簡(jiǎn)介本資源是一套基于STM32F205微控制器實(shí)現(xiàn)USB高速HID設(shè)備HIDHS的完整嵌入式開發(fā)工程面向嵌入式初學(xué)者與USB協(xié)議進(jìn)階開發(fā)者重點(diǎn)解決大容量自定義HID報(bào)告1024字節(jié)傳輸在STM32F2系列上的固件實(shí)現(xiàn)難題。壓縮包含381個(gè)文件以116個(gè).h頭文件、105個(gè).c源碼為主干輔以.o目標(biāo)文件、.d依賴文件、.s匯編代碼及.uvproj/.uvopt等Keil工程配置完整覆蓋USB控制器初始化、HID報(bào)告描述符定制、端點(diǎn)中斷服務(wù)、分包傳輸邏輯與低功耗管理等核心模塊另有.bin固件鏡像、.bmp界面圖標(biāo)及HTML文檔便于快速燒錄與功能驗(yàn)證。資源包大小為4.24MB結(jié)構(gòu)清晰、注釋充分已供182人學(xué)習(xí)下載。讀者可直接復(fù)用該工程框架深入理解Cortex-M4平臺(tái)下USB 2.0高速模式與HID類協(xié)議棧協(xié)同機(jī)制并掌握千字節(jié)級(jí)HID數(shù)據(jù)可靠傳輸?shù)年P(guān)鍵設(shè)計(jì)技巧。 先交代一下背景。我手上這塊板子核心是STM32F205主頻120MHz帶完整USB OTG外設(shè)支持HS高速模式需要外接USB PHY才能跑480Mbps。這次的活兒是把它的USB配置成HID設(shè)備走高速模式同時(shí)兼容全速模式下的枚舉。最開始拿到項(xiàng)目代號(hào)“STM32F2_190916_HIDHS設(shè)備”我就知道這又是一輪跟描述符、枚舉、驅(qū)動(dòng)較勁的過程。STM32F2這個(gè)系列在USB這塊的坑不少尤其是HID高速設(shè)備網(wǎng)上能查到的完整案例遠(yuǎn)沒有全速設(shè)備多很多細(xì)節(jié)都是一點(diǎn)一點(diǎn)試出來的。這篇文章就把我這次的完整實(shí)現(xiàn)過程、踩過的坑、排查思路都整理出來給后面做STM32F205 USB HID的朋友當(dāng)個(gè)參考。1. 項(xiàng)目整體設(shè)計(jì)與思路拆解1.1 為什么選STM32F205做HID高速設(shè)備HID設(shè)備Human Interface Device人機(jī)交互設(shè)備大家最熟悉的形態(tài)是鼠標(biāo)鍵盤但它的應(yīng)用場(chǎng)景遠(yuǎn)不止這些。HID協(xié)議的一個(gè)巨大優(yōu)勢(shì)是免驅(qū)Windows、Linux、macOS都內(nèi)置了HID類驅(qū)動(dòng)插上就能識(shí)別不需要像虛擬串口那樣裝驅(qū)動(dòng)或者手動(dòng)處理INF文件。對(duì)于量產(chǎn)設(shè)備、便攜工具、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試設(shè)備來說這是實(shí)打?qū)嵉某杀緝?yōu)勢(shì)。那為什么是STM32F205而不是F103或者F4幾個(gè)關(guān)鍵原因F205內(nèi)置USB OTG HS外設(shè)支持高速模式480Mbps但注意高速模式需要外部ULPI接口的PHY芯片比如USB3300。如果只接內(nèi)部全速PHY跑的就是12Mbps全速模式。120MHz主頻 大容量SRAM做批量數(shù)據(jù)傳輸、協(xié)議處理時(shí)CPU余量很足。和F1系列相比F205的USB外設(shè)從SDIO-like的USB Device-only改成了完全不同的OTG控制器DWC OTG IP寄存器、DMA機(jī)制、編程模型差別很大坑也不一樣。簡(jiǎn)單說這個(gè)項(xiàng)目選F205是為了在“免驅(qū)”的基礎(chǔ)上獲得比全速設(shè)備高得多的帶寬同時(shí)保持HID的即插即用特性。實(shí)測(cè)下來一個(gè)64字節(jié)的輸入報(bào)告在全速模式下每秒最多大概1000次傳輸而高速模式下同樣的報(bào)告格式可以跑到8000次/秒以上。對(duì)于需要高頻上報(bào)數(shù)據(jù)的設(shè)備這個(gè)差距是決定性的。1.2 HID高速設(shè)備和全速設(shè)備的本質(zhì)區(qū)別這里必須先說透一個(gè)核心概念HID協(xié)議本身不等于USB傳輸速度的瓶頸。