USB 协议整理 九：USB 协议调试工程说明
2024-04-11 12:28:39
一、前言
目的：使用 STM32F103 从 0 开始实现 USB 调试代码。
硬件：正点原子战舰开发板。
软件：
USB：用于实现各种功能
串口：打印日志信息
LED：显示运行状态
其他：根据需要进行添加
参考：STM 官方 USB 库。
二、工程目录说明
三、常用驱动说明
1、时钟配置
2、数据结构设计
1、循环队列
1、数据类型
#define QUEUE_MAXSIZE 128typedef struct{unsigned char data[QUEUE_MAXSIZE];unsigned int front,rear; // fornt：对头、rear：队尾
}queue_t;
2、相关操作
#include "queue.h"int init_queue(queue_t *q)
{q->front = q->rear = 0;return 0;
}int en_queue(queue_t *q,unsigned char c)
{if((q->rear+1)%QUEUE_MAXSIZE == q->front) return 1; // 队列满q->data[q->rear] = c; // 将 x 插入队尾q->rear = (q->rear+1)%QUEUE_MAXSIZE; // 队尾指针后移return 0;
}int de_queue(queue_t *q,unsigned char *c)
{if(q->rear == q->front) return 1; // 队列为空*c = q->data[q->front]; // 提取对头元素q->front = (q->front+1)%QUEUE_MAXSIZE; // 队头后移return 0;
}3、UART
1、缓存设计
1、发送数据
发送数据不进行设计，根据需求进行。
2、接收数据
接收数据采用循环队列完成。
typedef struct{queue_t data;
}uart_t;
2、初始化
int uart_init(unsigned int rate)
{GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;USART_InitTypeDef USART_InitStructure;NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1|RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);//USART1_TX GPIOA.9GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);//USART1_RX GPIOA.10GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);// NVICNVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USART1_IRQn;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=3;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 3;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);// USART 配置USART_InitStructure.USART_BaudRate = rate;USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b;USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1;USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No;USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None;USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx;USART_Init(USART1, &USART_InitStructure);USART_ITConfig(USART1, USART_IT_RXNE, ENABLE);USART_Cmd(USART1, ENABLE);// 初始化init_queue(&uart_data.data);return 0;
}
3、发送数据
uart 作为日志数据发送，需要兼容不同格式类型数据，因此发送数据通过重定向 printf 完成。
#if 1
#pragma import(__use_no_semihosting)
struct __FILE
{ int handle; }; FILE __stdout;
void _sys_exit(int x)
{ x = x;
}
int fputc(int ch, FILE *f)
{ while((USART1->SR&0X40)==0);USART1->DR = (u8) ch; return ch;
}
#endif
4、接收数据
uart 接收数据为了能够及时响应，因此使用中断来完成。
int uart_recive_data(unsigned char c)
{en_queue(&uart_data.data,c); // 数据入队return 0;
}void USART1_IRQHandler(void)
{if(USART_GetITStatus(USART1, USART_IT_RXNE) != RESET){USART_ClearITPendingBit(USART1, USART_IT_RXNE);uart_recive_data(USART_ReceiveData(USART1));}
}
3、LED
int led_init(void)
{GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB|RCC_APB2Periph_GPIOE, ENABLE);GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_5);GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5;GPIO_Init(GPIOE, &GPIO_InitStructure);GPIO_SetBits(GPIOE,GPIO_Pin_5);return 0;
}void led0_on(void)
{GPIO_ResetBits(GPIOB,GPIO_Pin_5);
}void led0_off(void)
{GPIO_SetBits(GPIOB,GPIO_Pin_5);
}void led1_on(void)
{GPIO_ResetBits(GPIOE,GPIO_Pin_5);
}void led1_off(void)
{GPIO_SetBits(GPIOE,GPIO_Pin_5);
