【GD32H757Z海棠派开发板使用手册】第十三讲 SDIO-SD卡读写实验

2024-06-07
【GD32H757Z海棠派开发板使用手册】第十三讲 SDIO-SD卡读写实验 (https://ic.work/) 技术资料 第1张


13.1



实验内容


通过本实验主要学习以下内容:

  • USB协议基本原理
  • GD32H7xx USBHS的使用
  • 虚拟键盘的协议原理及使用


13.2



实验原理


13.2.1


USB通信基础知识

USB的全称是Universal Serial Bus,通用串行总线。它的出现主要是为了简化个人计算机与外围设备的连接,增加易用性。USB支持热插拔,并且是即插即用的,另外,它还具有很强的可扩展性,传输速度也很快,这些特性使支持USB接口的电子设备更易用、更大众化。GD32H7系列MCU集成了USB2.0高速OTG模块。首先为大家介绍USB通信的一些基础知识,包括USB协议、枚举流程等,建议读者可以多多阅读USB协议,以更深入了解USB,USB官网链接如下,可参考:https://www.usb.org/


13.2.1.1


USB金字塔型拓扑结构

塔顶为USB主控制器和根集线器(Root Hub),下面接USB集线器(Hub),集线器将一个USB口扩展为多个USB口,USB2.0规定集线器的层数最多为6层,理论上一个USB主控制器最多可接127个设备,因为协议规定USB设备具有一个7 bit的地址(取值范围为0~127,而地址0是保留给未初始化的设备使用的)。

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13.2.1.2


NRZI编码

USB采用差分信号传输,使用的是如上图所示的NRZI编码方式:数据为0时,电平翻转;数据为1时,电平不翻转。如果出现6个连续的数据1,则插入一个数据0,强制电平翻转,以便时钟同步。上面的一条线表示的是原始数据序列,下面的一条线表示的是经过NRZI编码后的数据序列。

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13.2.1.3


USB数据协议

USB数据是由二进制数据串组成,首先由数据串构成包(packet),包再构成事务(transaction),事务最终构成传输(transfer)。

USB传输的最小单位为包,一个包被分成不同的域,根据不同类型的包,所包含的域是不一样的,但是不同的包有个共同的特点,就是以包起始(SOP)开始,之后是同步域(0x00000001),然后是包内容,最后以包结束符(EOP)结束这个包。PID为标识域,由四位标识符加4位标识符反码构成,表明包的类型和格式。根据PID的不同,USB协议中规定的包类型有令牌包、数据包、握手包和特殊包等。

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USB事务通常有两个或三个包组成:令牌包、数据包和握手包,令牌包用来启动一个事务,总是由主机发送;数据包用来传输数据;握手包由数据接收者进行发送,表明数据的接收情况。批量、同步和中断传输每次传输都是一个事务,控制传输包括三个阶段:建立过程、数据过程和状态过程。

针对不同的数据传输场景,USB分为四种数据传输模式,这四种传输模式分别由不同的包(packet)组成,并且有不同的数据处理策略。每种数据传输模式的流程示意图以及应用场景如下:

  • 控制传输一般用于命令和状态的传输,分为控制读、控制写和无数据控制传输。在设备枚举的过程中,采用控制传输方式进行数据传输。

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  • 批量传输分为批量读和批量写,用于数据量大、对实时性要求不高的场合,如U盘。

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  • 中断传输用于数据量小的场合,保证查询频率,如鼠标、键盘。

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  • 同步传输用于数据量大、同时对实时性要求较高的场合,如音视频。不保证数据完整性,没有ACK/NAK应答包,不进行数据重传。

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13.2.1.4


USB描述符

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  • 一个USB设备通常有一个或多个配置,但在同一时刻只能有一个配置;
  • 一个配置通常有一个或多个接口;
  • 一个接口通常有一个或多个端点;

在USB通信中,USB设备需要配置多个USB描述符用以枚举阶段将描述符返回给主机,用以主机的枚举以及识别。USB描述符包括设备描述符、配置描述符、接口描述符、端点描述符以及字符串描述符等。在GD32 USBD固件库中,针对各种描述符都按照USB协议定义了相关结构体,具体说明如下。

