STM32 USBH CDC开发及应用

USB，是英文 Universal Serial BUS （通用串行总线）的缩写，其是一个外部总线标准，用于规范USB主机与外部设备的连接和通讯。由于项目需要，需要开发基于STM32 USB主机（HOST）的CDC的开发，用于编队表演系统中底座跟无人机间的数据交互，同时通过usb接口给无人机充电。
在做usb主机开发之前，我们需要先了解一个概念，USB 设备是被动触发，USB主机掌握主动权，发送什么数据，什么时候发送，是给设备发送数据还是从设备请求数据，都是由USB主机完成的，USB设备只是配合主机完成设备的枚举、数据方向和大小。根据数据特性再决定该不该回复该如何回复、该不该接收该如何接收这些动作。
开发过程：
1.从ST官方提供的USB库将USB主机（HOST）库及CDC类代码加入到自己的工程中。
2.根据USB硬件修改usbh_conf中的初始化代码。
3.根据自己应用编写应用代码，由于开发是基于rtthread系统开发的，可以将usb当做一个serial设备，利用rtthread系统设备操作，实现应用与底层软件分离。
思路：
a:实现serial设备的操作方法，利用ringbuffer功能，将usb设备发送数据先写入到ringbuffer中，然后usb处理线程从ringbuffer中获取数据发送数据，实现与应用分离。usb数据接收到的数据写入serial封装的ringbuffer中。
usb数据发送操作封装:

static 	uint32_t usbh_vcp_send(uint8_t * Buf, uint32_t Len)
	{
		uint32_t len = 0;
		if(usbh_vcp_ringbuffer.buffer_ptr != RT_NULL)
		{
			len = rt_ringbuffer_put_force(&usbh_vcp_ringbuffer, Buf, Len);
		}
		return len;
	}
	
	uint32_t copy_data_to_usbh(uint8_t *usbh_buf, uint32_t size)
	{
		uint32_t len = 0;
		if(usbh_vcp_ringbuffer.buffer_ptr != RT_NULL)
		{
			len = rt_ringbuffer_get(&usbh_vcp_ringbuffer, usbh_buf, size);
		}
		return len;
	}
static int usbh_vcp_putc(struct rt_serial_device * serial, char c)
	{
		return usbh_vcp_send((uint8_t *) &c, 1);
	}

usb数据接收操作封装：

在这里插入代码片
uint32_t usbh_vcp_recv(uint8_t * Buf, uint32_t Len)
	{
		uint32_t size = 0;
		if(usbh_vcom_serial.serial_rx != RT_NULL)
		{
			size = rt_ringbuffer_put_force(& ((struct rt_serial_rx_virtual *) (usbh_vcom_serial.serial_rx))->ringbuffer, Buf,Len);
			rt_hw_serial_isr(&usbh_vcom_serial, RT_SERIAL_EVENT_RX_VIRTUALDONE);
		}
		return size;
	}
static rt_err_t usbh_vcp_configure(struct rt_serial_device * serial, struct serial_configure * cfg)
	{
		return RT_EOK;
	}

static rt_err_t usbh_vcp_control(struct rt_serial_device * serial, int cmd, void * arg)
	{
		return RT_EOK;
	}	static int usbh_vcp_getc(struct rt_serial_device * serial)
	{
		int result = -1;
		rt_uint8_t ch;
		if(serial->serial_rx != RT_NULL)
		{
			if(rt_ringbuffer_getchar(& ((struct rt_serial_rx_virtual *) (serial->serial_rx))->ringbuffer, &ch) != 0)
			{
				result  = ch;
			}
		}
		return result;
	}

rt_inline rt_size_t usbh_vcp_transmit(struct rt_serial_device *serial, rt_uint8_t *buf, rt_size_t size, int direction)
	{
		rt_size_t ret = 0;
		RT_ASSERT(serial != RT_NULL);
		if(direction == RT_SERIAL_VIRTUAL_TX)
		{
			return usbh_vcp_send(buf, size);
		}
		else if(direction == RT_SERIAL_VIRTUAL_RX)
		{
			if(serial->serial_rx != RT_NULL)
			{
				ret = rt_ringbuffer_get(&((struct rt_serial_rx_virtual *) (serial->serial_rx))->ringbuffer, (rt_uint8_t *) buf, size);
			}
		}
		return ret;
	}
static const struct rt_uart_ops usbh_vcp_ops =
{
	usbh_vcp_configure, 
	usbh_vcp_control, 
	usbh_vcp_putc, 
	usbh_vcp_getc, 
	usbh_vcp_transmit, 
};