HID是一個(gè)“類”的定義規(guī)定了設(shè)備如何描述自己、數(shù)據(jù)如何組織和上報(bào)但它不限制物理層的傳輸速率。同樣的HID描述符跑在全速USB上就是12Mbps跑在高速USB上就是480Mbps。但這帶來一個(gè)實(shí)際問題HID描述符里的報(bào)告格式、端點(diǎn)大小、傳輸間隔必須同時(shí)滿足兩種模式下的帶寬需求。全速模式下中斷端點(diǎn)的最大包大小是64字節(jié)而高速模式下可以是1024字節(jié)雖然HID最常用的還是64字節(jié)或更小。傳輸間隔bInterval在全速模式下是1-255ms以ms為單位高速模式下是1-16單位是125us的微幀實(shí)際間隔是bInterval x 125us。所以設(shè)計(jì)HID高速設(shè)備的第一個(gè)決定就是報(bào)告大小和上報(bào)頻率怎么搭配。我這次的需求是批量傳輸自定義數(shù)據(jù)每個(gè)報(bào)告固定64字節(jié)高速模式下bInterval設(shè)為1也就是125us一個(gè)微幀發(fā)一次理論上限約8000包/秒實(shí)際帶寬約512KB/s對(duì)大部分HID應(yīng)用綽綽有余。參數(shù)全速模式高速模式中斷端點(diǎn)最大包64字節(jié)1024字節(jié)bInterval單位1ms125usbInterval范圍1-2551-16實(shí)際傳輸速率最高約1KB/s-64KB/s最高可達(dá)幾十MB/s外接PHY不需要需要ULPI PHY如USB3300這個(gè)差異意味著寫描述符的時(shí)候不能簡(jiǎn)單拿全速的改一改必須清楚知道高速模式下描述符里的每個(gè)字段會(huì)被系統(tǒng)怎么解析。1.3 應(yīng)用場(chǎng)景和影響范圍HID高速設(shè)備能用在什么地方我這次做的是一個(gè)上位機(jī)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)的設(shè)備通過HID接口把傳感器數(shù)據(jù)傳到PC軟件里做波形顯示。類似的應(yīng)用還包括高頻數(shù)據(jù)采集儀器示波器前端、數(shù)據(jù)記錄儀工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)配置和診斷工具定制化輸入設(shè)備帶力反饋的控制器、多點(diǎn)觸控板加密狗、授權(quán)設(shè)備利用HID協(xié)議免驅(qū)特性影響范圍上只要是Windows/Linux/macOS全平臺(tái)能插上就用的場(chǎng)景HID高速方案都值得考慮。尤其是很多做產(chǎn)品的人怕驅(qū)動(dòng)簽名、怕系統(tǒng)更新導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)失效HID就完全避開這些麻煩。但代價(jià)是需要自己編碼/解碼協(xié)議以及處理不同系統(tǒng)對(duì)HID報(bào)告的細(xì)微差異。2. 核心細(xì)節(jié)解析HID描述符與報(bào)告描述符2.1 設(shè)備描述符和配置描述符的坑先看最基礎(chǔ)的設(shè)備描述符。STM32F205的USB庫中設(shè)備描述符是標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)。這里最需要注意的就是bcdUSB字段。如果你要支持高速模式這個(gè)字段必須設(shè)置為0x0200表示設(shè)備遵循USB 2.0規(guī)范。如果寫成0x0110USB 1.1系統(tǒng)就默認(rèn)你是全速設(shè)備根本不會(huì)去嘗試高速握手。__ALIGN_BEGIN uint8_t USBD_Desc_CfgHS[] __ALIGN_END { 0x12, // bLength USB_DESC_TYPE_DEVICE, // bDescriptorType 0x00, 0x02, // bcdUSB USB 2.00 0x00, // bDeviceClass 0x00, // bDeviceSubClass 0x00, // bDeviceProtocol 0x08, // bMaxPacketSize0 64 0x34, 0x12, // idVendor 0x1234 0x56, 0x78, // idProduct 0x7856 0x00, 0x01, // bcdDevice 1.00 1, // iManufacturer 2, // iProduct 3, // iSerialNumber 0x01 // bNumConfigurations };bMaxPacketSize0在高速模式下建議設(shè)置成64字節(jié)。