如何使用AT32 MCU主机库快速开发USB相关应用

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cathy 发布于：周三, 01/18/2023 - 12:11 ，关键词：

AT32 USB主机协议库

这部分主要介绍AT32 USB主机库的结构和库的使用方法，AT32 USB支持全速和低速，不支持USB2.0高速设备。这里库的作用是用来管理USB外设和实现USB的基本协议，使开发者能够更快的上手开发。

USB主机库包含以下几个模块 如图1：

  • 用户应用程序

此部分为开发者根据应用具体需求开发应用程序。

  • USB Core Driver和USB主机类

USB Core Driver：此部分实现USB设备标准协议栈，标准请求等接口。

USB主机类：此部分实现具体USB主机请求。

  • USB主机硬件底层接口

此部分实现硬件寄存器抽象接口

  • USB/OTG外设

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图1. USB主机库结构

AT32 USB库文件

如下是AT32 USB应用工程结构图：

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图2. AT32工程结构

Core Driver库路径：OTGFS-->middlewares\usb_drivers

Host Class库路径：middlewares\usbh_class

如下是USB主机库文件列表：

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表1. USB主机库文件列表

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表2. USB主机类文件列表

USB主机库文件说明

USB库实现USB主机枚举标准请求，同时实现USB规格里面的4种传输类型（control，interrupt，bulk，isochronous）的函数接口。

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图3 USB主机库文件结构

USB主机文件函数接口

usbh_int.c函数接口

usbh_int.c主要处理底层中断，包括设备连接，设备断开等。

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表3 usbh_int函数接口

usbh_core.c函数接口

usbh_core.c此文件封装不同的usb主机函数接口用于不同的地方调用，包括一些接收，发送函数等。

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表4 usbh_core函数接口

usbh_ctrl.c函数接口

usbh_ctrl.c此文件处理USB主机枚举过程中的一些标准请求。

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表5 usbh_ctrl函数接口

支持的标准设备请求如下表：

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表6 标准设备请求

usbh_xx_class.c函数接口

usbh_xx_class.c此文件为具体主机类型的数据处理，通过结构体函数来实现不同主机类型数据的处理。开发者根据不同的主机类型，来实现下面函数结构体中的函数，达到不同应用结果。

函数结构体如下：

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表7 主机class函数结构体

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表8 主机class函数接口

usbh_user.c函数接口

usbh_user.c此文件主要为一些给用户处理事件的函数如复位，断开连接等。

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表9 用户事件函数结构体

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表10 用户函数接口函数

其它参数函数

的参数结构体如下，USB主机库中参数传递使用结构体usbh_core_type，如下图：

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图4 全局结构体

USB主机的状态机如下图：

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图5 USB主机状态机

USB返回值，USB函数接口使用如下函数返回值。

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图6 函数返回值

通道FIFO分配

USB主机要正常收发数据，在初始化时需要为通道分配FIFO，分配给所有通道FIFO大小的和不能超过系统分配给USB缓冲区的最大长度，具体USB的缓冲区大小参考RM上的描述。

开发者可以参考例程usb_conf.h为通道自定义分配FIFO。
OTGFS主机通道FIFO分配

主机模式下，所有通道共享一个接收FIFO，通道发送FIFO分为非周期性发送FIFO和周期性发送FIFO。注意usb_conf.h中对端点分配的FIFO大小单位为word（Byte）。