b:为usb发送申请ringbuffer，注册usb serial设备

struct serial_configure config = RT_SERIAL_CONFIG_DEFAULT2;
if(usbh_vcp_send_buffer == RT_NULL)
{
	usbh_vcp_send_buffer = (uint8_t *)rt_malloc(TX_RINGBUFFER_SIZE);
	if(usbh_vcp_send_buffer != RT_NULL)
	{
		rt_ringbuffer_init(&usbh_vcp_ringbuffer, usbh_vcp_send_buffer, TX_RINGBUFFER_SIZE);
		}
	else
	{
		rt_kprintf("[usbh] malloc vcp tx_buffer failed\r\n");
	}
}
	
	/* init usbh_cdc_serial */
    usbh_vcom_serial.ops = &usbh_vcp_ops;
    usbh_vcom_serial.config = config;
	/* register virtual serial device */
    if(rt_hw_serial_register(&usbh_vcom_serial, "usbh_vcp", RT_DEVICE_FLAG_RDWR | RT_DEVICE_FLAG_VIRTUAL_RX | RT_DEVICE_FLAG_VIRTUAL_TX, 0) == RT_EOK)
    {
        rt_kprintf("[usbh] usbh_vcom port registered.\n");
    }

c：初始化usbh，添加接口类，启动usb

	/* Init Host Library */
	USBH_Init(&usbh_cdc, USBH_UserProcess, 0);
	/* Add Supported Class */
	USBH_RegisterClass(&usbh_cdc, USBH_CDC_CLASS);
	/* Start Host Process */
	USBH_Start(&usbh_cdc);

d：修改cdc类发送接收

	extern uint32_t copy_data_to_usbh(uint8_t *usbh_buf, uint32_t size);
	static void CDC_ProcessTransmission(USBH_HandleTypeDef *phost)
	{
	  CDC_HandleTypeDef *CDC_Handle = (CDC_HandleTypeDef*) phost->pActiveClass->pData;
	  USBH_URBStateTypeDef URB_Status = USBH_URB_IDLE;
	  static uint32_t send_len = 0;
	  switch (CDC_Handle->data_tx_state)
	  {
	  case CDC_SEND_DATA:
		  //从缓冲区拿数据（最大为端点数据输出大小），如果有数据则发送数据
		if((URB_Status == USBH_URB_IDLE) || (URB_Status == USBH_URB_DONE))
		{
			send_len = copy_data_to_usbh(CDC_Handle->pTxData, CDC_Handle->DataItf.OutEpSize);
		}
		if(send_len > 0)
		{
			USBH_BulkSendData(phost,CDC_Handle->pTxData, send_len, CDC_Handle->DataItf.OutPipe, 1U);
			CDC_Handle->data_tx_state = CDC_SEND_DATA_WAIT;
		}
		break;

	  case CDC_SEND_DATA_WAIT:

		URB_Status = USBH_LL_GetURBState(phost, CDC_Handle->DataItf.OutPipe);

		/* Check the status done for transmission */
		if (URB_Status == USBH_URB_DONE)
		{
			CDC_Handle->data_tx_state = CDC_SEND_DATA;
		}
		else
		{
		  if (URB_Status == USBH_URB_NOTREADY)
		  {
			 CDC_Handle->data_tx_state = CDC_SEND_DATA;
		  }
		}
		break;
	  default:
		break;
	  }
	}
	
	extern uint32_t usbh_vcp_send(uint8_t * Buf, uint32_t Len);
	extern uint32_t usbh_vcp_recv(uint8_t * Buf, uint32_t Len);
	static void CDC_ProcessReception(USBH_HandleTypeDef *phost)
	{
	  CDC_HandleTypeDef *CDC_Handle =  (CDC_HandleTypeDef*) phost->pActiveClass->pData;
	  USBH_URBStateTypeDef URB_Status = USBH_URB_IDLE;
	  uint32_t length;

	  switch(CDC_Handle->data_rx_state)
	  {

	  case CDC_RECEIVE_DATA:

		USBH_BulkReceiveData (phost,
							  CDC_Handle->pRxData,
							  CDC_Handle->DataItf.InEpSize,
							  CDC_Handle->DataItf.InPipe);

		CDC_Handle->data_rx_state = CDC_RECEIVE_DATA_WAIT;

		break;

	  case CDC_RECEIVE_DATA_WAIT:

		URB_Status = USBH_LL_GetURBState(phost, CDC_Handle->DataItf.InPipe);

		/*Check the status done for reception*/
		if(URB_Status == USBH_URB_DONE)
		{
		  length = USBH_LL_GetLastXferSize(phost, CDC_Handle->DataItf.InPipe);
		  if(length > 0)
		  {
			usbh_vcp_recv(CDC_Handle->pRxData, length);
		  }
		  CDC_Handle->data_rx_state = CDC_RECEIVE_DATA;
		}
		break;
	  default:
		break;
	  }
	}

e：usbh识别device及数据处理

while (1)
{
	/* USB Host Background task */
	USBH_Process(&usbh_cdc);
	rt_thread_delay(10);
}

e：利用rtthread系统系统的设备操作操作函数进行具体应用通讯。操作函数有：

rt_thread_find(.....)
rt_thread_read(.....)
rt_thread_write(.....)

进行stm32 usbh移植修改后，我们来了解一下usb主机识别usb设备过程
1：usbh等待设备连接中断，当设备接入中断产生，延迟200ms发送复位信号到usb设备。
2：等待usbh端口使能中断发生，当端口使能后，延迟获取从设备通讯速度，为端点0申请pipe，打开端点0的发送接收pipe，进入枚举状态。
3：枚举过程：
a:usbh通过端点0获取设备描述符前8字节数据，拿到端点0的最大传输包大小，修改端点0的发送接收pipe信息。
b:获取usb设备的全部描述信息，然后解析描述符内容。
c:设置从机的通讯地址，修改端点0的地址pipe信息。
d:获取配置描述前9字节的数据，拿到配置描述长度及配置描述符中支持的接口数。
f:获取全部配置描述符，解析数据得到接口描述符及端点描述符信息。
g:若有厂商，产品，序列号信息，则获取相对应的信息。
4：进入主机配置状态，发送设备配置信息到从设备。
5：设置usb设备属性。
6：校验usb接口类型，如果是注册的usb类，则初始化接口，打开通讯接口（通讯端点）及数据接口（数据输入输出端点）
7：发送类请求，处理接口类数据。

开发中遇到的疑问。
1.USB设备如何向USB主机发送数据？
理解：USB设备在主动发送给USB主机时，需要USB主机先发送一个IN令牌包，然后USB设备自动把之前保存在IN端点缓存区的数据发送给USB主机，然后USB主机再返回ACK；

问题：例如在USB转串口这类USB中，USB设备串口中断接收到数据，然后主动发送给USB主机，通讯过程是怎样的？IN令牌包是如何获取的？（主机怎么知道设备端写了数据，然后就下发IN包？）

答：host并不知道device上是不是有了数据，host发in包，是因为host上有程序在读设备。也就是说主机是间隔发送IN包（相当于轮询），主机根据设备的返回信号（NCK、STALL、DATAx）来确定接下来的动作，如果是DATA，就表示有数据，那么host的协议栈和OS会将数据传递给对应的app，表现出来就是程序调用的read读到了数据。如果是NAK，host会继续发in，app继续阻塞。如果是STALL，host会对app返回一个错误。

2.设备向EP缓冲写数据时，是要判断之前的数据是否已经被取走了的。只有主机下发了IN令牌，设备才能提交EP缓冲数据给HOST。

问题1：在低速与全速设备中，SOF每1ms发送一次，看了一些资料上面说的是用于同步；
疑惑点：SOF用于同步什么东西？SOF起到的作用是什么？SOF跟发送IN、OUT等指令有啥联系吗？

答：SOF目的是device和host之间的时间同步，如果你的USB设备里面没有用到同步传输和中断传输，可以忽略SOF。HOST广播发送SOF，挂起状态没有SOF。设备挂起由HOST控制，HOST停止给DEVICE发送SOF，3ms后设备就认为是挂起请求，进入挂起状态，设备不可自行进入挂起状态。