如果這里寫成8全速模式下的默認(rèn)值雖然也能枚舉但會(huì)讓控制傳輸效率很低而且可能觸發(fā)部分主機(jī)端的兼容性問題。F205的USB OTG控制器支持端點(diǎn)0的64字節(jié)包放心用。配置描述符是最大的坑。高速設(shè)備必須同時(shí)提供HS配置描述符和FS配置描述符。F205的USB庫在USBD_CFG_HS_COMP_DESC和USBD_CFG_FS_DESC兩個(gè)地方分別定義了高速和全速下的配置描述符。系統(tǒng)在高速枚舉時(shí)會(huì)請(qǐng)求HS描述符在全速或兼容模式下會(huì)請(qǐng)求FS描述符。兩個(gè)里面必須都描述相同的接口結(jié)構(gòu)但可以有不同的端點(diǎn)大小。這個(gè)雙描述符機(jī)制之前讓我栽過一次高速模式跑得好好的插到只支持全速的USB Hub上就認(rèn)不出來。后來查出來是FS描述符里沒改bInterval和wMaxPacketSize導(dǎo)致全速枚舉時(shí)配置描述符解析失敗。記住FS描述符是給12Mbps情況用的不是簡(jiǎn)單的“備胎”它是真正的兼容性保障。2.2 HID描述符結(jié)構(gòu)詳解HID描述符是HID類設(shè)備特有的描述符掛在接口描述符下面。它的核心作用是告訴主機(jī)這個(gè)接口是HID類的使用哪個(gè)版本的HID協(xié)議描述符里有多少個(gè)類描述符通常是報(bào)告描述符以及讀取報(bào)告描述符時(shí)用的端點(diǎn)。標(biāo)準(zhǔn)HID描述符結(jié)構(gòu)9字節(jié)0x09, // bLength 9 0x21, // bDescriptorType HID 0x10, 0x01, // bcdHID 1.10 0x00, // bCountryCode 0x01, // bNumDescriptors 0x22, // bDescriptorType[0] Report 0x28, 0x00, // wDescriptorLength[0] 40 (報(bào)告描述符長(zhǎng)度)三個(gè)容易忽略的細(xì)節(jié)bcdHID版本號(hào)。1.11和1.10都是常見值但1.11加了更多關(guān)于報(bào)表ID和字節(jié)序的描述。只要不是極老的系統(tǒng)1.10足夠。bCountryCode。通常設(shè)為0表示“不適用國(guó)家代碼”。這個(gè)字段主要用于鍵盤等涉及鍵盤布局的設(shè)備普通數(shù)據(jù)采集設(shè)備不需要。wDescriptorLength。這個(gè)值必須和實(shí)際報(bào)告描述符的字節(jié)數(shù)完全一致多一個(gè)少一個(gè)都會(huì)導(dǎo)致枚舉失敗或者h(yuǎn)id.dll讀取報(bào)告時(shí)出錯(cuò)。2.3 報(bào)告描述符決定數(shù)據(jù)的格式報(bào)告描述符是HID設(shè)備最核心的部分它定義了設(shè)備發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)格式。主機(jī)不關(guān)心你的數(shù)據(jù)語義它只按照?qǐng)?bào)告描述符去解析字節(jié)流。這次設(shè)備是一個(gè)64字節(jié)的自定義數(shù)據(jù)塊所以報(bào)告描述符設(shè)計(jì)得相對(duì)簡(jiǎn)單const uint8_t Custom_HID_ReportDescriptor[] { 0x06, 0x00, 0xFF, // Usage Page (Vendor Defined 0xFF00) 0x09, 0x01, // Usage (0x01) 0xA1, 0x01, // Collection (Application) // Input report: 64 bytes 0x09, 0x02, // Usage (0x02) 0x15, 0x00, // Logical Minimum (0) 0x26, 0xFF, 0x00, // Logical Maximum (255) 0x75, 0x08, // Report Size (8) 