxStatus(ENDP0,SaveRState,SaveTState);
return;
}
}
}/* if(EPindex == 0) */
else//判断是非0端点包
{
}/*if(EPindex == 0) else */
}/* while(...) */
}

只看该作者 · 2016-12-4 01:25

其实以上这些判断在实际的USB协议中，都在令牌包中都有体现，但是STM32的USB硬件都帮我们分析了，这些分析的结果以寄存器的形式显示可以看到程序跳转执行Setup0_Process();我们跟踪过来继续看它的跟踪过程

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uint8_tSetup0_Process(void)
{
union
{
uint8_t* b;
uint16_t* w;
} pBuf;
uint16_t offset = 1;
pBuf.b = PMAAddr + (uint8_t*)(_GetEPRxAddr(ENDP0) * 2); /* *2 for 32 bits addr 要读取数据的地址*/
if (pInformation->ControlState!= PAUSE)
{
pInformation->USBbmRequestType =*pBuf.b++; /* bmRequestType */
pInformation->USBbRequest = *pBuf.b++;/* bRequest */
pBuf.w += offset; /* word not accessed because of 32 bitsaddressing */
pInformation->USBwValue =ByteSwap(*pBuf.w++); /* wValue */
pBuf.w += offset; /* word not accessed because of 32 bitsaddressing */
pInformation->USBwIndex = ByteSwap(*pBuf.w++); /* wIndex */
pBuf.w += offset; /* word not accessed because of 32 bitsaddressing */
pInformation->USBwLength = *pBuf.w; /*wLength */
}//将USB标准设备请求赋给对应的结构体
pInformation->ControlState = SETTING_UP;
if (pInformation->USBwLength == 0)
{
/* Setup with no data stage */
NoData_Setup0();
}
else
{
/* Setup with data stage */
Data_Setup0();
}
return Post0_Process();
}

因为这个标准设备请求是来要求设备返回设备描述符的，需要返回数据，所以程序会跳转到Data_Setup0();执行在这个函数里分析要返回的数据。

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voidData_Setup0(void)
{
uint32_t Request_No =pInformation->USBbRequest;//获取请求代码
/*GET DESCRIPTOR*/
if (<spanstyle="color:#ff0000;">Request_No ==GET_DESCRIPTOR)//判断为获取设备描述符
{
if(Type_Recipient ==(STANDARD_REQUEST | DEVICE_RECIPIENT))//标准请求
{
uint8_t wValue1 =pInformation->USBwValue1;
if (<spanstyle="color:#ff0000;">wValue1 ==DEVICE_DESCRIPTOR)//判断是获取设备描述符
{
<spanstyle="color:#ff0000;">CopyRoutine =pProperty->GetDeviceDescriptor;//复制数据到CopyRoutine
}
}
}
if (<spanstyle="color:#ff0000;">CopyRoutine)//有数据将一些信息写入控制结构体
{
pInformation->Ctrl_Info.Usb_wOffset =wOffset;
pInformation->Ctrl_Info.CopyData =CopyRoutine;
/* sb in the original the cast to word wasdirectly */
/* now the cast is made step by step */
(*CopyRoutine)(0);//这个函数这里调用的目的只是设置了 pInformation中需要写入的描述符的长度
Result = USB_SUCCESS;
}
if (<spanstyle="color:#ff0000;">ValBit(pInformation->USBbmRequestType,7))//判断是从设备到主机
{
/* Device ==> Host */
__IO uint32_t wLength =pInformation->USBwLength;
/* Restrict the data length to be the onehost asks for */
if (pInformation->Ctrl_Info.Usb_wLength> wLength)
{//设备描述符长度为18
pInformation->Ctrl_Info.Usb_wLength =wLength;
}
pInformation->Ctrl_Info.PacketSize =pProperty->MaxPacketSize;
<spanstyle="color:#ff0000;">DataStageIn();//完成描述符的输出准备
}
return;
}

