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--- icore3_arm_hal_19 [2020/04/17 11:58]
fmj 创建
+++ icore3_arm_hal_19 [2022/03/18 15:08] (当前版本)
sean
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 |  V1.0  |  2020-04-17  |  gingko  |  初次建立  |
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-===== 实验十八：USB_CDC实验——高速数据传输 =====
+===== 实验十九：USB_HID实验——双向数据传输 =====
 ==== 一、 实验目的与意义 ====
-  - 了解STM32 USB 结构。
+  - 了解STM32 USB SLAVE结构。
-  - 了解STM32 USB 特征。
+  - 了解STM32 USB SLAVE特征。
-  - 掌握USB的使用方法。
+  - 掌握USB SLAVE HID的使用方法。
+  - 掌握STM32 HAL库中USB_HID属性的配置方法
   - 掌握KEIL MDK 集成开发环境使用方法。
 ==== 二、 实验设备及平台 ====
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   - 装有WIN XP（及更高版本）系统的计算机。
 ==== 三、 实验原理 ====
-=== 1、USB简介 ===
+=== 1、USB_HID设备简介 ===
-  * USB，是英文UniversalSerialBUS（通用串行总线）的缩写，而其中文简称为“通串线，是一个外部总线标准，用于规范电脑与外部设备的连接和通讯。是应用在PC领域的接口技术。USB接口支持设备的即插即用和热插拔功能。USB是在1994年底由英特尔、康柏、IBM、Microsoft等多家公司联合提出的。
+  * USB HID是Human Interface Device的缩写，由其名称可以了解HID设备是直接与人交互的设备，例如键盘、鼠标与游戏杆等。不过HID设备并不一定要有人机接口，只要符合HID类别规范的设备都是HID设备。
-  * USB发展到现在已经有USB1.0/1.1/2.0/3.0等多个版本。目前用的最多的就是USB1.1和USB2.0，USB3.0目前已经开始普及。STM32F407自带的USB符合USB2.0规范。
+  * 交换的数据存储在称为报表(report)的结构内，设备的固件必须支持HID报表的格式。主机在控制与中断传输中传送与要求报表，来传送与接收数据。报表的格式非常有弹性，可以处理任何类别的数据。
-  * 标准USB共四根线组成,除VCC/GND外，另外为D+和D-，这两根数据线采用的是差分电压的方式进行数据传输的。在USB主机上，D-和D+都是接了15K的电阻到地的，所以在没有设备接入的时候，D+、D-均是低电平。而在USB设备中，如果是高速设备，则会在D+上接一个1.5K的电阻到VCC，而如果是低速设备，则会在D-上接一个1.5K的电阻到VCC。这样当设备接入主机的时候，主机就可以判断是否有设备接入，并能判断设备是高速设备还是低速设备。
+  * 设备除了HID接口之外，它可能同时还包含有其他的USB接口。例如影像显示设备可能使用HID接口来做亮度，对比，与更新率的软件控制，而使用传统的影 像接口来传送要显示的数据。USB扩音器可以使用实时传输来播放语音，同时使用HID接口来控制音量，震荡，与低音等。HID接口通常比传统的控制接口来得便宜。
+  * Wndows操作系统最先支持的HID设备。在windows98以及后来的版本中内置有HID设备的驱动程序，应用程序可以直接使用这些驱动程序来与设备通信。
+  * 在设计一个USB接口的计算机外部设备时，如果HID类型的设备可以满足需要，可以将其设计为HID类型设备，这样可以省去比较复杂的USB驱动程序的编写，直接利用Windows操作系统对标准的HID类型USB设备的支持
-=== 2、USB On-The-Go简介 ===
+=== 2、HID主要能力 ===
-  * OTG_HS 是一个双角色设备 (DRD) 控制器，同时支持从机和主机功能，并且完全符合 USB 2.0 规范的 On-The-Go 补充标准。此外，该控制器也可配置为仅主机或仅从机控制器，完全符合 USB 2.0 规范。在主机模式中，OTG_HS 支持高速（HS，480 Mbits/s）、全速（FS，12 Mbits/s）和低速（LS，1.5 Mbits/s）传输，而在从机模式中，仅支持高速（HS，480 Mbits/s）和全速（FS、12 Mbits/s）传输。OTG_HS 还支持 HNP 和 SRP。OTG 模式下需要的唯一外部设备是提供 VBUS 的电荷泵。
+  * 交换的数据储存在称为报表（Report）的结构内，设备的固件必须支持HID报表的格式。主机通过控制和中断传输中的传送和请求报表来传送和接收数据。报表的格式非常灵活。
+  * 每一笔事务可以携带小量或中量的数据。低速设备每一笔事务最大是8B，全速设备每一笔事务最大是64B，高速设备每一笔事务最大是1024B。一个报表可以使用多笔事务。
+  * 设备可以在未预期的时间传送信息给主机，例如键盘的按键或是鼠标的移动。所以主机会定时轮询设备，以取得最新的数据。