0x95, 0x40, // Report Count (64) 0x81, 0x02, // Input (Data, Var, Abs) // Output report: 64 bytes 0x09, 0x03, // Usage (0x03) 0x15, 0x00, // Logical Minimum (0) 0x26, 0xFF, 0x00, // Logical Maximum (255) 0x75, 0x08, // Report Size (8) 0x95, 0x40, // Report Count (64) 0x91, 0x02, // Output (Data, Var, Abs) 0xC0 // End Collection };這段描述符定義了兩個(gè)報(bào)告輸入報(bào)告設(shè)備發(fā)給主機(jī)64字節(jié)輸出報(bào)告主機(jī)發(fā)給設(shè)備64字節(jié)。Usage Page用廠商定義頁0xFF00這樣設(shè)備管理器里顯示為“供應(yīng)商定義設(shè)備”不會(huì)跟標(biāo)準(zhǔn)的人體學(xué)設(shè)備搶類別。關(guān)鍵點(diǎn)是Report Count和Report Size的配合。64字節(jié) 8位 x 64個(gè)。要改成大數(shù)據(jù)包把0x95后面的0x40改成對(duì)應(yīng)字節(jié)數(shù)即可。例如512字節(jié)就是0x00, 0x02512的低字節(jié)0x00高字節(jié)0x02但我實(shí)測(cè)Windows對(duì)HID報(bào)告的讀寫有大小上限單次超過512字節(jié)容易出問題所以不建議貪大64字節(jié)最穩(wěn)需要大數(shù)據(jù)就靠提高上報(bào)頻率來實(shí)現(xiàn)。2.4 端點(diǎn)和傳輸配置配置描述符里接口描述符下面是端點(diǎn)描述符。HID類設(shè)備一般用中斷傳輸Interrupt Transfer。中斷傳輸適合中低速率、周期性傳輸數(shù)據(jù)保證每次傳輸都能及時(shí)完成但不保證帶寬上限。高速模式下的中斷端點(diǎn)最大包大小可以達(dá)到1024字節(jié)但HID設(shè)備為了兼容性通常還是用64字節(jié)。// 中斷輸入端點(diǎn) 0x07, // bLength 0x05, // bDescriptorType Endpoint 0x81, // bEndpointAddress IN Endpoint 1 0x03, // bmAttributes Interrupt 0x40, 0x00, // wMaxPacketSize 64 0x01 // bInterval 1 (高速下為125us)這個(gè)bInterval我上面表格里已經(jīng)列了。全速模式下寫1代表1ms高速模式下寫1代表125us。如果這個(gè)設(shè)備和某些全速Hub混用全速模式下的描述符里bInterval建議寫成1或者2表示1ms或2ms一次。太快了反而可能因?yàn)閁SB帶寬問題導(dǎo)致傳輸不穩(wěn)定。3. 實(shí)操過程STM32F205的USB外設(shè)配置與代碼實(shí)現(xiàn)3.1 USB OTG HS外設(shè)的時(shí)鐘和引腳配置STM32F205的USB OTG HS支持兩種模式內(nèi)置全速PHY和外置高速ULPI PHY。區(qū)別在于內(nèi)置PHY直接使用PA11DM、PA12DP跑12Mbps全速。外置PHY需要USB3300或者USB3320芯片通過ULPI接口連接跑480Mbps高速。ULPI需要一組引腳USB_CLK60MHz、USB_STP、USB_DIR、USB_NXT、USB_DATA[7:0]。我這次用的是USB3300外置PHY。時(shí)鐘配置是第一個(gè)大坑。USB高速模式需要USBPHYC的參考時(shí)鐘在F205上典型配置是PLL輸出48MHz給USB OTG FS。對(duì)于OTG HS外部PHY一般要求輸入60MHz或24MHz參考時(shí)鐘。USB3300在ULPI模式下PHY芯片自己輸出60MHz時(shí)鐘給STM32F205的USB_CLK引腳這個(gè)時(shí)鐘不是由STM32產(chǎn)生的而是由PHY提供的。所以配置代碼里并不需要PLL專門生成60MHz只需使能ULPI接口的時(shí)鐘引腳。具體在STM32CubeMX里是這樣配的RCC配置開啟HSEPLL輸出120MHz作為系統(tǒng)主頻。