新唐NuMicro USB 2.0全速装置之实作

1万 · 2023-6-15 10:08

1、概述
本文主要介紹使用新唐的NuMicro® 系列支持的USB2.0全速裝置控制器的韌體程式來開發USB裝置，其韌體程式就是一般的USB控制與狀態處理的部分，方便使用者直接套用，有助於不懂USB規格的使用者也能自行設計USB應用程式並減少USB程式設計的時間。
本文前半部分會簡單介紹USB的基本觀念，USB詳細規格說明請參閱USB Specification Revision 2.0；第二部分將以新唐的 Cortex® -M0 Nano100B 為例，介紹 NuMicro® USB2.0全速裝置控制器的功能與韌體程式的使用方式，最後則是以六個實際的類別應用範例做說明，應用範例有：
• HID Transfer
• HID Keyboard
• HID Mouse
• MSC
• VCOM
• Audio

2、USB簡介
通用序列匯流排(Universal Serial Bus，USB)用來連接電腦系統和外部裝置的一種串列埠匯流排標準，主要將連接至電腦的纜線減至最少，讓許多不同的週邊裝置都可以使用相同的連接線。而連接上電腦時，電腦會自動識別這些週邊裝置，並且搭配適當的驅動程式，無需使用者再另外重新設定。
USB匯流排其最大的特點是支援隨插即用的技術並且支援熱插拔(可以在不需要關閉電源的情況下插入或拔除)，當裝置插入時，主機列舉到此裝置並載入所需的驅動程式。USB的匯流排結構是採用階梯型星型拓撲(Tiered Star Network)結構，它由一個主機控制器和若干通過集線器裝置以樹狀連接的裝置組成。一個控制器下最多可以有5級Hub，包括Hub在內，最多可以連接128個裝置，因為在設計時是使用7位元定址欄位，二的七次方就等於128，若扣掉USB主機預設給第一次接上的週邊裝置使用，還剩127個位址可以使用。因此，一部電腦最多可以連接127個USB裝置。位址0是所有USB裝置的預設位址，當USB裝置接上主機時，其位址就是0，然後主機會盡快分配一個位址給它。USB裝置(USB Devices)指各種類型的USB週邊裝置，它具備某種Function(功能)的裝置；一種是「單一功能」的USB裝置，一個功能佔用一個USB纜線(Cable)和USB埠(Port)，例如滑鼠、鍵盤、RS-232或移動儲存裝置。另一種為「複合裝置」，是一個具有多個功能和配置多個介面的組合裝置，但是只有一個唯一的裝置(Device)地址，透過相對應的USB裝置驅動程式(Device Driver)來與主機通訊，可使用僅有的一條纜線和一個USB埠實現多個功能。
USB裝置定義許多不同的類別(Class)，常見的類別有：USB 通訊裝置類別 (CDC)、人性化介面裝置類別(HID)、大容量儲存裝置類別(MSC)，以及USB音訊裝置類別(UAC)。而依照目前USB產品的規格，可以將USB裝置分為以下三種不同的速度：
- 低速裝置(Low-Speed Devices)：傳輸速率最高為 1.5 Mbps
- 全速裝置(Full-Speed Devices)：傳輸速率最高為 12 Mbps
- 高速裝置(High-Speed Devices)：USB2.0 所提出的新規格，傳輸速率最高為 480 Mbps
每個週邊裝置都具有端點(Endpoint)，而主機與端點的通訊是經由虛擬管線(Virtual Pipe)所構成的。一旦虛擬管線建立好之後，每個端點就會傳回描述此裝置的相關資訊(也就是描述元Descriptor)給主機。USB的端點傳輸共有四種類型：控制(Control)、中斷(Interrupt)、巨量(Bulk)與等時(Isochronous)。
設計USB裝置的應用之前，必須了解USB介面的一些標準與規格，本章節會簡單描述USB的基本知識，詳細的USB規格可參考USB Specification Revision 2.0。
2.1 USB 介面
USB的連接線由+5伏特(VBus)與接地線(GND)加上兩條差動的資料線D+與D-所組成，兩條訊號線使用雙絞線(Twisted Pair)傳輸，以抵消長導線的電磁干擾。D+與D-它們各自使用半雙工的差動訊號，並利用NRZI(Non-return-To-Zero Inverted)的編碼方式來傳送，來達成高速傳輸的目的。USB藉由兩條訊號線D+與D-的電位表現出不同的狀態，組合這些狀態來產生傳輸資料與多種匯流排狀態，包含閒置(Idle)、暫停(Suspend)、恢復(Resume)、封包開始(Start of Packet)、封包結束(End of Packet)、切斷連接(Disconnect)、連接(Connect)、重置(Reset)，表 1顯示出不同的信號如何呈現出不同的匯流排狀態。