+  * HID设备的最大传输速度有限制。主机可以保证低速的中断端点每10ms内最多1笔事务，每一秒最多是800B。保证全速端点每lms一笔事务，每一秒最多是64000B。保证高速端点每125us三笔事务，每一秒最多是24.576MB。
+  * HID设备没有保证的传输速率。如果设备是设置在10ms的时距，事务之间的时间可能等于或小于10ms。除非设备是设置在全速时在每个帧传输数据，或是在高速时在每个微帧传输数据。这是最快的轮询速率，所以端点可以保证有正确的带宽可供使用。
+  * HID设备除了传送数据给主机外，它也会从主机接收数据。只要能够符合HID类别规范的设备都可以是HID设备。
+  * 设备除了HID接口之外，它可能同时还包含有其他的USB接口。例如影像显示设备可能使用HID接口来做亮度、对比度的软件控制，而使用传统的影像接口来传送要显示的数据。USB扩音器可以使用实时传输来播放语音，同时使用HID接口来控制音量、低音等。
+  * HID类别设备的规范文件主要是以下两份：
+    * Device Class Definition for Human interface Devices
+    * HID Usabe Tables
+=== 3、实现原理 ==
+{{ :icore3:icore3_arm_hal_19_1.png?direct |}}
+{{ :icore3:icore3_arm_hal_19_2.png?direct |}}
-  * OTG主要特性可分为三类：通用特性、主机模式特性和从机模式特性。
+  * iCore3中使用的STM32F407IGTx芯片带有USB高速物理层，通过外接USB3300设备芯片实现USB_HID设备物理层搭建。
+  * USB HID设备无需驱动程序，Windows系统自带HID类的驱动程序。通过移植ST官方提供的代码来实现iCore3的USB_HID双向数据传输，点击测试软件的灯控按钮来控制iCore3上的LED灯的亮灭，实现上位机向下位机传输数据并解析相应命令。按下iCore3的ARM-KEY按钮，测试软件显示ARM-KEY的状态，实现了下位机向上位机的数据传输。
-  * 1、通用特性
-    * OTG_HS接口的通用特性如下：
-      * 经USB-IF认证，符合通用串行总线规范第2.0版
-      * OTGHS支持以下三个PHY接口：
-        * 片上全速PHY
-        * 连接外部全速PHY的I2C接口
-        * 连接外部高速PHY的ULPI接口
-      * 支持主机协商协议 (HNP) 和会话请求协议 (SRP)
-        * 在 OTG 应用中允许主机关闭 VBUS 以节省功耗，而不需要外部组件
-        * 允许使用内部比较器来监视 VBUS 电平
-        * 支持主机和从机之间的动态角色切换
-        * 可通过软件配置为以下角色：
-          * 支持 SRP 的 USB HS/FS 从机（B 器件）
-          * 支持 SRP 的 USB HS/FS/LS 主机（A 器件）
-        * 支持 HS/FS SOF 以及低速 (LS)“Keep-alive”令牌并具有如下功能：
-          * SOF 脉冲引脚输出功能
-          * SOF 脉冲与定时器 2 (TIM2) 的内部连接
-          * 可配置的帧周期
-          * 可配置的帧结束中断
-        * 模块内嵌 DMA，并可软件配置 AHB 的突发传输类型
-        * 具备省电功能，例如在 USB 挂起期间停止系统时钟，关闭数字模块内部时钟域、PHY 和DFIFO 电源管理
-        * 具有包含高级 FIFO 管理的专用 4K 字节数据 RAM：
-          * 可以将存储区配置为不同 FIFO，以便灵活高效地使用 RAM
-          * 每个FIFO 可包含多个数据包
-          * 动态地进行存储器分配
-          * FIFO 大小可配置为 2 的幂以外的值，以便连续使用存储区
-        * 一帧之内可以无需要应用程序干预，以达到最大 USB 带宽
-  * 2、主机模式特性
-    * 主机模式下的 OTG_HS 接口特征如下：
-      * 需要外部电荷泵来生成 VBUS
-      * 具有多达 12 个主机通道（管道），每个通道可动态地进行重新配置，可支持任何类型的
-    * USB 传输
-      * 内置硬件调度器：
-        * 在周期性硬件队列中存储多达 8 个中断加同步传输请求
-        * 在非周期性硬件队列中存储多达 8 个控制加批量传输请求
-        * 管理一个共享 RX FIFO、一个周期性 TX FIFO 和一个非周期性 TX FIFO，以有效使用
-    * USB 数据 RAM
-        * 在主机模式下具备对 SOF 帧周期进行动态调校的功能
-  * 3、从机模式特性
-    * OTG_HS 接口在从机模式下具有以下特性：
-      * 具有 1 个双向控制端点 0
-      * 具有 5 个 IN 端点 (EP)，可配置为支持批量、中断或同步传输
-      * 具有 5 个 OUT 端点，可配置为支持批量、中断或同步传输
-      * 管理一个共享 Rx FIFO 和一个 Tx-OUT FIFO，可高效使用 USB 数据 RAM
-      * 管理多达 6 个专用 Tx-IN FIFO（每个 IN 配置的 EP 使用一个）以降低应用程序负载
