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【GD32F303红枫派使用手册】第二十七讲 USB-虚拟键盘实验

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27.1 实验内容
通过本实验主要学习以下内容:
• USB协议基本原理
• GD32F303 USBD的使用
虚拟键盘的协议原理及使用
27.2 实验原理
27.2.1 USB通信基础知识
USB的全称是Universal Serial Bus,通用串行总线。它的出现主要是为了简化个人计算机与外围设备的连接,增加易用性。USB支持热插拔,并且是即插即用的,另外,它还具有很强的可扩展性,传输速度也很快,这些特性使支持USB接口的电子设备更易用、更大众化。GD32F303系列MCU集成了USB2.0全速设备USBD模块,可以满足作为USB设备与主机通信的需求。首先为大家介绍USB通信的一些基础知识,包括USB协议、枚举流程等,建议读者可以多多阅读USB协议,以更深入了解USBUSB官网链接如下,可参考:https://www.usb.org/
27.2.1.1 USB金字塔型拓扑结构
塔顶为USB主控制器和根集线器(Root Hub),下面接USB集线器(Hub),集线器将一个USB口扩展为多个USB口,USB2.0规定集线器的层数最多为6层,理论上一个USB主控制器最多可接127个设备,因为协议规定USB设备具有一个7 bit的地址(取值范围为0~127,而地址0是保留给未初始化的设备使用的)
27.2.1.2 NRZI编码
USB采用差分信号传输,使用的是如上图所示的NRZI编码方式:数据为0时,电平翻转;数据为1时,电平不翻转。如果出现6个连续的数据1,则插入一个数据0,强制电平翻转,以便时钟同步。上面的一条线表示的是原始数据序列,下面的一条线表示的是经过NRZI编码后的数据序列。
27.2.1.3 USB数据协议
USB数据是由二进制数据串组成,首先由数据串构成包(packet),包再构成事务(transaction),事务最终构成传输(transfer)
USB传输的最小单位为包,一个包被分成不同的域,根据不同类型的包,所包含的域是不一样的,但是不同的包有个共同的特点,就是以包起始(SOP)开始,之后是同步域(0x00000001),然后是包内容,最后以包结束符(EOP)结束这个包。PID为标识域,由四位标识符加4位标识符反码构成,表明包的类型和格式。根据PID的不同,USB协议中规定的包类型有令牌包、数据包、握手包和特殊包等。
USB事务通常有两个或三个包组成:令牌包、数据包和握手包,令牌包用来启动一个事务,总是由主机发送;数据包用来传输数据;握手包由数据接收者进行发送,表明数据的接收情况。批量、同步和中断传输每次传输都是一个事务,控制传输包括三个阶段:建立过程、数据过程和状态过程。
针对不同的数据传输场景,USB分为四种数据传输模式,这四种传输模式分别由不同的包(packet)组成,并且有不同的数据处理策略。每种数据传输模式的流程示意图以及应用场景如下:
控制传输一般用于命令和状态的传输,分为控制读、控制写和无数据控制传输。在设备枚举的过程中,采用控制传输方式进行数据传输。
批量传输分为批量读和批量写,用于数据量大、对实时性要求不高的场合,如U盘。
中断传输用于数据量小的场合,保证查询频率,如鼠标、键盘。
同步传输用于数据量大、同时对实时性要求较高的场合,如音视频。不保证数据完整性,没有ACK/NAK应答包,不进行数据重传。
27.2.1.4 USB描述符
一个USB设备通常有一个或多个配置,但在同一时刻只能有一个配置;
一个配置通常有一个或多个接口;
一个接口通常有一个或多个端点;
USB通信中,USB设备需要配置多个USB描述符用以枚举阶段将描述符返回给主机,用以主机的枚举以及识别。USB描述符包括设备描述符、配置描述符、接口描述符、端点描述符以及字符串描述符等。在GD32 USBD固件库中,针对各种描述符都按照USB协议定义了相关结构体,具体说明如下。
设备描述符
每个设备必须有一个设备描述符,设备描述符提供了关于设备的配置、设备所归属的类、设备所遵循的协议代码、VIDPID等信息,其相关结构体定义如下。
C
typedef struct _usb_desc_dev {
    usb_desc_header header;                       /*!< descriptor header, including type and size */
    uint16_t bcdUSB;                              /*!< BCD of the supported USB specification */
    uint8_t  bDeviceClass;                        /*!< USB device class */
    uint8_t  bDeviceSubClass;                     /*!< USB device subclass */
    uint8_t  bDeviceProtocol;                     /*!< USB device protocol */
    uint8_t  bMaxPacketSize0;                     /*!< size of the control (address 0) endpoint's bank in bytes */