匯流排狀態	描述
Idle	(D+) - (D-) > 200 mv，此狀態在全速裝置中稱為J State
Suspend	Idle狀態超過3ms
Resume	(D-) - (D+) > 200 mv，此狀態在全速裝置中稱為K State
Start-ofPacket (SOP)	從Idle轉換為Resume
End-of-Packet (EOP)	D+與D-為低電位維持2bit時間，在第3個bit即轉為Idle。
Single-ended 0 (SEO)	D+S1D- < Vse(min)，VsE(min) = 0.8v °
Disconnect	SEO超過2.5us。
Connect	D+或D-為高電位超過2.5us。
Reset	D+與D-為低電位超過2.5us。

USB上的資料傳輸採用NRZI編碼方式來對每個位元個別編碼，其編碼規則為：當資料位元為1時不轉換，資料位元為0時再做轉換。圖 1顯示資料位元組的NRZI編碼範例，圖 1紅線表示資料轉換。

NRZI資料流中的位元轉換能使解碼器維持與進來的資料同步，為了避免重複相同1的信號一直進入時，導致讀取的時序會發生嚴重錯誤，最終將導致接收器失去同步狀態，所以採用位元填塞(Bit Stuffing)。其方法為：資料中含有六個連續的1，就需要在其後面填塞一個0，以確保接收端會定期同步化。圖 2呈現位元填塞的過程。

2.2 USB 通信協定
USB傳輸的控制權是由主機端掌握，不論是控制命令或是資料傳輸時，裝置都只是在回應主機的動作。主機端利用標準的USB通信協定來與USB週邊裝置溝通，USB傳輸(Transfer)由一或多個交易(Transaction)組成，而交易(Transaction)包含了二或三種封包(Packet)，封包(Packet)是組成USB傳輸的最小單位。圖 3說明USB Transfer-Transaction-Packet三者之間的關係。

2.2.1 USB 封包格式
USB封包是執行所有處理動作的機制，封包格式依照需求會由七個欄位刪減而組合而成，這七個欄位包含：同步(Sync)、PID、位址(Address)、端點(Endpoint)、訊框數目(Frame Number)、資料(Data)、CRC。
封包緊跟在SYNC之後，高速裝置封包的SYNC長度為32bit，全速與低速裝置封包的SYNC長度為8Bit。PID用來定義封包的類型，分為Token、Data、Handshake及Special四種類別，共有16種類型的PID，具體定義請參考表 2。PID的資料長度為8個Bits，只用到前面四個Bit，後面4個Bit其值固定是前面4個Bit的補數，需注意的是PID的格式為LSB在前面MSB在後面。舉例來說，假設PID的前面4個Bit=1001，那後面4個Bit就是0110，PID合起來就是10010110。其中Special是針對USB2.0特有的PID，包含了PING(檢查端點裝置是否能接收資料)、SPLIT(高頻寬的USB分割傳輸)、PRE(低頻寬的USB前導封包)、ERR(分割傳輸任務錯誤)。對於OUT和SETUP處理，位址與端點欄位用來選擇接收資料的端點；對於IN處理，位址與端點欄位用來選擇傳送資料的端點。最後，每個封包以一個CRC做結尾，它用來確認資料是否正確的傳輸。