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|  V1.0  |  2020-07-04 |  gingko  |  初次建立  | 

===== 实验十五：USB_CDC实验——高速数据传输 =====

==== 一、 实验目的与意义 ====

  - 了解STM32 USB结构。
  - 了解STM32 USB特征。
  - 掌握USB的使用方法。
  - 掌握USB CDC类。
  - 掌握KEIL MDK 集成开发环境使用方法。
==== 二、 实验设备及平台 ====
  - iCore4 双核心板[[https://item.taobao.com/item.htm?spm=a1z10.1-c-s.w4004-22598974120.15.5923532fsFrHiE&id=551864196684|点击购买]]。
  - JLINK（或相同功能）仿真器[[https://item.taobao.com/item.htm?id=554869837940|点击购买]]。
  - Micro USB线缆。
  - Keil MDK 开发平台。
  - 装有WIN XP（及更高版本）系统的计算机。
==== 三、 实验原理 ====
=== 1、USB CDC简介 ===
  * USB的CDC类是USB通信设备类（Communication Device Class）的简称。CDC类是USB组织定义的一类专门给各种通信设备（电信通信设备和中速网络通信设备）使用的USB子类。根据CDC类所针对通信设备的不同，CDC类又被分成以下不同的模型：USB传统纯电话业务（POTS）模型，USBISDN模型和USB网络模型，其中USB传统纯电话业务模型又可分为直线控制模型（Direct Line Control Model）、抽象模型、电话模型。虚拟串口就属于USB传统纯电话业务模型下的抽象控制模型。
  * 如下图所示，USB CDC类的通信部分主要包含三部分：枚举过程、虚拟串口操作和数据通信。其中虚拟串口操作部分并不一定强制需要，因为若跳过这些虚拟串口的操作，实际上USB依然是可以通信的，这也就是为什么下图中，在操作虚拟串口之前会有两条数据通信的数据。之所以会有虚拟串口操作，主要是我们通常使用PC作为Host端，在PC端使用一个串口工具来与其进行通信，PC端的对应驱动将其虚拟成一个普通串口，这样一来，可以方便PC端软件通过操作串口的方式来与其进行通信，但实际上，Host端与Device端物理上是通过USB总线来进行通信的，与串口没有关系，这一虚拟化过程，起决定性作用的是对应驱动，包含如何将每一条具体的虚拟串口操作对应到实际上的USB操作。需要注意的是，Host端与Device端的USB通信速率并不受所谓的串口波特率影响，它就是标准的USB2.0全速(12Mbps)速度，实际速率取决于总线的实际使用率、驱动访问USB外设有效速率(两边)以及外部环境对通信本身造成的干扰率等因素组成。
{{ :icore4:icore4_arm_hal_15_1.jpg?direct |}} 
=== 2、CDC类软件框架 ===
{{ :icore4:icore4_arm_hal_15_2.png?direct&750 |}} 
  * 如上图所示，黄色USB Device Core部分为USB设备库文件,属于中间件,它为USB协议栈的核心源文件，一般不需要修改：
  * USB Device Core中,Log/debug为打印/调试开关;
  * core为USB设备核心;
  * USB request中定义了枚举过程中各种标准请求的处理；
  * I/O request为底层针对USB通信接口的封装。
  * 黄色USB Device Class部分为USB类文件，也属于中间件,USB设备库，目前ST DEMO中支持的类有HID, Customer HID, CDC, MSC, DFU, Audio, ST提供了这些类的源码框架，其他的Class或者是复合设备需要自己根据实际需求情况进行扩展或定制。如果用户需求只是需要一个标准类，比如CDC通信，那么最好就使用现成的代码，不需要做任何修改就可以实现这个CDC类通信的功能。
  * 蓝色USB Device HAL Driver为HAL库部分，是对USB外设接口的封装，属于底层驱动，不需要修改，它分为PCD和LL Driver，PCD处于LL Driver之上。
  * 洋红色USB Device Configuration为USB配置封装，位于USB底层HAL层驱动与中间件USB协议栈之间，一方面向上层(USB设备库)提供各种操作调用接口，另一方面，向底层USB驱动提供各种回调接口。正是由于它的存在，使得USB协议栈(USB设备库)与底层硬件完全分离，从而使USB设备库具有更加兼容所有STM32的通用性。USB Device Configuration为开放给用户的源文件，用户可以根据自己的某些特殊需要进行修改，也可以使用默认的源文件，假如没有任何特殊要求的话，我们使用默认即可。
  * Application为应用层，USB Device Class有可能将自己对应该的操作接口封装在一个操作数据结构中，由应用来具体实现这些操作，在系统初始化时，由应用将已经定义好的操作接口注册到对应的USB类中，比如usbd_cdc_if， 就这样，使得应用层的应用代码与属于中间件层的USB协议栈分离。同时，USB协议栈会将一些字符串描述符放到APP中，当USB初始化时将这些已经定义好的字符串通过指针初始化到USB协议栈中，以便后续需要时获取。
==== 3、原理图 ====