    uint16_t idVendor;                            /*!< vendor ID for the USB product */
    uint16_t idProduct;                           /*!< unique product ID for the USB product */
    uint16_t bcdDevice;                           /*!< product release (version) number */
    uint8_t  iManufacturer;                       /*!< string index for the manufacturer's name */
    uint8_t  iProduct;                            /*!< string index for the product name/details */
    uint8_t  iSerialNumber;                       /*!< string index for the product's globally unique hexadecimal serial number */
    uint8_t  bNumberConfigurations;               /*!< total number of configurations supported by the device */
} usb_desc_dev;
配置描述符
每个USB设备都至少具有一个配置描述符,在设备描述符中规定了该设备有多少种配置,每种配置都有一个描述符,其相关结构体定义如下。
C
typedef struct _usb_desc_config {
    usb_desc_header header;                       /*!< descriptor header, including type and size */
    uint16_t wTotalLength;                        /*!< size of the configuration descriptor header, and all sub descriptors inside the configuration */
    uint8_t  bNumInterfaces;                      /*!< total number of interfaces in the configuration */
    uint8_t  bConfigurationValue;                 /*!< configuration index of the current configuration */
    uint8_t  iConfiguration;                      /*!< index of a string descriptor describing the configuration */
    uint8_t  bmAttributes;                        /*!< configuration attributes */
    uint8_t  bMaxPower;                           /*!< maximum power consumption of the device while in the current configuration */
} usb_desc_config;
接口描述符
接口描述符用以描述接口信息,接口描述符不能单独返回,必须附着在配置描述符后一并返回,其相关结构体定义如下。
C
typedef struct _usb_desc_itf {
    usb_desc_header header;                       /*!< descriptor header, including type and size */
    uint8_t bInterfaceNumber;                     /*!< index of the interface in the current configuration */
    uint8_t bAlternateSetting;                    /*!< alternate setting for the interface number */
    uint8_t bNumEndpoints;                        /*!< total number of endpoints in the interface */
    uint8_t bInterfaceClass;                      /*!< interface class ID */
    uint8_t bInterfaceSubClass;                   /*!< interface subclass ID */
    uint8_t bInterfaceProtocol;                   /*!< interface protocol ID */
    uint8_t iInterface;                           /*!< index of the string descriptor describing the interface */