问题2：主机需要读数据的时候，会向设备发送IN指令，然后开始传输数据，
疑惑点：IN指令是什么时候发的？还是主机固定周期发？周期是SOF的1ms吗？
例如：设备有数据要发送，但是主机没有发送IN指令给设备。

答：每1ms称为一个Frame，其中INT，ISO，CTRL，BULK四种传输类型会有一个先后优先次序。1ms内可以发出很多个BULK端点的IN令牌。如果DEVICE要发送数据，必须等到IN令牌来了才能发出，否则不可以发出。可以理解为是HOST轮询收发的

STM32_usb_cdc开发问题
问题：CDC类开发时，无法从设备端向主机端发送64整数倍数据，最本质的原因就是，当发送数据长度恰好是DataIn端点的最大包长整数倍时，最后一包数据必须是零长度的数据包（ZLP）。这是由于在USB标准中，接收端并不是通过已经接收的数据长度来判断是否接收完成，且发送端也并没有给出将要发送多长的数据，因此，接收端在接收数据前，并不知道将要接收的数据是多少，那么，问题就来了，接收端又是如何判断当前的数据已经全部接收了呢？

分析：
1：若接收到的数据包长不足最大包长时，则认为当前传输完成
2：如接收到的数据包长为零时，则认为当前传输完成。
3：正式由于上述两种判断，当传输的数据刚好是端点的最大包长时，当发送完最后一包（比如64个字节）时，接收端无法判断是否传输结束，进而继续等待下一包数据。这个就是问题本质所在。

解决：
1：总的原则就是，在发送完最后一包数据后，判断发送的包长是否为端点最大包长的整数倍，如是，则补发一个零长度的数据包（ZLP）。

STM32_USB数据发送流程分析
在对USB CDC协议栈进行修改之前，我们先来梳理下USB发送的流程。
发送USB数据大概过程如下：
1: 填写DIEPTSIZ寄存器的发送包数(pakage count)和传输大小(transfer size)。
2: 使能发送端点的发送空中断(DIEPEMPMSK,利用发送空中断TXFE来将发送数据填充到DFIFO)。
3: 使能中断。
4：后续就是中断的事了。

后续将会有3次中断：
1> USB_OTG_DIEPINT_TXFE中断:在此中断处理中，程序将发送缓冲的数据分包填充到DFIFO（不能超过最大包长，只有最后一包数据才有可能小于最大包长）。
2> USB_OTG_DIEPINT_TXFE中断: 还是TXFE中断，上次TXFE填充的发送数据全部发送完了后，最终还是会继续触发TXFE中断，也就是这次中断，在这次FXFE中断中禁止FXFE。也就是说，后续不会再有TXFE中断，除非再次使能。
3> USB_OTG_DIEPINT_XFRC中断： 传输完成中断，表示到这次中断为止，传输完成。在这个中断中将回调HAL_PCD_DataInStageCallback()函数，就相当于发送中断一样。
这就是USB device cdc数据发送的流程，这里需要注意地是，对于端点0和非端点0来说，在具体流程实现上还是稍微有所差异的。究其原因，主要是端点0和非端点0的DIEPTSIZ寄存器的包大小和传输大小位宽是不一样的。

项目中遇到的问题：
1：当usb主机向从设备拿数据时，从设备没有数据，返回NAK给usb主机，usb主机会重新使能通道，再次发送IN牌包到usb设备，usb设备没有数据，仍然返回NAK给主机，一致循环下去，导致主机从机CPU占用率过高，导致很多任务无法运行。
调试现象：usb主机会一直进入到接收fifo非空中断，然而从fifo中又拿不到数据，信息是通道中断，usbh然后进入输入端点中断，处理NAK及HHC中断，不更改程序会发现进入fifo非空跟输入端点中断比较频繁。cpu一直处理中断，导致没时间处理其他任务。
解决思路：当usb主机收到NAK数据后，禁止通道接收发送，延迟后再开启通道接收发送使能，使得usb主机再次发送IN令牌包。
解决方法：
当收到通道停止中断后，并且状态是NAK状态，则不使能通道接收发送,通过sof中断定时使