}4、delay
延时使用 Systick 定时器完成，设计思想如下：
1、将 Systick 配置成每 1ms 中断一次。
2、根据延时时间设置中断次数。
代码如下：
static __IO unsigned int timing_delay;int delay_init(void)
{if(SysTick_Config(SystemCoreClock / 1000)){printf("delay_init failed\r\n");}return 0;
}void delay_ms(__IO unsigned int nTime)
{ timing_delay = nTime;while(timing_delay != 0);
}void timing_delay_decrement(void)
{if (timing_delay != 0x00){ timing_delay--;}
}void SysTick_Handler(void)
{timing_delay_decrement();
}
四、usb 驱动
说明：参考 STM 提供 USB 库。
1、GPIO 配置
static int usb_gpio_init(void)
{GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;// 配置时钟RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);// 配置 USB DM/DP 引脚GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_11 | GPIO_Pin_12;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);return 0;
}
2、时钟配置
static int usb_clock_init(void)
{// 设置 USBCLK 时钟RCC_USBCLKConfig(RCC_USBCLKSource_PLLCLK_1Div5);// 设置 USB 时钟RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_USB, ENABLE);return 0;
}
3、中断配置
static int usb_interrupts_config(void)
{NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;// USB低优先级中断(通道20):可由所有USB事件触发(正确传输，USB复位等)NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USB_LP_CAN1_RX0_IRQn;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);// USB高优先级中断(通道19):仅能由同步和双缓冲批量传输的正确传输事件触发，目的是保证最大的传输速率NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USB_HP_CAN1_TX_IRQn;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;// USB唤醒中断(通道42):由USB挂起模式的唤醒事件触发NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USBWakeUp_IRQn;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);return 0;
}
特别说明：中断优先级等级根据需要进行调整。
中断处理函数如下：
int usb_istr(void)
{unsigned int r_istr = 0;r_istr = _GetISTR();if(r_istr & ISTR_SOF){_SetISTR((uint16_t)CLR_SOF);printf("ISTR_SOF IRQHandler\r\n");}if(r_istr & ISTR_CTR){printf("ISTR_CTR IRQHandler\r\n");}if(r_istr & ISTR_RESET){_SetISTR((uint16_t)CLR_RESET);printf("ISTR_RESET IRQHandler\r\n");}if(r_istr & ISTR_DOVR){_SetISTR((uint16_t)CLR_DOVR);printf("ISTR_DOVR IRQHandler\r\n");}if(r_istr & ISTR_ERR){_SetISTR((uint16_t)CLR_ERR);printf("ISTR_ERR IRQHandler\r\n");}if(r_istr & ISTR_WKUP){_SetISTR((uint16_t)CLR_WKUP);printf("ISTR_WKUP IRQHandler\r\n");}if(r_istr & ISTR_SUSP){_SetISTR((uint16_t)CLR_SUSP);printf("ISTR_SUSP IRQHandler\r\n");}if(r_istr & ISTR_ESOF){_SetISTR((uint16_t)CLR_ESOF);printf("ISTR_ESOF IRQHandler\r\n");}return 0;
}void USB_LP_CAN1_RX0_IRQHandler(void)
{usb_istr();printf("USB_LP_CAN1_RX0_IRQHandler\r\n");
}void USB_HP_CAN1_TX_IRQHandler(void)
{printf("USB_HP_CAN1_TX_IRQHandler\r\n");
}void USBWakeUp_IRQHandler(void)
{printf("USBWakeUp_IRQHandler\r\n");
}
4、usb外设配置
int usb_register_init(void)
{// 1、强制复位_SetCNTR(CNTR_FRES);// 2、清除 USB_CNTR 寄存器所有信号_SetCNTR(0);// 3、等待 USB 复位请求完成while((_GetISTR()&ISTR_RESET) == 1);// 4、清除无效挂起中断_SetISTR(0);// 5、开启USB复位中断、挂起中断、唤醒中断_SetCNTR(CNTR_RESETM | CNTR_SUSPM | CNTR_WKUPM);// 6、清除无效挂起中断_SetISTR(0);// 7、开启正确传输中断、唤醒中断、挂起中断、出错中断、帧首中断、期望帧首中断、USB复位中断_SetCNTR(CNTR_CTRM|CNTR_WKUPM|CNTR_SUSPM|CNTR_ERRM|CNTR_SOFM|CNTR_ESOFM|CNTR_RESETM);return 0;
}
五、工程模板测试
1、串口打印日志如下
[16:49:54.963] uart init successful!
