(请保留-> 作者: 罗冰 https://blog.csdn.net/luobing4365)
YIE002开发探索之USB（HID双向通信）
编写《UEFI编程实践》的时候，为了演示如何在UEFI下访问USB HID设备，我使用了正点原子的探索者F4开发板，做了一个双向通信的HID设备。随后考虑到版权问题，觉得还是不要放到书中较好。
毕竟书是需要出版的，而探索者F4的HID代码是在正点原子的USB代码上修改的。因此自己弄了个YIE002开发板，重新做了个HID设备。
以上的过程，在UEFI开发探索的系列博客中都写过，相关的代码也贴出过。
本篇所做的工作，是使用STM32 Cube MX重写USB代码，实现双向通信的HID设备。
1 YIE002上的USB
YIE002上使用的主芯片为STM32F103C8T6，它自带了USB，不过只能用作设备，不能作为主机使用。
USB 发展到现在已经有 USB1.0/1.1/2.0/3.0/4.0 等多个版本。目前用的最多的就是 USB1.1 （比如大部分的USB键鼠）和USB2.0、 USB3.0。实际上USB2.0也基本上接近淘汰，常见的USB设备基本都是USB3.0设备了。STM32F103 自带的 USB 符合 USB2.0 规范。
STM32F103的单片机自带USB从控制器，PC主机和单片机在传输时，是通过共享一个专用的数据缓冲区来完成的。缓冲区的大小由所用的端到数目和每个端到最大的数据分组决定，每个端点最大可使用512字节缓冲区，最多可用于16个单向或8个双向端点。
USB 模块同 PC 主机通信，根据 USB 规范实现令牌分组的检测，数据发送/接收的处理，和握手分组的处理。整个传输的格式由硬件完成，其中包括 CRC 的生成和校验。每个端点都有一个缓冲区描述块，描述该端点使用的缓冲区地址、大小和需要传输的字节数。
USB 的中断映射单元：将可能产生中断的 USB 事件映射到三个不同的 NVIC 请求线上：
1） 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)。固件在处理中断前应当首先确定中断源；
2）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；
3）USB 唤醒中断(通道 42)：由 USB 挂起模式的唤醒事件触发。
如图1所示，给出了USB设备框图。
图1 USB设备框图
在之前UEFI开发探索的系列博客中，对USB相关的知识介绍很多了，具体可以参考UEFI开发探索的81至85篇。其中也描述了如何在STM32提供的官方示例上，使用Legacy Library编写HID设备的过程。
UEFI开发探索85中，谈到了ST官方提供的USB开发库。对于STM32F1系列的单片机，也提供了相应的USB的Cube Library。之前几篇开发的例程中，在查看STM32CubeF1库代码的时，也能看到对应的支持USB部分的代码。
下面开始进入实现USB HID双向通信设备的实践部分。
2 YIE002-STM32的USB编程（HID双向通信）
与UEFI开发探索85篇一样，我们准备实现对应三种通信方式的HID设备，也即对应上位机的下述三种通信方式：
1） 读文件和写文件的方式（Windows系统上是ReadFile()和WriteFile()；Linux上为hid_read()和hid_write()）；
2） Input Report和Output Report的方式；
3） Feature Report的方式。
实际编程过程如下。
2.1 USB HID的Cube MX图形配置
首先在Pinout&Configuration栏的Connectivity下的USB项中，勾选“Device(FS)”选择框，打开对USB全速设备的支持。
然后在Middleware下的USB_DEVICE项中，修改对应的选项值。如图2所示。
图2 设置USB HID
选择USB设备为“Custom Human Interface Device Class(HID)”，再对参数设置和设备描述符相应的项进行修改。我所设置的报表描述符为33字节，PC主机和HID设备传输数据包设置为16字节，可以根据自己的需求修改这些值。
最后对时钟树进行调整，USB的时钟频率为48MHz，如图3所示。
图3 设置USB时钟频率
完成上述工作后，点击GENERATE CODE按钮，生成代码。
2.2 添加应用代码
编写代码的步骤如下。
1）添加报表描述符，修改传输数据包大小
在源文件usbd_custom_hid_if.c中，修改报表描述符如下：
/** Usb HID report descriptor. */
__ALIGN_BEGIN static uint8_t CUSTOM_HID_ReportDesc_FS[USBD_CUSTOM_HID_REPORT_DESC_SIZE] __ALIGN_END =
{