-      * 具备软断开功能
-=== 3、高速OTG框图 ===
-  * USB OTG HS 模块嵌入了一个 ULPI 接口以连接外部 HS PHY。
-{{ :icore3:icore3_arm_hal_18_1.png?direct |}}
-=== 4、USB CLASS ===
-  * USB协议设计的时候，把鼠标，键盘，大容量存储，图像等，这些之前是通过其他接口所实现的，各种的功能，都囊括进来。并且在协议中有对应的规范定义，支持这些功能。因此，制定了各种USB的Clas，即分类，根据功能而分出的各种类别。不同的Class分类，用于实现对应的功能，适用于相应的设备。
-  * 常见的USB类设备：
-    - 音频类
-    - 通信设备类
-    - 人机接口设备类
-    - 物理设备
-    - 成像设备类
-    - 打印机设备类
-    - 大容量存储类
-    - 数据接口类
-    - 智能卡设备类
-    - 内容安全设备类
-    - 视频设备类
-    - 个人医疗保健设备类
-    - USB音频/视频（AV）设备类
-    - Billboard Device Class Specification
-    - USB Type-C桥接器件类
-    - 无线控制类
-    - 其他设备
-    - 特定应用
-    - 厂商自定义
-{{ :icore3:icore3_arm_hal_18_2.png?direct |}}
-=== 5、USB_CDC类简介 ===
-  * USB2.0标准下定义了很多子类，有音频类，CDC类，HID，打印，大容量存储类，HUB，智能卡等等，这些在usb.org官网上有具体的定义，这里主要介绍通信类CDC。CDC(Communication Device Class)类是USB2.0标准下的一个子类，定义了通信相关设备的抽象集合。它与USB2.0标准以及其下的子类的相互关系如下图所示：
-  * 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。
-  * USB_CDC类详细内容可参考《USB_CDC类入门培训》。
-{{ :icore3:icore3_arm_hal_18_3.png?direct&700 |}}
-{{ :icore3:icore3_arm_hal_18_4.png?direct&700 |}}
-=== 6、USB_CDC类简介 ===
-  * **实现原理**
-  * iCore3中使用的STM32F407IGTx芯片带有USB高速物理层，通过外部高速PHY的ULPI接口外接USB3300设备芯片实现USB_CDC设备物理层搭建。连接示意图如下：
-{{ :icore3:icore3_arm_hal_18_5.png?direct&550 |}}
 ==== 四、 实验程序 ====
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 int main(void)
 {
-    int i;
+  /* USER CODE BEGIN 1 */
-    static unsigned char data_number = 0;
+  int i;
-    HAL_Init();
+  unsigned char buffer[64];
-    USBD_Init(&USB_OTG_dev,USB_OTG_HS_CORE_ID,&USR_desc,&USBD_CDC _cb,&USR_cb);
+  unsigned char send_buffer[64];
-    SystemClock_Config();
+  static int counter;
-    MX_GPIO_Init();
+  RTC_DateTypeDef sDate;
-    while(State==0);
+  RTC_TimeTypeDef sTime;
-    LED_RED_ON;
+  /* USER CODE END 1 */
-    while (1)
+  HAL_Init();
-    {
+  SystemClock_Config();
-        if(USB_ReceivedCount > 0){
+  /* Initialize all configured peripherals */
-            LED_RED_ON;
+  MX_GPIO_Init();
-            USB_ReceivedCount = 0;
+  MX_RTC_Init();
-            data_number = USB_Rx_Buffer[0];
+  MX_USB_DEVICE_Init();
-            do{
+  /* USER CODE BEGIN WHILE */
-                USB_StatusDataSended = 0;
+  while (1)
-                DCD_EP_Tx(&USB_OTG_dev,CDC_IN_EP,gImage_flower,sizeof(gImage_flower));
+  {
-                while(USB_StatusDataSended == 0){
+    /* USER CODE END WHILE */
-                    for(i = 0;i < 10000;i++);