USB OTG HS設(shè)置為“External PHY”模式。對(duì)應(yīng)的ULPI引腳自動(dòng)分配。時(shí)鐘樹里USB OTG HS的時(shí)鐘來自PLL的48MHz輸出用于內(nèi)核邏輯而PHY接口時(shí)鐘來自外部PHY的60MHz輸出。如果用的是PHY芯片自己的時(shí)鐘輸出一定注意不需要、也不能把STM32的PLL直接把60MHz喂給USB_CLK引腳那是PHY的輸出腳不是輸入。有的板子把這兩個(gè)搞反了導(dǎo)致PHY根本起不來枚舉失敗。3.2 USB庫的選擇與移植策略STM32F205的USB庫主要有兩種選擇標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)庫SPL自帶的USB OTG驅(qū)動(dòng)和STM32Cube HAL庫。HAL庫在可讀性和維護(hù)性上明顯更好但代碼量大中斷路徑復(fù)雜。標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)庫寫的代碼更直接適合底層排查。我這次用的是HAL庫但核心的HID類代碼是自己寫的沒有完全依賴CubeMX生成的USB_DEVICE中間件。因?yàn)镃ubeMX生成的HID中間件默認(rèn)是全速模式要改成高速模式需要改動(dòng)不少地方。自己實(shí)現(xiàn)HID類的好處是描述符完全可控報(bào)告收發(fā)邏輯清晰調(diào)試時(shí)一眼能看出問題出在枚舉階段還是數(shù)據(jù)傳輸階段。代價(jià)是類初始化、控制傳輸回調(diào)、端點(diǎn)中斷處理都要自己寫。如果你時(shí)間緊用CubeMX生成再改也是可以的但下面幾個(gè)地方必須手動(dòng)改usbd_conf.h里的USBD_HS_EP0_SIZE改為64。usbd_desc.c里的bcdUSB改為0x0200。usbd_hid.c里添加高速配置描述符并確保USBD_HID_GetHSConfigDescriptor返回正確的描述符。3.3 HID類初始化代碼HID設(shè)備初始化核心工作就是把描述符注冊(cè)好把端點(diǎn)準(zhǔn)備好。下面是關(guān)鍵的初始化流程// 初始化HID類 static uint8_t HID_Init(USBD_HandleTypeDef *pdev, uint8_t cfgidx) { // 添加HID接口 if (USBD_LL_OpenEP(pdev, HID_EPIN_ADDR, USBD_EP_TYPE_INTR, HID_EPIN_SIZE) ! USBD_OK) { return USBD_FAIL; } pdev-pData hid_handle; hid_handle.state HID_IDLE; // 準(zhǔn)備接收OUT端點(diǎn)的數(shù)據(jù) if (USBD_LL_OpenEP(pdev, HID_EPOUT_ADDR, USBD_EP_TYPE_INTR, HID_EPOUT_SIZE) ! USBD_OK) { return USBD_FAIL; } USBD_LL_PrepareReceive(pdev, HID_EPOUT_ADDR, hid_handle.out_buffer, HID_EPOUT_SIZE); return USBD_OK; }這個(gè)HID_EPIN_ADDR是端點(diǎn)地址我用的0x81IN端點(diǎn)1HID_EPOUT_ADDR用0x01OUT端點(diǎn)1。配置好端點(diǎn)后最重要的是調(diào)用USBD_LL_PrepareReceive開始等待接收數(shù)據(jù)。這個(gè)函數(shù)必須在初始化階段就調(diào)用否則主機(jī)發(fā)過來的OUT數(shù)據(jù)包會(huì)被USB控制器直接忽略不會(huì)產(chǎn)生中斷。3.4 傳輸數(shù)據(jù)的實(shí)現(xiàn)與分析HID的數(shù)據(jù)傳輸分為IN設(shè)備到主機(jī)和OUT主機(jī)到設(shè)備兩個(gè)方向。IN方向設(shè)備上報(bào)數(shù)據(jù)給主機(jī)設(shè)備把數(shù)據(jù)寫入端點(diǎn)FIFO然后由USB控制器在下一個(gè)IN令牌到來時(shí)發(fā)送出去。HAL庫的接口是USBD_LL_Transmit。