// /* USER CODE BEGIN 0 */
// 0x00,
// /* USER CODE END 0 */
// 0xC0 /* END_COLLECTION */
0x05, 0x01, // USAGE_PAGE (Generic Desktop)
0x09, 0x00, // USAGE (0)
//这是一个主条目（bType为0）条目，开集合，后面跟的数据0x01表示
//该集合是一个应用集合。它的性质在前面由用途页和用途定义为
//用户自定义。
0xa1, 0x01, // COLLECTION (Application)
//这是一个全局条目，说明逻辑值最小值为0。
0x15, 0x00, // LOGICAL_MINIMUM (0)
//这是一个全局条目，说明逻辑值最大为255。
0x25, 0xff, // LOGICAL_MAXIMUM (255)
//这是一个局部条目，说明用途的最小值为1。
0x19, 0x01, // USAGE_MINIMUM (1)
//这是一个局部条目，说明用途的最大值64。
0x29, 0x10, // USAGE_MAXIMUM (16)
//这是一个全局条目，说明数据域的数量为16个。
0x95, 0x10, // REPORT_COUNT (16)
//这是一个全局条目，说明每个数据域的长度为8bit，即1字节。
0x75, 0x08, // REPORT_SIZE (8)
//这是一个主条目，说明有8个长度为8bit的数据域做为输入。
0x81, 0x02, // INPUT (Data,Var,Abs)
//这是一个局部条目，说明用途的最小值为1。
0x19, 0x01, // USAGE_MINIMUM (1)
//这是一个局部条目，说明用途的最大值64。
0x29, 0x10, // USAGE_MAXIMUM (16)
//这是一个主条目。定义输出数据（16字节，注意前面的全局条目）。
0x91, 0x02, // OUTPUT (Data,Var,Abs)
0x19, 0x01, // USAGE_MINIMUM (1)
0x29, 0x10, // USAGE_MAXIMUM (16)
0xB1, 0x02, // Feature(Data, Variable, Absolute)
//下面这个主条目用来关闭前面的集合。bSize为0，所以后面没数据。
0xc0 // END_COLLECTION
};
修改头文件usbd_customhid.h中对应传输数据包的大小：
#define CUSTOM_HID_EPIN_ADDR 0x81U
//#define CUSTOM_HID_EPIN_SIZE 0x02U
#define CUSTOM_HID_EPIN_SIZE 0x10U //robin 20210813 修改
#define CUSTOM_HID_EPOUT_ADDR 0x01U
//#define CUSTOM_HID_EPOUT_SIZE 0x02U
#define CUSTOM_HID_EPOUT_SIZE 0x10U //robin 20210813 修改
2）添加USB通信所需要的全局变量
在main.c中，添加对头文件usbd_customhid.h的包含，后续需要用到相关的函数。并在main.c的USER CODE BEGIN 0处，添加USB通信所需要的全局变量。
//USB通讯所用到的全局变量
uint8_t USBdataFlag=0;
uint8_t USBRxBuff[USBD_CUSTOMHID_OUTREPORT_BUF_SIZE];
uint8_t Report_InOut_Flag=0; //Robin: Input报告和Output报告标志
uint8_t Report_Feature_Flag=0;//Robin: Feature报告标志
extern USBD_HandleTypeDef hUsbDeviceFS;
3）读文件和写文件的方式
修改源文件usbd_custom_hid_if.c中的函数CUSTOM_HID_OutEvent_FS()，内容如下：
extern uint8_t USBdataFlag;
extern uint8_t USBRxBuff[16];
/**
* @brief Manage the CUSTOM HID class events
* @param event_idx: Event index
* @param state: Event state
* @retval USBD_OK if all operations are OK else USBD_FAIL
*/
static int8_t CUSTOM_HID_OutEvent_FS(uint8_t event_idx, uint8_t state)
{
/* USER CODE BEGIN 6 */