  • 设备描述符

每个设备必须有一个设备描述符,设备描述符提供了关于设备的配置、设备所归属的类、设备所遵循的协议代码、VID、PID等信息,其相关结构体定义如下。

C typedef struct _usb_desc_dev { usb_desc_header header; /*!< descriptor header, including type and size */ uint16_t bcdUSB; /*!< BCD of the supported USB specification */ uint8_t bDeviceClass; /*!< USB device class */ uint8_t bDeviceSubClass; /*!< USB device subclass */ uint8_t bDeviceProtocol; /*!< USB device protocol */ uint8_t bMaxPacketSize0; /*!< size of the control (address 0) endpoint’s bank in bytes */ uint16_t idVendor; /*!< vendor ID for the USB product */ uint16_t idProduct; /*!< unique product ID for the USB product */ uint16_t bcdDevice; /*!< product release (version) number */ uint8_t iManufacturer; /*!< string index for the manufacturer’s name */ uint8_t iProduct; /*!< string index for the product name/details */ uint8_t iSerialNumber; /*!< string index for the product’s globally unique hexadecimal serial number */ uint8_t bNumberConfigurations; /*!< total number of configurations supported by the device */ } usb_desc_dev;

  • 配置描述符

每个USB设备都至少具有一个配置描述符,在设备描述符中规定了该设备有多少种配置,每种配置都有一个描述符,其相关结构体定义如下。

C typedef struct _usb_desc_config { usb_desc_header header; /*!< descriptor header, including type and size */ uint16_t wTotalLength; /*!< size of the configuration descriptor header,and all sub descriptors inside the configuration */ uint8_t bNumInterfaces; /*!< total number of interfaces in the configuration */ uint8_t bConfigurationValue; /*!< configuration index of the current configuration */ uint8_t iConfiguration; /*!< index of a string descriptor describing the configuration */ uint8_t bmAttributes; /*!< configuration attributes */ uint8_t bMaxPower; /*!< maximum power consumption of the device while in the current configuration */ } usb_desc_config;

  • 接口描述符

接口描述符用以描述接口信息,接口描述符不能单独返回,必须附着在配置描述符后一并返回,其相关结构体定义如下。

C typedef struct _usb_desc_itf { usb_desc_header header; /*!< descriptor header, including type and size */ uint8_t bInterfaceNumber; /*!< index of the interface in the current configuration */ uint8_t bAlternateSetting; /*!< alternate setting for the interface number */ uint8_t bNumEndpoints; /*!< total number of endpoints in the interface */ uint8_t bInterfaceClass; /*!< interface class ID */ uint8_t bInterfaceSubClass; /*!< interface subclass ID */ uint8_t bInterfaceProtocol; /*!< interface protocol ID */ uint8_t iInterface; /*!< index of the string descriptor describing the interface */ } usb_desc_itf;

  • 端点描述符

端点描述符用以描述端点信息,端点描述符不能单独返回,必须附着在配置描述符后一并返回,其相关结构体定义如下。

C typedef struct _usb_desc_ep { usb_desc_header header; /*!< descriptor header, including type and size. */ uint8_t bEndpointAddress; /*!< logical address of the endpoint */ uint8_t bmAttributes; /*!< endpoint attributes */ uint16_t wMaxPacketSize; /*!< size of the endpoint bank, in bytes */ uint8_t bInterval; /*!< polling interval in milliseconds for the endpoint if it is an INTERRUPT or ISOCHRONOUS type */ } usb_desc_ep;

  • 字符串描述符

字符串描述符可含有指向描述制造商、产品、序列号、配置和接口的字符串的索引。类和制造商专属描述符可含有指向额外字符串描述符的索引。对字符串描述符的支持是可选的,有些类可能会需要它们。

C typedef struct _usb_desc_str { usb_desc_header header; /*!< descriptor header, including type and size. */ uint16_t unicode_string[64]; /*!< unicode string data */ } usb_desc_str;


13.2.1.5


USB枚举过程

USB枚举实际上是host检测到device插入后,通过发送各种标准请求,请device返回各种USB描述符的过程。USB枚举的示意图如下:

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13.2.2


GD32 USBHS模块简介

GD32H7系列MCU提供了最多两个USB2.0高速USBHS接口模块,USBHS包含了一个内部的USB PHY,可以配置成全速或高速,并且不再需要外部PHY芯片。USBHS可以支持USB 2.0协议所定义的所有四种传输方式(控制传输、批量传输、中断传输和同步传输)。

USBHS主要特性如下:

n支持USB 2.0高速(480Mb/s)/全速(12Mb/s)/低速(1.5Mb/s)主机模式;

n支持USB 2.0高速(480Mb/s)/全速(12Mb/s)设备模式;

n支持遵循HNP(主机协商协议)和SRP(会话请求协议)的OTG协议;

n支持所有的4种传输方式:控制传输、批量传输、中断传输和同步传输;

n支持高带宽中断和同步传输;

n在主机模式下,包含USB事务调度器,用于有效地处理USB事务请求;

n包含一个4KB的FIFO RAM;

n在主机模式下,支持16个通道;

n在主机模式下,包含2个发送FIFO(周期性发送FIFO和非周期性发送FIFO)和1个接收

FIFO(由所有的通道共享);

n在设备模式下,包含8个发送FIFO(每个IN端点一个发送FIFO)和1个接收FIFO(由所有

的OUT端点共享);

n在主机模式下,若在高速模式下操作,支持PING协议;

n在设备模式下,支持8个OUT端点和8个IN端点;

n在设备模式下,支持远程唤醒功能;

n包含一个支持USB OTG协议的USB PHY;

n包含一个内部DMA调度器和引擎,每个应用请求都可在USBHS和系统之间执行数据拷贝;

n在主机模式下,SOF的时间间隔可动态调节;

n可将SOF脉冲输出到PAD;

n可检测ID引脚电平和VBUS电压;

n在主机模式或者OTG A设备模式下,需要外部部件为连接的USB设备提供电源;

n支持1.2版电池充电规范中描述的电池充电检测(BCD);

n支持2.0版USB OTG补充协议中描述的附加检测协议(ADP);

n支持USB 2.0链路层电源管理附录和USB2.0工程变更通知单勘误表中描述的链路电源管理(LPM)。

USBD模块框图如下所示,该系列有两个USB HS模块(USB_HS0和USB_HS1),均支持ULPI接口,允许外部HS收发器高速传输USB的数据。

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GD32H7 USBHS使用注意事项可通过以下文档学习:

https://www.gd32mcu.com/data/documents/applicationNote/AN117_GD32H7xx_USBHSshiyongzhuyishixiang_Rev1.0.pdf

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13.2.3


USBFS固件库说明

USBFS 固件库使用指南可以参考官网相关文档,下载地址如下:https://www.gd32mcu.com/data/documents/userManual/AN050_GD32_USBFS_USBHS_Firmware_Library_User_Guide_Rev1.0_CN.pdf

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13.3



硬件设计

GD32H757海棠派开发板的USB通信接口选择的是目前较为通用的Type C接口,读者手中的用于手机充电的Type C通信线即可使用。

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13.4



代码解析

本例程主要实现通过按键向PC发送键值的现象,实现模拟键盘的效果。

本例程主函数如下所示。


C


int main(void)

{

driver_init(); /* 延时和公共驱动部分初始化 */

bsp_uart_init(&BOARD_UART); /* 打印串口初始化 */

bsp_led_group_init(); /* 初始化LED组 */

#ifdef USE_ULPI_PHY

usb_gpio_config();

#endif /* USE_ULPI_PHY */

usb_rcu_config();

usb_timer_init();

hid_itfop_register (&hid_keyboard, &fop_handler);

#ifdef USE_USBHS0

#ifdef USE_USB_FS

usb_para_init (&hid_keyboard, USBHS0, USB_SPEED_FULL);

#endif

#ifdef USE_USB_HS

usb_para_init (&hid_keyboard, USBHS0, USB_SPEED_HIGH);

#endif

#endif /* USE_USBHS0 */

#ifdef USE_USBHS1

#ifdef USE_USB_FS

usb_para_init (&hid_keyboard, USBHS1, USB_SPEED_FULL);