} usb_desc_itf;
端点描述符
端点描述符用以描述端点信息,端点描述符不能单独返回,必须附着在配置描述符后一并返回,其相关结构体定义如下。
C
typedef struct _usb_desc_ep {
    usb_desc_header header;                       /*!< descriptor header, including type and size */
    uint8_t  bEndpointAddress;                    /*!< logical address of the endpoint */
    uint8_t  bmAttributes;                        /*!< endpoint attribute */
    uint16_t wMaxPacketSize;                      /*!< size of the endpoint bank, in bytes */
    uint8_t  bInterval;                           /*!< polling interval in milliseconds for the endpoint if it is an INTERRUPT or ISOCHRONOUS type */
} usb_desc_ep;
字符串描述符
字符串描述符可含有指向描述制造商、产品、序列号、配置和接口的字符串的索引。类和制造商专属描述符可含有指向额外字符串描述符的索引。对字符串描述符的支持是可选的,有些类可能会需要它们。
C
typedef struct _usb_desc_str {
    usb_desc_header header;                       /*!< descriptor header, including type and size. */
    uint16_t unicode_string[64];                  /*!< unicode string data */
} usb_desc_str;
27.2.1.5 USB枚举过程
USB枚举实际上是host检测到device插入后,通过发送各种标准请求,请device返回各种USB描述符的过程。USB枚举的示意图如下:
27.2.2 GD32 USBD模块简介
GD32F303系列MCU提供了一个USB2.0全速USBD接口模块,它内部包含了一个USB物理层而不需要额外的外部物理层芯片。 USBD支持USB 2.0协议所定义的四种传输类型(控制、批量、中断和同步传输)。  
主要特性如下:
◼ USB 2.0全速设备控制器;
最多支持8个可配置的端点;
支持双缓冲的批量传输端点/同步传输端点;
支持USB 2.0链接电源管理;
每个端点都支持控制,批量,同步或中断传输(端点0除外,端点0只支持控制传输) ;
支持USB挂起/恢复操作;
CAN共享512字节的专用SRAM用于数据缓冲;
集成的USB物理层。  
USBD模块框图如下所示。
27.2.3 USBD固件库说明
USBD固件库框图如下所示。用户应用程序(User application)调用 GD32全速 USB 设备固件库中的接口实现 USB 设备与主机之间的通信,架构的最底层为 GD32 MCU开发板的硬件。其中, GD32 全速 USB 设备固件库(GD32F30x_usbd_Library)分为两层,顶层为应用接口层,用户可以修改,包含 main.c USB 相关设备类驱动;底层为 USBD 设备驱动层,不建议用户修改,该驱动层包含实现 USB 通信相关协议以及 USBD 底层模块操作。  
USBD_Drivers设备驱动层(Firmware\GD32F30x_usbd_library\usbd)包含两个文件夹,分别为IncludeSource,其中,Include为底层头文件,Source为底层源文件。
其中,usbd_lld_core.h/c文件中的库函数说明如下所示。
usbd_lld_int.h/.c文件中的库函数说明如下所示。
USBD_Device设备驱动层(Firmware\GD32F30x_usbd_library\device)包含两个文件夹,分别为IncludeSource,其中,Include为底层头文件,Source为底层源文件。
其中,usbd_core.h/.c文件中的库函数说明如下所示。
usbd_enum.h/.c文件中的库函数说明如下所示。
usbd_pwr.h/.c文件中的库函数说明如下所示。
usbd_transc.h/.c文件中的库函数说明如下所示。
27.3 硬件设计
GD32F303红枫派开发板的USB通信接口选择的是目前较为通用的Type C接口,读者手中的用于手机充电的Type C通信线即可使用。
USBDPDM线上使用22欧姆串阻,DP线通过1.5K电阻上拉到USBFS_CTL控制引脚,该引脚使用的是PD3引脚。
27.4 代码解析
本例程主要实现通过按键向PC发送键值的现象,实现模拟键盘的效果。
本例程主函数如下所示,首先配置延迟初始化,历程中使用到了ms延迟,之后配置rcugpiousbdNVIC等相关外设,具体说明将在后续介绍。
C
int main(void)
{
          delay_init();
    /* system clocks configuration */
    rcu_config();