[16:49:54.963] ISTR_ESOF IRQHandler
[16:49:54.963] USB_LP_CAN1_RX0_IRQHandler
[16:49:54.963] ISTR_SUSP IRQHandler
[16:49:54.963] ISTR_ESOF IRQHandler
……
[16:49:55.052] USB_LP_CAN1_RX0_IRQHandler
[16:49:55.055] ISTR_RESET IRQHandler
[16:49:55.101] USB_LP_CAN1_RX0_IRQHandler
[16:49:55.113] ISTR_SOF IRQHandler
[16:49:55.113] USB_LP_CAN1_RX0_IRQHandler
[16:49:55.113] ISTR_SOF IRQHandler
[16:49:55.113] USB_LP_CAN1_RX0_IRQHandler
[16:49:55.113] ISTR_SOF IRQHandler
[16:49:55.122] USB_LP_CAN1_RX0_IRQHandler
……
[16:49:57.084] USB_LP_CAN1_RX0_IRQHandler
[16:49:57.084] ISTR_SOF IRQHandler
[16:49:57.084] USB_LP_CAN1_RX0_IRQHandler
[16:49:57.084] ISTR_SOF IRQHandler
[16:49:57.092] USB_LP_CAN1_RX0_IRQHandler
[16:49:57.092] ISTR_SOF IRQHandler
[16:49:57.092] USB_LP_CAN1_RX0_IRQHandler
[16:49:57.092] ISTR_SOF IRQHandler
[16:49:57.102] ISTR_ESOF IRQHandler
[16:49:57.102] USB_LP_CAN1_RX0_IRQHandler
[16:49:57.102] ISTR_SUSP IRQHandler
[16:49:57.102] ISTR_ESOF IRQHandler
[16:49:57.111] USB_LP_CAN1_RX0_IRQHandler
[16:49:57.111] ISTR_SUSP IRQHandler
[16:49:57.111] ISTR_ESOF IRQHandler
[16:49:57.111] USB_LP_CAN1_RX0_IRQHandler
[16:49:57.123] ISTR_SUSP IRQHandler
[16:49:57.123] ISTR_ESOF IRQHandler
[16:49:57.123] USB_LP_CAN1_RX0_IRQHandler
[16:49:57.123] ISTR_SUSP IRQHandler
[16:49:57.123] ISTR_ESOF IRQHandler
[16:49:57.132] USB_LP_CAN1_RX0_IRQHandler
……
SOF：USB 模块检测到总线上的 SOF 分组时由硬件置位，标志一个新的 USB 帧的开始。中断服务程序可以通过检测 SOF 事件来完成与主机的 1ms 同步，并正确读出寄存器在收到 SOF 分组时 的更新内容(此功能在同步传输时非常有意义)。
ESOF：USB 模块未收到期望的 SOF 分组时由硬件置位。主机应该每毫秒都发送 SOF 分组，但如果 USB 模块没有收到，挂起定时器将触发此中断。如果连续发生 3 次 ESOF 中断也就是连续 3 次未收到 SOF 分组，将产生 SUSP 中断。
SUSP：USB 线上超过 3ms 没有信号传输时由硬件置位，用以指示一个来自 USB 总线的挂起请求。USB 复位后硬件立即使能对挂起信号的检测，但在挂起模式下(FSUSP＝1)硬件不会再检 测挂起信号直到唤醒过程结束。
2、PC 枚举 usb 模块
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