#endif

#ifdef USE_USB_HS

usb_para_init (&hid_keyboard, USBHS1, USB_SPEED_HIGH);

#endif

#endif /* USE_USBHS1 */

usbd_init (&hid_keyboard, &hid_desc, &usbd_hid_cb);

#ifdef USE_USB_HS

#ifndef USE_ULPI_PHY

#ifdef USE_USBHS0

pllusb_rcu_config(USBHS0);

#elif defined USE_USBHS1

pllusb_rcu_config(USBHS1);

#else

#endif

#endif /* !USE_ULPI_PHY */

#endif /* USE_USB_HS */

usb_intr_config();

/* check if USB device is enumerated successfully */

while (USBD_CONFIGURED != hid_keyboard.dev.cur_status) {

}

while (1) {

fop_handler.hid_itf_data_process(&hid_keyboard);

}

}


C


void usb_rcu_config(void)

{

pmu_usb_regulator_enable();

pmu_usb_voltage_detector_enable();

while (pmu_flag_get(PMU_FLAG_USB33RF) != SET) {

}

#ifdef USE_USB_FS

#ifndef USE_IRC48M

#ifdef USE_USBHS0

rcu_usb48m_clock_config(IDX_USBHS0, RCU_USB48MSRC_PLL0R);

#endif /* USE_USBHS0 */

#ifdef USE_USBHS1

rcu_usb48m_clock_config(IDX_USBHS1, RCU_USB48MSRC_PLL0R);

#endif /* USE_USBHS1 */

#else

/* enable IRC48M clock */

rcu_osci_on(RCU_IRC48M);

/* wait till IRC48M is ready */

while (SUCCESS != rcu_osci_stab_wait(RCU_IRC48M)) {

}

#ifdef USE_USBHS0

rcu_usb48m_clock_config(IDX_USBHS0, RCU_USB48MSRC_IRC48M);

#endif /* USE_USBHS0 */

#ifdef USE_USBHS1

rcu_usb48m_clock_config(IDX_USBHS1, RCU_USB48MSRC_IRC48M);

#endif /* USE_USBHS1 */

#endif /* USE_IRC48M */

#endif /* USE_USB_FS */

#ifdef USE_USBHS0

rcu_periph_clock_enable(RCU_USBHS0);

#endif /* USE_USBHS0 */

#ifdef USE_USBHS1

rcu_periph_clock_enable(RCU_USBHS1);

#endif /* USE_USBHS1 */

#ifdef USE_ULPI_PHY

#ifdef USE_USBHS0

rcu_periph_clock_enable(RCU_USBHS0ULPI);

#endif

#ifdef USE_USBHS1

rcu_periph_clock_enable(RCU_USBHS1ULPI);

#endif

#endif /* USE_ULPI_PHY */

}

rcu的配置如下,主要用于配置USB时钟,USB需要一个稳定的48M时钟,历程中根据相关宏定义开关进行选择配置。


C


void usb_rcu_config(void)

{

pmu_usb_regulator_enable();

pmu_usb_voltage_detector_enable();

while (pmu_flag_get(PMU_FLAG_USB33RF) != SET) {

}

#ifdef USE_USB_FS

#ifndef USE_IRC48M

#ifdef USE_USBHS0

rcu_usb48m_clock_config(IDX_USBHS0, RCU_USB48MSRC_PLL0R);

#endif /* USE_USBHS0 */

#ifdef USE_USBHS1

rcu_usb48m_clock_config(IDX_USBHS1, RCU_USB48MSRC_PLL0R);

#endif /* USE_USBHS1 */

#else

/* enable IRC48M clock */

rcu_osci_on(RCU_IRC48M);

/* wait till IRC48M is ready */

while (SUCCESS != rcu_osci_stab_wait(RCU_IRC48M)) {

}

#ifdef USE_USBHS0

rcu_usb48m_clock_config(IDX_USBHS0, RCU_USB48MSRC_IRC48M);

#endif /* USE_USBHS0 */

#ifdef USE_USBHS1

rcu_usb48m_clock_config(IDX_USBHS1, RCU_USB48MSRC_IRC48M);