+        if(systick.second_flag == 1){
-                }
+            systick.second_flag = 0;
-                data_number--;
+            if(hUsbDeviceHS.dev_state == USBD_STATE_CONFIGURED){
-            }while(data_number > 0);
+                if(counter ++ % 2){
-            LED_RED_OFF;
+                    HAL_RTC_GetTime(&hrtc, &sTime, RTC_FORMAT_BIN);
-         }
+                    HAL_RTC_GetDate(&hrtc, &sDate, RTC_FORMAT_BIN);
-    }
+                    memset(send_buffer,0,64);
+                    sprintf((char *)send_buffer,"time:%02d:%02d:%02d  %02d-%02d-%02d",sTime.Hours,sTime.Minutes,sTime.Seconds,sDate.Year,sDate.Month,sDate.Date);
+                    USBD_HID_SendReport(&hUsbDeviceHS,send_buffer,64);
+                }else{
+                    memset(send_buffer,0,64);
+                    if(ARM_KEY_STATE == KEY_DOWN)
+                        sprintf((char *)send_buffer,"key:KEY PRESS");
+                    else
+                        sprintf((char *)send_buffer,"key:");
+                    USBD_HID_SendReport(&hUsbDeviceHS,send_buffer,64);
+                }
+            }
+        }
+        //接收命令处理
+        if(usb_receive_flag == 1){
+            usb_receive_flag = 0;
+            memcpy(buffer,usb_receive_buffer,usb_receive_counter);
+            memset(usb_receive_buffer,0,usb_receive_counter);
+            for(i = 0;i < 64;i++){
+                buffer[i] = tolower(buffer[i]);
+            }
+            command_process(buffer);
+        }
+  }
 }
 </code>
-=== 2. 中断函数 ===
+  * 在主函数的while循环中通过定时器，定时向主机发送时间数据。再通过USB处理函数对主机发送过来的数据进行接收处理，并送入处理函数进行处理，实现相应的功能。
+=== 2. 时钟函数 ===
 <code c>
-void OTG_HS_IRQHandler(void)
+void HAL_SYSTICK_Callback(void)
 {
-  USBD_OTG_ISR_Handler (&USB_OTG_dev);
+    //中断时间1ms，
-}
+static int counter = 0;
-void OTG_HS_EP1_IN_IRQHandler(void)
-{
+    if((counter ++ % 250) == 0){
-  USBD_OTG_EP1IN_ISR_Handler (&USB_OTG_dev);
+        systick.second_flag = 1;
-}
+    }
-void OTG_HS_EP1_OUT_IRQHandler(void)
+}
+</code>
+  * 通过时钟函数计时，定时向主机发送数据
+=== 3. usb驱动文件修改 ===
+  * 因为hal库中的驱动没有对hid设备接收函数的处理，需要修改usbd_hid.c文件。主要是添加USBD_HID_DataOut函数，增加对从主机发送的数据接收功能。
+<code c>
+static uint8_t  USBD_HID_DataOut (USBD_HandleTypeDef *pdev,
+                              uint8_t epnum)
 {
-  USBD_OTG_EP1OUT_ISR_Handler (&USB_OTG_dev);
+    if(epnum == HID_EPOUT_ADDR){
+        usb_receive_counter = USBD_GetRxCount(pdev,epnum);