//robin 20210814
uint16_t i;
USBD_CUSTOM_HID_HandleTypeDef *hhid;
hhid = (USBD_CUSTOM_HID_HandleTypeDef*)hUsbDeviceFS.pClassData;
USBdataFlag=1;
for(i=0;i<16;i++)
USBRxBuff[i] = hhid->Report_buf[i];
return (USBD_OK);
/* USER CODE END 6 */
}
以上是对上位机发送数据的接收，下面实现设备对主机发送数据的功能。在主程序main()中添加如下代码：
if(USBdataFlag == 1)
{
USBdataFlag=0;
USBRxBuff[0]=0x11;
USBD_CUSTOM_HID_SendReport(&hUsbDeviceFS,USBRxBuff,USBD_CUSTOMHID_OUTREPORT_BUF_SIZE);
}
USBD_CUSTOMHID_OUTREPORT_BUF_SIZE是在图形界面中设定的传输数据包大小，也即16，它定义在usbd_conf.h中。
这就实现了对应上位机读文件和写文件的方式。
4）Input Report&Output Report的方式，以及Feature Report方式
Cube Library中没有提供相应的接口，这部分的代码实现，必须去修改原始的类命令处理。在usbd_customhid.c中，修改函数USBD_CUSTOM_HID_Setup()，内容如下：
extern uint8_t USBdataFlag;
extern uint8_t USBRxBuff[16];
extern uint8_t Report_InOut_Flag; //Robin: Input报告和Output报告标志
extern uint8_t Report_Feature_Flag;//Robin: Feature报告标志
static uint8_t USBD_CUSTOM_HID_Setup(USBD_HandleTypeDef *pdev,
USBD_SetupReqTypedef *req)
{
//……前略
case CUSTOM_HID_REQ_SET_REPORT:
//robin add for in/out/feature report
//类命令的wValue高字节，1-Input Report; 2-Output Report; 3-Feature Report
if(((req->wValue)&0xff00) == 0x0200)
Report_InOut_Flag=1;
else if(((req->wValue)&0xff00) == 0x0300)
Report_Feature_Flag=1;
hhid->IsReportAvailable = 1U;
USBD_CtlPrepareRx(pdev, hhid->Report_buf, req->wLength);
break;
case CUSTOM_HID_REQ_GET_REPORT: //robin 20210815
if(((req->wValue)&0xff00) == 0x0100)
{
Report_InOut_Flag=0;
for(uint8_t i=0;i<USBD_CUSTOMHID_OUTREPORT_BUF_SIZE;i++)
USBRxBuff[i] = hhid->Report_buf[i];
USBRxBuff[0] = 0x22;
}
else if(((req->wValue)&0xff00) == 0x0300)
{
Report_Feature_Flag=0;
for(uint8_t i=0;i<USBD_CUSTOMHID_OUTREPORT_BUF_SIZE;i++)
USBRxBuff[i] = hhid->Report_buf[i];
USBRxBuff[0] = 0x33;
}
USBD_CtlSendData (pdev, (uint8_t *)&USBRxBuff, USBD_CUSTOMHID_OUTREPORT_BUF_SIZE); // to pc
break;
//……后略
}
也即对类命令SET_REPORT和GET_REPORT进行处理，并对发送过来的类命令进行了相应的分析，以对应不同的上位机访问方式。
具体细节就不一一分析了，可对照UEFI开发探索84篇中的类命令，对代码进行阅读。
至此，就完成了所有应用代码的编写了。
2.3 测试
将代码编译后，下载到YIE002开发板中。可使用之前我开发的HID通信的测试工具UsbHID进行测试（UEFI开发探索74篇附带的测试工具）。如图4所示。
图4 测试HID双向通信设备
完成了上述实验后，下一篇将使用现在的代码，构建一个随机数生成设备。