#endif /* USE_USBHS1 */

#endif /* USE_IRC48M */

#endif /* USE_USB_FS */

#ifdef USE_USBHS0

rcu_periph_clock_enable(RCU_USBHS0);

#endif /* USE_USBHS0 */

#ifdef USE_USBHS1

rcu_periph_clock_enable(RCU_USBHS1);

#endif /* USE_USBHS1 */

#ifdef USE_ULPI_PHY

#ifdef USE_USBHS0

rcu_periph_clock_enable(RCU_USBHS0ULPI);

#endif

#ifdef USE_USBHS1

rcu_periph_clock_enable(RCU_USBHS1ULPI);

#endif

#endif /* USE_ULPI_PHY */

}

Usb timer的配置如下,主要用于延迟。


C


void usb_timer_init (void)

{

/* configure the priority group to 2 bits */

nvic_priority_group_set(NVIC_PRIGROUP_PRE2_SUB2);

/* enable the TIM2 global interrupt */

nvic_irq_enable((uint8_t)TIMER2_IRQn, 1U, 0U);

rcu_periph_clock_enable(RCU_TIMER2);

}

注册HID接口操作函数如下所示。在该代码清单中,注册了HID接口操作的配置以及数据处理函数句柄,用于后续函数调用。


C


uint8_t hid_itfop_register(usb_dev *udev, hid_fop_handler *hid_fop)

{

if(NULL != hid_fop) {

udev->dev.user_data = (void *)hid_fop;

return USBD_OK;

}

return USBD_FAIL;

}

USBD内核初始化函数如下所示。在该代码清单中,首先配置设备类callback函数,之后创建字符串,配置USB以及初始化USB内核,断开USB连接,初始化USB设备模式,之后设置USB连接,将USB连接状态配置为DEFAULT默认状态,启动状态机。


C


void usbd_init(usb_core_driver *udev, usb_desc *desc, usb_class_core *class_core)

{

udev->dev.desc = desc;

/* class callbacks */

udev->dev.class_core = class_core;

/* create serial string */

serial_string_get(udev->dev.desc->strings[STR_IDX_SERIAL]);

/* configure USB capabilities */

(void)usb_basic_init(&udev->bp, &udev->regs);

/* initializes the USB core*/

(void)usb_core_init(udev->bp, &udev->regs);

/* set device disconnect */

usbd_disconnect(udev);

/* initializes device mode */

(void)usb_devcore_init(udev);

/* set device connect */

usbd_connect(udev);

udev->dev.cur_status = (uint8_t)USBD_DEFAULT;

}

配置USB中断函数如下。


C


void usb_intr_config(void)

{

nvic_priority_group_set(NVIC_PRIGROUP_PRE2_SUB2);

#ifdef USE_USBHS0

nvic_irq_enable((uint8_t)USBHS0_IRQn, 3U, 0U);

#endif /* USE_USBHS0 */

#ifdef USE_USBHS1

nvic_irq_enable((uint8_t)USBHS1_IRQn, 3U, 0U);

#endif /* USE_USBHS0 */

/* enable the power module clock */

rcu_periph_clock_enable(RCU_PMU);

#ifdef USE_USBHS0

/* USB wakeup EXTI line configuration */

exti_interrupt_flag_clear(EXTI_31);

exti_init(EXTI_31, EXTI_INTERRUPT, EXTI_TRIG_RISING);

exti_interrupt_enable(EXTI_31);

nvic_irq_enable((uint8_t)USBHS0_WKUP_IRQn, 1U, 0U);

#endif /* USE_USBHS0 */

#ifdef USE_USBHS1

/* USB wakeup EXTI line configuration */

exti_interrupt_flag_clear(EXTI_32);

exti_init(EXTI_32, EXTI_INTERRUPT, EXTI_TRIG_RISING);

exti_interrupt_enable(EXTI_32);

nvic_irq_enable((uint8_t)USBHS1_WKUP_IRQn, 1U, 0U);

#endif /* USE_USBHS1 */

#ifdef USB_DEDICATED_EP1_ENABLED

#ifdef USE_USBHS0

nvic_irq_enable((uint8_t)USBHS0_EP1_OUT_IRQn, 1U, 0U);

nvic_irq_enable((uint8_t)USBHS0_EP1_IN_IRQn, 1U, 0U);