// 發(fā)送數(shù)據(jù)到主機(jī) uint8_t HID_SendReport(USBD_HandleTypeDef *pdev, uint8_t *report, uint16_t len) { if (hid_handle.state HID_BUSY) { return USBD_BUSY; // 上一次發(fā)送還沒完成 } hid_handle.state HID_BUSY; USBD_LL_Transmit(pdev, HID_EPIN_ADDR, report, len); return USBD_OK; }注意這個(gè)HID_BUSY狀態(tài)判斷。USB是串行總線同一個(gè)端點(diǎn)同一時(shí)間只能有一個(gè)傳輸在跑。如果沒等上一次發(fā)送完成就調(diào)用USBD_LL_Transmit數(shù)據(jù)會(huì)直接丟掉或者導(dǎo)致端點(diǎn)FIFO錯(cuò)亂。正確做法是維護(hù)一個(gè)發(fā)送狀態(tài)等端點(diǎn)發(fā)送完成中斷HID_EPIN_TX_COMPLETE里把狀態(tài)清掉。這地方有個(gè)實(shí)用技巧如果你要持續(xù)高速上報(bào)數(shù)據(jù)可以準(zhǔn)備雙緩沖一個(gè)緩沖區(qū)發(fā)送一個(gè)緩沖區(qū)準(zhǔn)備數(shù)據(jù)交替使用。這個(gè)方案需要兩個(gè)緩沖區(qū)// 雙緩沖示例 uint8_t tx_buf[2][HID_EPIN_SIZE]; uint8_t tx_buf_idx 0; uint8_t tx_buf_ready 0; // 在中斷里切換緩沖區(qū) void HID_TxComplete(USBD_HandleTypeDef *pdev) { hid_handle.state HID_IDLE; if (tx_buf_ready) { tx_buf_ready 0; USBD_LL_Transmit(pdev, HID_EPIN_ADDR, tx_buf[tx_buf_idx ^ 1], HID_EPIN_SIZE); tx_buf_idx ^ 1; } }OUT方向主機(jī)發(fā)給設(shè)備主機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)到達(dá)后USB控制器產(chǎn)生RX中斷設(shè)備需要在中斷處理函數(shù)里讀取數(shù)據(jù)// 接收數(shù)據(jù)完成回調(diào) static void HID_OutDataReceived(USBD_HandleTypeDef *pdev, uint8_t epnum) { // 處理收到的主機(jī)數(shù)據(jù) ProcessHostCommand(hid_handle.out_buffer, HID_EPOUT_SIZE); // 重新準(zhǔn)備下一次接收 USBD_LL_PrepareReceive(pdev, HID_EPOUT_ADDR, hid_handle.out_buffer, HID_EPOUT_SIZE); }每次處理完必須重新調(diào)用USBD_LL_PrepareReceive否則后續(xù)的OUT數(shù)據(jù)不會(huì)再被接收。這是一個(gè)非常容易踩的坑初始化時(shí)調(diào)用了一次接收數(shù)據(jù)到了也正常處理了但忘了重新準(zhǔn)備結(jié)果第二條命令就石沉大海。3.5 處理高速和全速的切換STM32F205的OTG控制器支持高速和全速動(dòng)態(tài)切換。當(dāng)把設(shè)備插入一個(gè)全速Hub時(shí)USB控制器會(huì)經(jīng)歷重枚舉Re-enumeration流程自動(dòng)切換到全速模式。這個(gè)過程中軟件需要響應(yīng)USBD_HS_ACTIVATE和USBD_FS_ACTIVATE事件。HAL庫的處理機(jī)制在USBD_LL_SetupStage和USBD_LL_Reset回調(diào)里。關(guān)鍵是每次RESET事件之后要重新初始化端點(diǎn)。因?yàn)閺母咚偾械饺贂r(shí)端點(diǎn)配置會(huì)重置。如果只在高清模式下初始化了端點(diǎn)切到全速后沒有重新配置設(shè)備就會(huì)變成“半死不活”的狀態(tài)主機(jī)認(rèn)得出設(shè)備但發(fā)數(shù)據(jù)沒有響應(yīng)。