最后的重点落在 DataStageIn();函数上，我们来看一下

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voidDataStageIn(void)
{
ENDPOINT_INFO *pEPinfo =&pInformation->Ctrl_Info;
uint32_t save_wLength =pEPinfo->Usb_wLength;//还需要发送多少字节
uint32_t ControlState =pInformation->ControlState;
DataBuffer= (*pEPinfo->CopyData)(Length);//取得要发送的数据设备描述符
UserToPMABufferCopy(DataBuffer,GetEPTxAddr(ENDP0), Length);将设备描述符复制到用户的发送缓冲区
SetEPTxCount(ENDP0, Length);//设置发送字节数目
pEPinfo->Usb_wLength -= Length;//等于0
pEPinfo->Usb_wOffset += Length;//偏移到18
vSetEPTxStatus(EP_TX_VALID);///使能端点发送，只要主机的 IN令牌包一来，SIE就会将描述符返回给主机
USB_StatusOut();/* 这个实际上是使接收也有效，主机可取消 IN
Expect_Status_Out:
pInformation->ControlState =ControlState;
｝

这一次的CTR中断就执行完了，就等着，主机再发IN包把数据读回去。

接下来就是可选的数据传输阶段。主机首先发一个 IN令牌包，由于端点0发送有效， SIE将数据返回主机。主机方返回一个 ACK后，主机发送数据的CTR标志置位， DIR=0， EP_ID=0，表明主机正确收到了用户发过去的描述符。固件程序由此进入IN中断。所以接下来进入用 In0_Process()进行处理。但是此时设备描述符返回成功了。同样的在用In0_Process()函数中，其目的只是期待主机的0状态字节输出了。

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uint8_tIn0_Process(void)
{
uint32_t ControlState =pInformation->ControlState;
if ((ControlState == IN_DATA) || (<spanstyle="color:#ff0000;">ControlState == LAST_IN_DATA))
{
DataStageIn();//此次调用后，当前状态变成WAIT_STATUS_OUT，表明设备等待状态过程，主机输出0字节
/* ControlState may be changed outside thefunction */
ControlState =pInformation->ControlState;
}
else if (ControlState == WAIT_STATUS_IN)
{
}
else
{
ControlState = STALLED;
}
pInformation->ControlState = ControlState;
return Post0_Process();
}

只看该作者 · 2016-12-4 01:27

我们进入DataStageIn();函数

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voidDataStageIn(void)
{
ENDPOINT_INFO *pEPinfo =&pInformation->Ctrl_Info;
uint32_t save_wLength = pEPinfo->Usb_wLength;
uint32_t ControlState =pInformation->ControlState;
uint8_t *DataBuffer;
uint32_t Length;
if ((save_wLength == 0) && (<spanstyle="color:#ff0000;">ControlState == LAST_IN_DATA))
{
if(Data_Mul_MaxPacketSize == TRUE)
{
/* No more data to send and empty packet*/
Send0LengthData();
ControlState = LAST_IN_DATA;
Data_Mul_MaxPacketSize = FALSE;
}
<spanstyle="color:#ff0000;"> else
{
/* No more data to send so STALL the TXStatus*/
ControlState = WAIT_STATUS_OUT;
vSetEPTxStatus(EP_TX_STALL);
}
<spanstyle="color:#ff0000;">goto Expect_Status_Out;
}
Length = pEPinfo->PacketSize;
ControlState = (save_wLength <= Length) ?LAST_IN_DATA : IN_DATA;
if (Length > save_wLength)
{
Length = save_wLength;
}
DataBuffer = (*pEPinfo->CopyData)(Length);
UserToPMABufferCopy(DataBuffer,GetEPTxAddr(ENDP0), Length);
SetEPTxCount(ENDP0, Length);
pEPinfo->Usb_wLength -= Length;
pEPinfo->Usb_wOffset += Length;
vSetEPTxStatus(EP_TX_VALID);
USB_StatusOut();/* Expect the host to abortthe data IN stage */
Expect_Status_Out:
pInformation->ControlState =ControlState;
}

主机收到18个字节的描述符后，进入状态事务过程，此过程的主句发送令牌包为OUT，和0字节的数据包，设备需要回一个ACK。中断处理程序会进入Out0_Process（）。由于此时状态为WAIT_STATUS_OUT，所以执行以下这段