#endif /* USE_USBHS0 */

#ifdef USE_USBHS1

nvic_irq_enable((uint8_t)USBHS1_EP1_OUT_IRQn, 1U, 0U);

nvic_irq_enable((uint8_t)USBHS1_EP1_IN_IRQn, 1U, 0U);

#endif /* USE_USBHS1 */

#endif /* USB_DEDICATED_EP1_ENABLED */

}

内部上拉电阻被上拉后,主机将会对设备进行枚举,设备端采用while (USBD_CONFIGURED != hid_keyboard.dev.cur_status) 语句进行等待。当USB设备状态变为USBD_CONFIGURED状态时,表明设备枚举完成。

枚举完成之后,程序将进入主循环中,在主循环中,循环调用HID USB模拟键盘数据处理函数,在该函数中,首先判断上次传输是否完成,完成之后通过扫描按键的方式查看按键是否被按下,若按键被按下,则通过hid_report_send()函数发送键盘报告数据。


C


static void hid_key_data_send(usb_dev *udev)

{

standard_hid_handler *hid = (standard_hid_handler *)udev->dev.class_data[USBD_HID_INTERFACE];

if (hid->prev_transfer_complete) {

switch (key_state()) {

case CHAR_A:

printf_log(“Press A on the keyboard\r\n”);

bsp_led_toggle(&LED1);

hid->data[2] = 0x04U;

break;

case CHAR_B:

printf_log(“Press B on the keyboard\r\n”);

bsp_led_toggle(&LED2);

hid->data[2] = 0x05U;

break;

default:

break;

}

if (0U != hid->data[2]) {

hid_report_send(udev, hid->data, HID_IN_PACKET);

}

}

}

报文发送函数定义如下,该函数包含三个参数,udev为初始化后的设备操作结构体;report为发送报告缓冲区地址;len为发送报告的长度。在该函数中,如果设备已经被枚举成功,则首先将prev_transfer_complete标志位设置为0,表明接下来将进行发送数据,数据并未发送完成,之后,调用usbd_ep_send()将需要发送的报告拷贝到USB外设缓冲区中并设置端点为有效状态,等待主机发送IN令牌包,USB设备将外设缓冲区中的数据发送给主机。


C


uint8_t hid_report_send(usb_dev *udev, uint8_t *report, uint32_t len)

{

standard_hid_handler *hid = (standard_hid_handler *)udev->dev.class_data[USBD_HID_INTERFACE];

hid->prev_transfer_complete = 0U;

usbd_ep_send(udev, HID_IN_EP, report, len);

return USBD_OK;

}

当数据发送完成,USB设备将调用hid_data_in()函数进行数据处理。该函数程序如下所示。在该函数中,首先判断hid->data[2]的数据是否为0x00,如果不为0x00表明上次发送的为按键按下的键值,还需发送按键松开的键值,如果为0x00表明上次按键按下和松开的键值均已发送完成,之后将prev_transfer_complete设置为1,表明上一次的按键数据传输完成,可进行下次按键数据传输。


C


static uint8_t hid_data_in(usb_dev *udev, uint8_t ep_num)

{

standard_hid_handler *hid = (standard_hid_handler *)udev->dev.class_data[USBD_HID_INTERFACE];

if(0U != hid->data[2]) {

hid->data[2] = 0x00U;

usbd_ep_send(udev, HID_IN_EP, hid->data, HID_IN_PACKET);

} else {

hid->prev_transfer_complete = 1U;

}

return USBD_OK;

}

在该例程中通过hid->prev_transfer_complete数据流程标志位进行数据发送控制,读者可使用该标志位用于对数据发送的控制,当该标志位为0的时候,表明数据已被填送到USB缓冲区,但还没有发送给主机,此时MCU不能继续调用发送函数向缓冲区中填数据,否则可能导致数据覆盖丢失,正确做法是等待该标志位置位,表明上一包数据已被主机读取,然后再继续发送后续数据。


13.5



实验结果

将本例程烧录到海棠派开发板中,通过Type C数据线连接开发板和PC,之后分别按下WKUP和USER按键,将会向PC发送A、B键值。





教程


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