以hid_demo例程为例：

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USB主机初始化

在使用USB主机功能时，需要对USB的寄存器做一些基本的初始化，通过调用USB主机的初始化函数完成这部分的操作。
OTGFS外设初始化

OTGFS初始化函数usbd_init包含5个参数：

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例程主机hid_demo的初始化如下：

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USB主机中断处理

USB主机中断入口函数usbh_irq_handler处理所有USB主机中断，包括连接状态，通道收发数据，SOF，唤醒等中断，下面介绍一些典型的中断处理。

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图7 USB主机中断处理函数

通道中断处理

当USB主机与设备进行通信时，通道的收发状态都在通道中断中处理，通道的方向分为IN和OUT通过通道寄存器中的方向为进行判断。

中断处理函数：usbh_hch_handler

代码如下：

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Wakeup 中断处理

当USB主机在挂起状态时，检测到设备触发的远程唤醒信号，将产生此中断。此中断会将当前主机状态改为WAKEUP状态：

中断处理函数：usbh_wakeup_handler

代码如下：

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接收FIFO非空中断

此中断表示当前接收FIFO有数据，应用程序通过此中断读出接收到的数据，并存放到对应通道的FIFO当中，当数据读取完成之后，会产生对应的通道的中断。

中断处理函数：usbh_rx_qlvl_handler

代码如下：

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主机端口中断处理

当USB主机断开发生状态改变时，会产生端口中断，应用程序通过此中断判断连接设备的速度等。

中断处理函数：usbh_port_handler

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设备断开连接中断处理

当连接的设备断开是，会产生断开连接中断。

中断处理函数：usbh_disconnect_handler

代码：

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USB主机枚举处理

USB主机状态机在usbh_loop_handler函数中处理，对应的主机状态机uhost->global_state，如下图是设备连接到主机的状态处理流程：

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图8 设备连接状态机流程

  • USBH_IDLE：当USB启动或者设备断开连接之后在此状态

  • USBH_PORT_EN：USB主机端口使能之后在此状态

  • USBH_ATTACHED：USB设备连接稳定之后

  • USBH_ENUMERATION：USB设备标准的枚举流程

  • USBH_USER_HANDLER：枚举完成之后，调用主机类的初始化函数

  • USBH_CLASS_REQUEST：主机类初始化完成之后，进行主机类请求

  • USBH_CLASS：所有枚举完成，进行正常的数据处理。

USB主机枚举流程

当设备接到主机之后，通过控制端点（端点0）进行枚举动作，USB主机的枚举状态如下：

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如下是主机枚举的状态机流程：

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图9 USB主机枚举流程

  • ENUM_GET_MIN_DESC：获取8字节设备描述

  • ENUM_GET_FULL_DESC：获取18字节设备描述

  • ENUM_SET_ADDR：设置设备地址

  • ENUM_GET_CFG：获取9字节配置描述

  • ENUM_GET_FULL_CFG：获取完整的配置描述

  • ENUM_GET_MFC_STRING：获取设备厂商信息

  • ENUM_GET_PRODUCT_STRING：获取设备产品信息

  • ENUM_GET_SERIALNUM_STRING：获取设备序列号信息

  • ENUM_SET_CONFIG：SET CONFIGUREENUM_COMPLETE：枚举完成

USB控制传输过程包含SETUP-DATA-STATUS三个阶段，如下是一个主机获取设备信息的传输过程GET_DESCRIPTOR：

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图10 Get Descriptor

如下是USB主机库一个SETUP-DATA-STATUS函数调用流程：

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图11 USB主机SETUP函数调用

usbh_ctrl_transfer_loop函数中断对控制请求的各个状态阶段进行处理：

控制请求状态机：

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图12 控制请求处理流程

USB主机类初始化

在USB标准枚举完成之后，会调用USB主机类的初始化，在初始化函数中解析当前枚举的设备是否支持，调用函数uhost->class_handler->init_handler(uhost)。

初始化代码例：

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USB主机类请求

USB主机类初始化之后，可以发送主机类控制请求，根据不同的设备类，需要实现不同的设备类请求。调用函数uhost->class_handler->request_handler((void*)uhost);

主机类请求例：

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USB主机数据处理

所有枚举完成之后，将进行主机数据处理

主机数据处理例：

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USB主机类型例程

本章将说明使用AT32 USB主机库实现不同的主机类型的例程。目前实现的主机类例程如下：

  • hid(mouse,keyboard)

  • mass storage（msc_only_fat32）

  • two_otg_host_demo(仅AT32F435/437支持)

HID例程

HID类支持鼠标和键盘设备，开发者可修改此例程用以实现支持其它HID类设备。

HID类：

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HID类例程初始化

当USB设备标准枚举完成之后，会进行初始化，调用uhost_init_handler, 调用此函数将解析接到主机上的设备类型，是鼠标还是键盘或者其它设备。通

过设备的配置描述信息进行如下流程解析：

  • 查找HID接口

  • 判断接口是鼠标还是键盘

  • 查找对应接口的端点号

  • 初始化对应通道

代码如下:

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HID类请求

HID类请求实现一些HID设备的标准请求，调用函数uhost_request_handler

  • SET_IDLE

  • SET_PROTOCOL

  • GET_REPORT

代码如下：

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HID类数据处理

HID枚举设置完成之后，USB主机可以请求设备数据，通过调用uhost_process_handler来处理。

  • 通过usbh_interrupt_recv函数给设备发送IN请求

  • 通过usbh_get_urb_status(puhost, phid->chin); 获取IN请求的状态

  • 通过phid->in_poll判断多长时间发送一次IN请求

  • 通过phid->protocol判断是鼠标还是键盘

代码如下：

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MSC例程

msc_only_fat32实现一个简单的mass storage主机类，仅支持FAT32格式。

MSC类：

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MSC 类初始化当USB设备标准枚举完成之后，会进行初始化，调用uhost_init_handler,调用此函数将解析接到主机上的设备类型，判断是否是MSC类型。

通过设备的配置描述信息进行如下流程解析：

  • 查找MSC接口

  • 查找对应接口的端点号

  • 初始化对应通道

  • 初始化bulk-only和SCSI状态机

代码如下：

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MSC类请求

MSC类请求实现一些MSC设备的标准请求，调用函数uhost_request_handler

  • GET_MAX_LUN

代码如下：

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MSC类数据处理

HID枚举设置完成之后，USB主机可以请求设备数据，通过调用uhost_process_handler来处理。

实现如下命令：

  • INQUIRY

  • TEST_UNIT_READY

  • READ_CAPACITY10

  • REQUEST_SENSE

代码如下：

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MSC读写数据

MSC读写数据在通过FATFS接口进行实现，在usbh_msc_diskio.c中实现读写函数。

读函数：

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写函数：

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CDC例程

cdc实现一个简单的虚拟串口类。

CDC类：

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CDC类例程初始化

当USB设备标准枚举完成之后，会进行初始化，调用uhost_init_handler, 调用此函数将解析接到主机上的设备类型。

通过设备的配置描述信息进行如下流程解析：

  • 查找CDC接口

  • 判断接口是否为虚拟串口

  • 查找对应接口的端点号

  • 初始化对应通道

代码如下:

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CDC类请求

CDC类请求实现一些CDC设备的标准请求，调用函数uhost_request_handler

  • GET_LINECODING

代码如下：

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CDC类数据处理

CDC枚举设置完成之后，USB主机可以请求设备数据，通过调用uhost_process_handler来处理。

  • 通过set_linecoding和get_linecoding配置linecoding

  • 通过cdc_process_reception(puhost)函数给设备发送IN请求

  • 通过cdc_process_transmission(puhost)函数发送数据给设备

代码如下：

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two_otg_host_demo例程

AT32F435/437存在两个OTGFS，此例程说明同时使用两个OTGFS实现两个host功能。

  • 实现功能：

  • OTGFS1实现MSC主机（参考MSC例程）

  • OTGFS2实现HID主机（参考HID例程）

配置与实现

在usb_conf.h中配置OTGFS1和OTGFS2：

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在main中初始化：

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来源：AT32 MCU 雅特力科技

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