本文摘自ST官網(wǎng)的“USB CDC類入門培訓(xùn)”。整理的內(nèi)容是我能夠看得懂的，認(rèn)為比較實(shí)用的，記錄下來，以便以后查閱，同時(shí)也把原文檔中的筆誤給更正了一下。若要看更詳細(xì)的可以去ST技術(shù)文檔中查看，鏈接為：
http://bbs.21ic.com/forum.php?mod=viewthread&tid=726814&page=1&extra=#pid4225064

1 USB CDC類基礎(chǔ)理論知識(shí)介紹

1.1 USB CDC類、USB2.0標(biāo)準(zhǔn)與PSTN之間的關(guān)系

CDC(Communication Device Class)類是USB2.0標(biāo)準(zhǔn)下的一個(gè)子類，定義了通信相關(guān)設(shè)備的抽象集合。它與USB2.0標(biāo)準(zhǔn)以及其下的子類的相互關(guān)系如下圖所示:

如上圖，USB2.0標(biāo)準(zhǔn)下定義了很多子類，有音頻類，CDC類，HID，打印，大容量存儲(chǔ)類，HUB，智能卡等等，這些在usb.org官網(wǎng)上有具體的定義，這里主要介紹通信類CDC。

1.2 從一個(gè)具體的CDC類通信數(shù)據(jù)說起

如上圖，USB CDC類的通信部分主要包含三部分：枚舉過程、虛擬串口操作和數(shù)據(jù)通信。其中虛擬串口操作部分并不一定強(qiáng)制需要，因?yàn)槿籼^這些虛擬串口的操作，實(shí)際上USB依然是可以通信的，這也就是為什么上圖中，在操作虛擬串口之前會(huì)有兩條數(shù)據(jù)通信的數(shù)據(jù)。之所以會(huì)有虛擬串口操作，主要是我們通常使用PC作為Host端，在PC端使用一個(gè)串口工具來與其進(jìn)行通信，PC端的對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)將其虛擬成一個(gè)普通串口，這樣一來，可以方便PC端軟件通過操作串口的方式來與其進(jìn)行通信，但實(shí)際上，Host端與Device端物理上是通過USB總線來進(jìn)行通信的，與串口沒有關(guān)系，這一虛擬化過程，起決定性作用的是對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)，包含如何將每一條具體的虛擬串口操作對(duì)應(yīng)到實(shí)際上的USB操作。需要注意的是，Host端與Device端的USB通信速率并不受所謂的串口波特率影響，它就是標(biāo)準(zhǔn)的USB2.0全速(12Mbps)速度，實(shí)際速率取決于總線的實(shí)際使用率、驅(qū)動(dòng)訪問USB外設(shè)有效速率(兩邊)以及外部環(huán)境對(duì)通信本身造成的干擾率等因素組成。

1.3 CDC類設(shè)備枚舉過程

CDC類設(shè)備與其他標(biāo)準(zhǔn)USB設(shè)備枚舉過程的并沒有什么特殊的地方。在設(shè)備描述符內(nèi)可以使用DeviceClass=0x00, SubClass=0x00, Protocol=0x00 表示此類信息在接口描述符內(nèi)給出；或者也可以使用0x02,0x00,0x00；來表明該設(shè)備為CDC類設(shè)備。或者使用0xef, 0x02,0x01表示當(dāng)前為復(fù)合設(shè)備。
CDC類設(shè)備在枚舉過程中最主要的信息存儲(chǔ)在配置描述符內(nèi)：

如上圖所示，CDC類的配置描述符一般包含兩個(gè)接口：一個(gè)控制接口(Interface 0)，另外一個(gè)是數(shù)據(jù)接口(Interface 1), 除此之外，還有一個(gè)虛線指向的IAD(Interface Association Description)，表示這個(gè)是可選的，得根據(jù)實(shí)際情況來確定其是否真實(shí)存在。
在ST給出的CDC例程中，主要是使用SetLineCoding指令來設(shè)置和修改虛擬串口的波特率，使用GetLineCoding來獲取當(dāng)前波特率，使用SetControlLineState來打開或關(guān)閉串口，這種操作是在Host端CDC驅(qū)動(dòng)來具體映射實(shí)現(xiàn)的， Device端收到控制指令可以處理也可以不處理，用CubeMx自動(dòng)生成的CDC類代碼對(duì)接收到的任何控制指令到?jīng)]有做任何處理，如果需要的話，用戶可按應(yīng)用的需要來處理。