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<spanstyle="font-size:10px;">uint8_t Out0_Process(void)
{
uint32_t ControlState =pInformation->ControlState;
if ((ControlState == IN_DATA) ||(ControlState == LAST_IN_DATA))
{
}
else if ((ControlState == OUT_DATA) ||(ControlState == LAST_OUT_DATA))
{
}
else if (<spanstyle="color:#ff0000;">ControlState ==WAIT_STATUS_OUT)
{
(*pProperty->Process_Status_OUT)();//空函数什么也没干
<spanstyle="color:#ff0000;"> ControlState = STALLED;
}
/* Unexpect state, STALL the endpoint */
else
{
ControlState = STALLED;
}
pInformation->ControlState = ControlState;
return Post0_Process();
}

只看该作者 · 2016-12-4 01:28

2、主机发送复位命令

获取设备描述符后，主机再一次复位设备。设备又进入初始状态

3、设置地址

1）重新从复位状态开始
在第一次获取设备描述符后，程序使端点 0 的发送和接收都无效，状态也设置为STALLED，所以主机先发一个复位，使得端点 0接收有效。虽然说在 NAK和STALL状态下，端点仍然可以响应和接收 SETUP包。
2）设置地址的建立阶段：
主机先发一个 SETUP令牌包，设备端 EP0的 SETUP标志置位。然后主机发了一个OUT 包，共 8个字节，里面包含设置地址的要求（USB标准设备请求）。设备在检验数据后，发一个 ACK握手包。同时 CTR_RX 置位，CTR置位。数据已经保存到 RxADDR 所指向的缓冲区。此时 USB产生数据接收中断。由于 CTR_RX和 SETUP同时置位，终端处理程序调用 Setup0_Process（），所做的工作仍然是先填充 pInformation结构，获取请求特征码、请求代码和数据长度。由于设置地址不会携带数据，所以接下来调用 NoData_Setup0()。执行以下代码：

[cpp] view plain copy

void NoData_Setup0(void)
{
RESULT Result = USB_UNSUPPORT;
uint32_t RequestNo = pInformation->USBbRequest;
uint32_t ControlState;
if (Type_Recipient == (STANDARD_REQUEST |DEVICE_RECIPIENT))
{
if (RequestNo == SET_CONFIGURATION)
{
}
/*SET ADDRESS*/
else if (RequestNo== SET_ADDRESS)
{
if ((pInformation->USBwValue0 > 127)|| (pInformation->USBwValue1 != 0)
|| (pInformation->USBwIndex != 0)
||(pInformation->Current_Configuration != 0))
/* Device Address should be 127 orless*/
{
ControlState = STALLED;
goto exit_NoData_Setup0;
}
else
{
Result =USB_SUCCESS;//说明设置地址没有做任何工作
}
}
/*SET FEATURE for Device*/
else if (RequestNo == SET_FEATURE)
{
}
/*Clear FEATURE for Device */
else if (RequestNo == CLEAR_FEATURE)
{
}
}
/* Interface Request*/
else if (Type_Recipient == (STANDARD_REQUEST | INTERFACE_RECIPIENT))
{
}
/* EndPoint Request*/
else if (Type_Recipient == (STANDARD_REQUEST | ENDPOINT_RECIPIENT))
{
}
else
{
Result = USB_UNSUPPORT;
}
if (Result != USB_SUCCESS)
{
}
if (Result != USB_SUCCESS)
{
}
ControlState = WAIT_STATUS_IN;/* After nodata stage SETUP */
USB_StatusIn();
exit_NoData_Setup0:
pInformation->ControlState = ControlState;
return;
}

USB_StatusIn(); //这句话是一个关键，它是一个宏，实际是准备好发送 0 字节的状态数据包。因为地址设置没有数据过程，建立阶段后直接进入状态阶段，主机发 IN令牌包，设备返回 0 字节数据包，主机再 ACK。

它对应的宏是这样的：
#define USB_StatusIn() Send0LengthData() //准备发送 0 字节数据
#define Send0LengthData() { _SetEPTxCount(ENDP0, 0); \
vSetEPTxStatus(EP_TX_VALID); \ //设置发送有效，发送字节数为 0}