    /* GPIO configuration */
    gpio_config();

    hid_itfop_register (&usb_hid, &fop_handler);

    /* USB device configuration */
    usbd_init(&usb_hid, &hid_desc, &hid_class);

    /* NVIC configuration */
    nvic_config();

    usbd_connect(&usb_hid);

    while(USBD_CONFIGURED != usb_hid.cur_status){
    }

    while (1) {
        fop_handler.hid_itf_data_process(&usb_hid);
    }
}
rcu的配置如下,主要用于配置USB时钟,USB需要一个稳定的48M时钟,一般可通过系统时钟分频获取,由于有固定的分频系数,所以系统时钟一般选择48M72M96M120M,历程中做了自动分频适配。另外如果使用IRC48Mhz时钟作为USB时钟,系统时钟大于24MHz即可。
C
void rcu_config(void)
{
    uint32_t system_clock = rcu_clock_freq_get(CK_SYS);

    /* enable USB pull-up pin clock */
    rcu_periph_clock_enable(RCU_AHBPeriph_GPIO_PULLUP);

    if (48000000U == system_clock) {
        rcu_usb_clock_config(RCU_CKUSB_CKPLL_DIV1);
    } else if (72000000U == system_clock) {
        rcu_usb_clock_config(RCU_CKUSB_CKPLL_DIV1_5);
    } else if (96000000U == system_clock) {
        rcu_usb_clock_config(RCU_CKUSB_CKPLL_DIV2);
    } else if (120000000U == system_clock) {
        rcu_usb_clock_config(RCU_CKUSB_CKPLL_DIV2_5);
    } else {
        /* reserved */
    }

    /* enable USB APB1 clock */
    rcu_periph_clock_enable(RCU_USBD);
}
gpio配置主要用于配置DP线的上拉电阻,dp线上拉主要用于控制USB设备接入主机的时机。本例程中使用PD3的引脚。
若读者的硬件使用其他的引脚作为dp线的上拉控制,修改上拉引脚的宏定义配置即可。
C
void gpio_config(void)
{
    /* configure usb pull-up pin */
    gpio_init(USB_PULLUP, GPIO_MODE_OUT_PP, GPIO_OSPEED_50MHZ, USB_PULLUP_PIN);

    /* USB wakeup EXTI line configuration */
    exti_interrupt_flag_clear(EXTI_18);
    exti_init(EXTI_18, EXTI_INTERRUPT, EXTI_TRIG_RISING);
}
#define USB_PULLUP                         GPIOD
#define USB_PULLUP_PIN                     GPIO_PIN_3
#define RCU_AHBPeriph_GPIO_PULLUP          RCU_GPIOD
注册HID接口操作函数如下所示。在该代码清单中,注册了HID接口操作的配置以及数据处理函数句柄,用于后续函数调用。
C
uint8_t hid_itfop_register (usb_dev *udev, hid_fop_handler *hid_fop)
{
    if (NULL != hid_fop) {
        udev->user_data = (void *)hid_fop;

        return USBD_OK;
    }

    return USBD_FAIL;
}
USBD内核初始化函数如下所示。在该代码清单中,首先配置USB内核基本属性参数,然后初始化USBD描述符、设备类内核以及设备类处理函数指针,之后初始化端点事务函数数组,配置电源管理以及USB挂起状态使能,最后调用设备类内核初始化函数完成USBD内核初始化。
C
void usbd_init (usb_dev *udev, usb_desc *desc, usb_class *usbc)
{
    /* configure USBD core basic attributes */
    usbd_core.basic.max_ep_count = 8U;
    usbd_core.basic.twin_buf = 1U;
    usbd_core.basic.ram_size = 512U;

    usbd_core.dev = udev;

    udev->desc = desc;
    udev->class_core = usbc;
    udev->drv_handler = &usbd_drv_handler;

    udev->ep_transc[0][TRANSC_SETUP] = _usb_setup_transc;
    udev->ep_transc[0][TRANSC_OUT] = _usb_out0_transc;
    udev->ep_transc[0][TRANSC_IN] = _usb_in0_transc;

    /* configure power management */
    udev->pm.power_mode = (udev->desc->config_desc[7] & 0x40U) >> 5;

    /* enable USB suspend */
    udev->pm.suspend_enabled = 1U;

    /* USB low level initialization */
    udev->drv_handler->init();

    /* create serial string */
    serial_string_get((uint16_t *)udev->desc->strings[STR_IDX_SERIAL]);
}
NVIC配置函数如下所示。在该代码清单中首先对NVIC分组进行配置,其中1位用于抢占优先级,3位用于次优先级。之后使能USBD低优先级中断和唤醒中断。
C
void nvic_config(void)
{
    /* 2 bits for preemption priority, 2 bits for subpriority */
    nvic_priority_group_set(NVIC_PRIGROUP_PRE1_SUB3);

    /* enable the USB low priority interrupt */
    nvic_irq_enable((uint8_t)USBD_LP_CAN0_RX0_IRQn, 1U, 0U);