2 CDC類軟件框架介紹

2.1 CDC軟件框架簡(jiǎn)介

如上圖所示，黃色USB Device Core部分為USB設(shè)備庫文件,屬于中間件,它為USB協(xié)議棧的核心源文件，一般不需要修改：

USB Device Core中,Log/debug為打印/調(diào)試開關(guān);
core為USB設(shè)備核心;
USB request中定義了枚舉過程中各種標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求的處理；
I/O request為底層針對(duì)USB通信接口的封裝。

黃色USB Device Class部分為USB類文件，也屬于中間件,USB設(shè)備庫，目前ST DEMO中支持的類有HID, Customer HID, CDC, MSC, DFU, Audio, ST提供了這些類的源碼框架，其他的Class或者是復(fù)合設(shè)備需要自己根據(jù)實(shí)際需求情況進(jìn)行擴(kuò)展或定制。如果用戶需求只是需要一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)類，比如CDC通信，那么最好就使用現(xiàn)成的代碼，不需要做任何修改就可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)CDC類通信的功能。
藍(lán)色USB Device HAL Driver為HAL庫部分，是對(duì)USB外設(shè)接口的封裝，屬于底層驅(qū)動(dòng)，不需要修改，它分為PCD和LL Driver，PCD處于LL Driver之上。
洋紅色USB Device Configuration為USB配置封裝，位于USB底層HAL層驅(qū)動(dòng)與中間件USB協(xié)議棧之間，一方面向上層(USB設(shè)備庫)提供各種操作調(diào)用接口，另一方面，向底層USB驅(qū)動(dòng)提供各種回調(diào)接口。正是由于它的存在，使得USB協(xié)議棧(USB設(shè)備庫)與底層硬件完全分離，從而使USB設(shè)備庫具有更加兼容所有STM32的通用性。USB Device Configuration為開放給用戶的源文件，用戶可以根據(jù)自己的某些特殊需要進(jìn)行修改，也可以使用默認(rèn)的源文件，假如沒有任何特殊要求的話，我們使用默認(rèn)即可。
Application為應(yīng)用層，USB Device Class有可能將自己對(duì)應(yīng)該的操作接口封裝在一個(gè)操作數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，由應(yīng)用來具體實(shí)現(xiàn)這些操作，在系統(tǒng)初始化時(shí)，由應(yīng)用將已經(jīng)定義好的操作接口注冊(cè)到對(duì)應(yīng)的USB類中，比如usbd_cdc_if， 就這樣，使得應(yīng)用層的應(yīng)用代碼與屬于中間件層的USB協(xié)議棧分離。同時(shí)，USB協(xié)議棧會(huì)將一些字符串描述符放到APP中，當(dāng)USB初始化時(shí)將這些已經(jīng)定義好的字符串通過指針初始化到USB協(xié)議棧中，以便后續(xù)需要時(shí)獲取。

2.2 工程源碼文件與軟件框架的對(duì)應(yīng)關(guān)系

2.3 USBD內(nèi)核與USBD_CDC的關(guān)系

2.1節(jié)中，提到過ST官方Cube庫中提供的官方USB協(xié)議棧，主要是包含了USBD內(nèi)核與USB各種類。USBD內(nèi)核一般是固定的，用戶一般不需要修改，但USBD類，如果用戶需要修改或者擴(kuò)展，比如復(fù)合設(shè)備或者用戶自定義設(shè)備，還有就是，ST目前官方提供的USB設(shè)備類的DEMO程序并沒有囊括所有USB類，因此，若用戶需要實(shí)現(xiàn)這些官方提供DEMO之外的USB類時(shí)，則用戶需要根據(jù)自己的需要來定制化自己的USB類。
ST提供的USB協(xié)議棧中已經(jīng)有USBD內(nèi)核，且這個(gè)內(nèi)核源文件一般是不需要修改的，我們需要自定義這么一個(gè)USB類，我們首先得知道要自定義的USB類是如何與USBD內(nèi)核打交道的。
USB協(xié)議棧將所有USB類都抽象成一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：USBD_ClassTypeDef，其定義如下所示：