+        if(pdev->dev_state == USBD_STATE_CONFIGURED){
+            usb_receive_flag = 1;
+  USBD_LL_PrepareReceive(pdev,HID_EPOUT_ADDR,usb_receive_buffer,HID_EPOUT_SIZE);
+        }
+    }
+  return USBD_OK;
 }
 </code>
-=== 3. USB驱动移植 ===
+  * 修改USBD_HID_Init函数，增加USBD_LL_OpenEP函数语句与USBD_LL_PrepareReceive函数语句，保证相应功能的初始化。
-  * 在CUBEMX中　无法配置USBDevice为CDC高速传输模式，需要将USB库的驱动文件移植到程序中去。建立好一个新的工程后，打开此实验例程文件夹，找到USB文件夹，将文件夹拷贝到建立好的新的工程中去。
+<code c>
-{{  :icore3:icore3_arm_hal_18_6.png?direct&800  |}}
+/* Open Ep Out */
+    USBD_LL_OpenEP(pdev, HID_EPOUT_ADDR, USBD_EP_TYPE_INTR, HID_EPOUT_SIZE);
+    /* Prepare Out endpoint to receive next packet */
+    USBD_LL_PrepareReceive(pdev, HID_EPOUT_ADDR, usb_receive_buffer, HID_EPOUT_SIZE);
+</code>
+  * 在usbd_hid.h中添加对EPOUT参数地址与大小的定义
+<code c>
+#define HID_EPOUT_ADDR                              0x01
+#define HID_EPOUT_SIZE                              0x40
+</code>
+  * 利用上位机hid.exe与iCore3通讯，HID设备的描述符需要进行修改，以便可以与上位机软件进行通讯。主要是对usbd_desc.c 设备描述符与usbd_hid.c配置描述符进行修改。这些描述符决定了HID设备的类型与定义，上位机需要根据这些描述符发出相应的指令控制。直接将程序中的usbd_hid.c文件替换为例程文件的usbd_hid.c。在usbd_desc.c中需要修改USBD_HS_DeviceDesc中的相应描述配置，将宏定义中的一些参数进行修改，即可实现hid描述符的修改。
+<code c>
+#define USBD_VID     0x483
+#define USBD_LANGID_STRING     1033
+#define USBD_MANUFACTURER_STRING     "Gingko"
+#define USBD_PID_HS     0x5720
+#define USBD_PRODUCT_STRING_HS     "iCore3 in HS mode"
+#define USBD_SERIALNUMBER_STRING_HS     "00000000001A"
+#define USBD_CONFIGURATION_STRING_HS     "HID Config"
+#define USBD_INTERFACE_STRING_HS     "HID Interface"
+#define USB_SIZ_BOS_DESC            0x0C
+</code>
 ==== 五、 实验步骤 ====
   - 把仿真器与iCore3的SWD调试口相连（直接相连或者通过转接器相连）；
@@ 行 237: / 行 224: @@
   - 打开Keil　MDK开发环境，并打开本实验工程；
   - 烧写程序到iCore3；
+  - 也可以进入Debug模式，单步运行或设置断点验证程序逻辑；
   - 打开usb_hid.exe进行验证。
 ==== 六、 实验现象 ====
-  * 绿色LED点亮，结果如下：
+  * 点击测试软件的LED控制按钮，iCore3上的LED灯的颜色状态将发生变化，点击校准时间，将用电脑系统的时间校准iCore3的内部RTC，按下iCore3上的ARM-KEY,按键状态栏将显示按键的状态（如下图所示）。
-{{ :icore3:icore3_arm_hal_18_7.png?direct |}}
+{{ :icore3:icore3_arm_hal_19_3.png?direct |}}
-**附录：**
-  * 1、打开设备管理器，并找到USB_CDC设备
-{{ :icore3:icore3_arm_hal_18_8.png?direct |}}
-  * 2、选中此设备并右击选择更新驱动程序，选中浏览计算机以查找驱动程序软件
-{{ :icore3:icore3_arm_hal_18_9.png?direct |}}
-  * 3、找到例程文件夹下driver文件夹并选中此文件夹，点击下一步后，驱动程序将会自动安装。
-{{ :icore3:icore3_arm_hal_18_10.png?direct |}}
-  * 4、安装成功后，设备管理器将会显示相对应的设备。
-{{ :icore3:icore3_arm_hal_18_11.png?direct |}}

用户工具

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