    /* enable the USB Wake-up interrupt */
    nvic_irq_enable((uint8_t)USBD_WKUP_IRQn, 0U, 0U);
}
然后调用usbd_connect(&usb_hid);函数将上拉引脚电平进行上拉,并将USB设备状态udev->cur_status设置为连接状态USBD_CONNECTED
C
__STATIC_INLINE void usbd_connect (usb_dev *udev)
{
    udev->drv_handler->dp_pullup(SET);

    udev->cur_status = (uint8_t)USBD_CONNECTED;
}
上拉电阻被上拉后,主机将会对设备进行枚举,设备端采用while(USBD_CONFIGURED != usb_hid.cur_status)语句进行等待。当USB设备状态变为USBD_CONFIGURED状态时,表明设备枚举完成。
枚举完成之后,程序将进入主循环中,在主循环中,循环调用HID USB模拟键盘数据处理函数,在该函数中,首先判断上次传输是否完成,完成之后通过扫描按键的方式查看按键是否被按下,若按键被按下,则通过hid_report_send()函数发送键盘报告数据。
C
static void hid_key_data_send(usb_dev *udev)
{
    standard_hid_handler *hid = (standard_hid_handler *)udev->class_data[USBD_HID_INTERFACE];

    if (hid->prev_transfer_complete) {
        switch (key_state()) {
        case CHAR_A:
            hid->data[2] = 0x04U;
            break;
        case CHAR_B:
            hid->data[2] = 0x05U;
            break;
        case CHAR_C:
            hid->data[2] = 0x06U;
            break;
        default:
            break;
        }

        if (0U != hid->data[2]) {
            hid_report_send(udev, hid->data, HID_IN_PACKET);
        }
    }
}
报文发送函数定义如下,该函数包含三个参数,udev为初始化后的设备操作结构体;report为发送报告缓冲区地址;len为发送报告的长度。在该函数中,如果设备已经被枚举成功,则首先将prev_transfer_complete标志位设置为0,表明接下来将进行发送数据,数据并未发送完成,之后,调用usbd_ep_send()将需要发送的报告拷贝到USB外设缓冲区中并设置端点为有效状态,等待主机发送IN令牌包,USB设备将外设缓冲区中的数据发送给主机。
C
uint8_t hid_report_send (usb_dev *udev, uint8_t *report, uint16_t len)
{
    standard_hid_handler *hid = (standard_hid_handler *)udev->class_data[USBD_HID_INTERFACE];

    /* check if USB is configured */
    hid->prev_transfer_complete = 0U;

    usbd_ep_send(udev, HID_IN_EP, report, len);

    return USBD_OK;
}
当数据发送完成,USB设备将调用hid_data_in_handler()函数进行数据处理。该函数程序如下所示。在该函数中,首先判断hid->data[2]的数据是否为0x00,如果不为0x00表明上次发送的为按键按下的键值,还需发送按键松开的键值,如果为0x00表明上次按键按下和松开的键值均已发送完成,之后将prev_transfer_complete设置为1,表明上一次的按键数据传输完成,可进行下次按键数据传输。
C
static void hid_data_in_handler (usb_dev *udev, uint8_t ep_num)
{
    standard_hid_handler *hid = (standard_hid_handler *)udev->class_data[USBD_HID_INTERFACE];

    if (hid->data[2]) {
        hid->data[2] = 0x00U;

        usbd_ep_send(udev, HID_IN_EP, hid->data, HID_IN_PACKET);
    } else {
        hid->prev_transfer_complete = 1U;
    }
}
在该例程中通过hid->prev_transfer_complete数据流程标志位进行数据发送控制,读者可使用该标志位用于对数据发送的控制,当该标志位为0的时候,表明数据已被填送到USB缓冲区,但还没有发送给主机,此时MCU不能继续调用发送函数向缓冲区中填数据,否则可能导致数据覆盖丢失,正确做法是等待该标志位置位,表明上一包数据已被主机读取,然后再继续发送后续数据。
27.5 实验结果
将本例程烧录到红枫派开发板中,通过Type C数据线连接开发板和PC,之后按下ROCKER_KEYK1K2按键,将会向PC发送ABC键值。

本教程由GD32 MCU方案商聚沃科技原创发布,了解更多GD32 MCU教程,关注聚沃科技官网,GD32MCU技术交流群:859440462


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