這個(gè)結(jié)構(gòu)體是一個(gè)抽象類，定義了一些虛擬函數(shù)，比如初始化，反初始化，類請(qǐng)求指令處理函數(shù)，端點(diǎn)0發(fā)送完成，端點(diǎn)0接收處理，數(shù)據(jù)發(fā)送完成，數(shù)據(jù)接收處理，SOF中斷處理，同步傳輸發(fā)送未完成，同步傳輸接收未完成處理等等；用戶在實(shí)現(xiàn)自己具體的USB類的時(shí)候需要將它實(shí)例化，USBD_ClassTypeDef結(jié)構(gòu)體是USBD內(nèi)核提供給外部定義一個(gè)USB設(shè)備類的窗口，而USB類文件(如usbd_cdc.c)實(shí)際就是實(shí)現(xiàn)這個(gè)結(jié)構(gòu)體具體實(shí)例化的過程。最后將這個(gè)具體實(shí)例化的對(duì)象注冊(cè)到USBD內(nèi)核的同時(shí), USBD內(nèi)核與USBD類也進(jìn)行了關(guān)聯(lián)。

可以這么說，USBD內(nèi)核與USBD類之間的紐帶就是USBD_ClassType這個(gè)結(jié)構(gòu)體。
下面我們來看看ST提供的CDC DEMO中具體CDC類：

這個(gè)就是具體一個(gè)CDC類實(shí)例化的對(duì)象，上層應(yīng)用通過USBD_RegisterClass函數(shù)，將此對(duì)象注冊(cè)到usbd內(nèi)核 :

它主要在usbd_cdc.c源文件中實(shí)現(xiàn)它的各個(gè)成員函數(shù)，當(dāng)然，usbd_cdc.c源文件中，除了這些CDC類成員函數(shù)的具體實(shí)現(xiàn)之外，還包含其他一些對(duì)上層提供的接口，比如發(fā)送USBD_CDC_TransmitPacket, USBD_CDC_RegisterInterface,上層應(yīng)用通過調(diào)用USBD_CDC_TransmitPacket來發(fā)送數(shù)據(jù)，通過USBD_CDC_RegisterInterface來注冊(cè)操作接口，這也是我們接下來將要講述的內(nèi)容。

2.4 USBD_CDC與USBD_CDC_If的關(guān)系

講完了USBD內(nèi)核與USBD_CDC的關(guān)系，接下來講USBD_CDC與上層應(yīng)用是如何對(duì)接的。為了將USBD_CDC與上層應(yīng)用層完全分離出來，類似USBD內(nèi)核與USBD_CDC類完全分離一般，USBD_CDC類對(duì)上層同樣提供一個(gè)抽象的數(shù)據(jù)操作接口USBD_CDC_If結(jié)構(gòu)體:

如上所示，如何處理來自Host端發(fā)送過來的控制指令和數(shù)據(jù)，完全是由應(yīng)用層來決定，具體實(shí)現(xiàn)是應(yīng)用層將此抽象的操作接口具體實(shí)例化，并注冊(cè)到USBD_CDC類對(duì)象中：

如上圖所示，通過引入U(xiǎn)SBD_CDC_If這么一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，就實(shí)現(xiàn)了USBD_CDC類與應(yīng)用層的完全分離。USBD_CDC_If的具體實(shí)例化對(duì)象如下:

源文件usbd_cdc_if.c就是實(shí)現(xiàn)這些成員函數(shù)的過程，除此之外，還包含發(fā)送接口。最后應(yīng)用層通過調(diào)用USBD_CDC_RegisterInterface函數(shù)將此操作接口注冊(cè)到USBD_CDC類中 :

2.5 應(yīng)用接口

初始化 :

如上圖所示 :
初始化分4步:
1> 初始化USBD內(nèi)核
2> 給USBD內(nèi)核注冊(cè)USBD_CDC類
3> 給USBD_CDC類注冊(cè)USBD_CDC_If接口
4> 正式啟動(dòng)USBD

• 發(fā)送數(shù)據(jù):
  uint8_t CDC_Transmit_FS(uint8_t* Buf, uint16_t Len);
• 接收回調(diào)處理:
  static int8_t CDC_Receive_FS (uint8_t* Buf, uint32_t *Len);
• 接收控制指令處理 :
  static int8_t CDC_Control_FS (uint8_t cmd, uint8_t* pbuf, uint16_t length);

3 實(shí)踐動(dòng)手部分

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境及STM32F072-Discovery板簡(jiǎn)介

硬件準(zhǔn)備:

• STM32F072 Discovery板一塊
• Mini USB線兩根
• PC一臺(tái)

軟件準(zhǔn)備:

• IAR V6.7.0 或者以上版本
• STM32CubeF0 V1.7.0
• STM32CubeMX V4.19
• SSCOM串口工具
• VCP虛擬串口驅(qū)動(dòng)
  
  

3.2 使用STM32CubeMx制作CDC工程

使用內(nèi)部48M的HSI48 RC作為時(shí)鐘源



最終生成的代碼工程與USB CDC類軟件框架的對(duì)應(yīng)關(guān)系:

3.3 添加測(cè)試代碼

為了更好的驗(yàn)證通信，我們需要添加點(diǎn)測(cè)試代碼:

在接收回調(diào)中，我們將接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)給HandleReceiveData函數(shù)處理:

而在HandleReceiveData函數(shù)中我們將收到的數(shù)據(jù)原樣返回給Host端，這樣一來，Host端的串口工具將發(fā)送什么就將收到什么。

另一方面，我們定義了一全局變量StartFlag，它用來標(biāo)志是否循環(huán)從Device端向Host端主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)，其值由外部按鍵控制。然后在Main函數(shù)內(nèi)的while(1)循環(huán)內(nèi)添加如下測(cè)試代碼:

只要StartFlag標(biāo)志為1，在枚舉結(jié)束后則不斷向Host端發(fā)送數(shù)據(jù)。

3.4 驗(yàn)證結(jié)果

在編譯完并將代碼燒錄進(jìn)MCU后，我們首先驗(yàn)證PC端通過串口工具發(fā)送數(shù)據(jù)的情況:

如上圖所示，串口工具發(fā)送63個(gè)字節(jié)到Device端后，能夠接收到從Device端返回到的一模一樣的數(shù)據(jù)，這說明發(fā)送與接收都是正常的。

在按下用戶按鍵后，串口工具能夠無限收到來自Device端的數(shù)據(jù)。

收發(fā)同時(shí)進(jìn)行也是正常的。至此，USB CDC設(shè)備端的收發(fā)驗(yàn)證均正常。

3.5 注意事項(xiàng)

• STM32CubeMx默認(rèn)生成的工程在發(fā)送64整數(shù)倍數(shù)據(jù)的時(shí)候PC端收不到，這個(gè)問題可以參考以下兩個(gè)鏈接：
  http://blog.csdn.net/flydream0/article/details/53205286
  http://bbs.21ic.com/icview-1708972-1-1.html

• CDC device端若無限向PC端發(fā)送數(shù)據(jù)，若PC端沒有及時(shí)讀走數(shù)據(jù)，導(dǎo)致PC端接收緩存爆滿，此時(shí)PC端回復(fù)NACK，此時(shí)會(huì)導(dǎo)致發(fā)送返回BUSY。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的USB CDC从理论到实践的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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