  * 本实验通过调用STM32的HAL库来实现STM32的USB 设备通信，由于STM32芯片不带高速PHY，在这里我们用STM32F767和USB3300链接的方式来实现数据的高速传输，通过编写的测试软件测试出传输速度。原理图如下：
{{ :icore4:icore4_arm_hal_15_3.png?direct |}}  
==== 四、 实验程序 ====

=== 1、主函数 ===
<code c>
int main(void)
{
    int i;
    static unsigned char data_number = 0;
    system_clock.initialize();//系统时钟初始化
    led.initialize();         //LED初始化
    
    USBD_Init(&USB_OTG_dev,
        USB_OTG_HS_CORE_ID,
        &USR_desc,
        &USBD_CDC_cb,
        &USR_cb);
    while(State==0);
    LED_GREEN_ON;
    while(1)
    {
        //接受数据并处理
        if(USB_ReceivedCount > 0){
            LED_RED_ON; 
            USB_ReceivedCount = 0;
            //重复发送次数
            data_number = USB_Rx_Buffer[0];
            //发送图片
            do{
                USB_StatusDataSended = 0;
                DCD_EP_Tx(&USB_OTG_dev,CDC_IN_EP,gImage_flower,sizeof(gImage_flower));
                while(USB_StatusDataSended == 0){
                    for(i = 0;i < 10000;i++);
                }
                data_number--;
            }while(data_number > 0);
            LED_RED_OFF;
        }
    }    
}
 
</code>
=== 2、USB初始化 ===
<code c>
/* 初始化设备堆栈并加载类驱动程序 */
void USBD_Init(USB_OTG_CORE_HANDLE *pdev,
               USB_OTG_CORE_ID_TypeDef coreID,
               USBD_DEVICE *pDevice,                  
               USBD_Class_cb_TypeDef *class_cb, 
               USBD_Usr_cb_TypeDef *usr_cb)
  {
  /* 硬件初始化 */
  USB_OTG_BSP_Init(pdev);  
  USBD_DeInit(pdev);
  /*寄存器类和用户回调 */
  pdev->dev.class_cb = class_cb;
  pdev->dev.usr_cb = usr_cb;  
  pdev->dev.usr_device = pDevice;    
  /* 设置USB OTG核心参数 */
  DCD_Init(pdev , coreID);
  /* 在初始化调用用户回调时 */
  pdev->dev.usr_cb->Init();
  /*使能中断*/
  USB_OTG_BSP_EnableInterrupt(pdev);
}

</code>
=== 3、发送数据 ===

  * 主函数中通过调用此函数来发送照片数据。
<code c> 
/**
* @brief通过USB传输数据
* @param pdev：设备实例
* @param ep_addr：端点地址
* @param pbuf：指向Tx缓冲区的指针
* @param buf_len：数据长度
* @retval：状态
*/
uint32_t  DCD_EP_Tx ( USB_OTG_CORE_HANDLE *pdev,
                     uint8_t   ep_addr,
                     uint8_t   *pbuf,
                     uint32_t   buf_len)
{
  USB_OTG_EP *ep;
  ep = &pdev->dev.in_ep[ep_addr & 0x7F];
  /* 设置并开始传输 */
  ep->is_in = 1;
  ep->num = ep_addr & 0x7F;  
  ep->xfer_buff = pbuf;
  ep->dma_addr = (uint32_t)pbuf;  
  ep->xfer_count = 0;
  ep->xfer_len  = buf_len;
  if ( ep->num == 0 )
  {
    USB_OTG_EP0StartXfer(pdev , ep);
  }
  else
  {
    USB_OTG_EPStartXfer(pdev, ep );
  }
  return 0;
}
</code>
==== 五、 实验步骤 ====
  - 把仿真器与iCore4的SWD调试口相连（直接相连或者通过转接器相连）；
  - 将跳线帽插在USB OTG。
  - 把iCore4（USB OTG）通过Micro USB线与计算机相连，为iCore4供电；
  - 安装USB CDC驱动，驱动安装方法参考例程包中安装方法文档。
  - 打开Keil MDK开发环境，并打开本实验工程；
  - 烧写程序到iCore4上；
  - 打开上位机软件usb.exe，点击打开，测试按钮即可测试。（如果该软件没能正常启动，则重新安装驱动）
  - 也可以进入Debug模式，单步运行或设置断点验证程序逻辑。
==== 六、 实验现象 ====

  * 绿色LED灯点亮，结果如下图所示：
{{ :icore4:icore4_arm_hal_15_4.png?direct |}}