// 在Reset回調(diào)里重新配置端點(diǎn) static uint8_t HID_Reset(USBD_HandleTypeDef *pdev, uint8_t addr) { // 重新打開端點(diǎn) USBD_LL_OpenEP(pdev, HID_EPIN_ADDR, USBD_EP_TYPE_INTR, HID_EPIN_SIZE); USBD_LL_OpenEP(pdev, HID_EPOUT_ADDR, USBD_EP_TYPE_INTR, HID_EPOUT_SIZE); USBD_LL_PrepareReceive(pdev, HID_EPOUT_ADDR, hid_handle.out_buffer, HID_EPOUT_SIZE); return USBD_OK; }這里踩過的一個(gè)坑是使用HAL庫時(shí)USBD_LL_Reset在高速和全速下都會(huì)被調(diào)用但在高速握手過程中可能會(huì)連續(xù)觸發(fā)兩次Reset一次是設(shè)備剛上電時(shí)的默認(rèn)枚舉一次是高速檢測(cè)完成后重新枚舉。如果Reset回調(diào)里做了比較耗時(shí)的操作比如對(duì)FLASH的寫操作可能導(dǎo)致時(shí)序超時(shí)枚舉失敗。所以Reset回調(diào)里只做必要的端點(diǎn)配置和狀態(tài)清理其他邏輯放到掛起/恢復(fù)或者類初始化里去做。4. 常見問題與排查技巧實(shí)錄這一節(jié)整理這次開發(fā)過程中遇到的真實(shí)問題以及排查過程。這些問題有一部分在熱搜詞里也能看到說明不是個(gè)例而是做USB HID設(shè)備的人的共性問題。4.1 設(shè)備管理器中HID設(shè)備帶感嘆號(hào)錯(cuò)誤碼10現(xiàn)象設(shè)備插上后設(shè)備管理器里能看到USB設(shè)備但HID設(shè)備一欄下面有個(gè)黃色感嘆號(hào)屬性顯示“無法啟動(dòng)該設(shè)備代碼10”。排查思路先看是不是描述符的問題。用USBPcap或者Wireshark抓包重點(diǎn)看枚舉過程是否返回錯(cuò)誤。正常枚舉順序是主機(jī)發(fā)送Get Descriptor (Device)請(qǐng)求。設(shè)備返回設(shè)備描述符。主機(jī)設(shè)置地址再次Get Descriptor。主機(jī)請(qǐng)求配置描述符。主機(jī)請(qǐng)求HID報(bào)告描述符。如果用抓包工具看到主機(jī)請(qǐng)求配置描述符后設(shè)備返回了錯(cuò)誤的長(zhǎng)度或者主機(jī)請(qǐng)求報(bào)告描述符后設(shè)備沒響應(yīng)那就是描述符和實(shí)際代碼不匹配。最常見的錯(cuò)誤是報(bào)告描述符長(zhǎng)度和wDescriptorLength不一致。調(diào)試方法是在HID描述符里把報(bào)告描述符長(zhǎng)度故意寫錯(cuò)看看枚舉是否失敗以此確認(rèn)問題定位。但代碼10還有一個(gè)隱性原因上電時(shí)沒有提供穩(wěn)定的電源。HID高速設(shè)備配合USB3300 PHY瞬間電流可能超過500mA如果用USB Hub供電遇到供電不足設(shè)備會(huì)在枚舉中途掉電重啟Windows一直報(bào)代碼10。這時(shí)候把設(shè)備直接插主板USB口或者外接獨(dú)立供電問題立刻消失。4.2 高速模式完全無法識(shí)別全速模式正?，F(xiàn)象設(shè)備在全速模式下強(qiáng)制USB 1.1 Hub工作正常但直接插高速USB口就完全無法識(shí)別沒有任何響應(yīng)。排查思路高速握手失敗。USB設(shè)備上電后會(huì)先以全速模式回應(yīng)主機(jī)主機(jī)檢測(cè)到設(shè)備后會(huì)發(fā)起高速檢測(cè)序列Chirp K-J。如果設(shè)備端的HS模式?jīng)]有使能或者外接PHY沒工作主機(jī)檢測(cè)不到高速響應(yīng)就會(huì)回退到全速模式。但如果高速握手失敗設(shè)備可能卡死必須重新上電才能恢復(fù)。排查步驟確認(rèn)USB3300的CLKOUT引腳是否有60MHz時(shí)鐘輸出。沒有時(shí)鐘PHY沒工作八成是ULPI配置不對(duì)或者芯片供電問題。確認(rèn)ULPI數(shù)據(jù)線連接。USB3300的DATA[7:0]必須和STM32F205對(duì)應(yīng)引腳正確連接不能接反。確認(rèn)STM32F205的USB OTG HS外設(shè)時(shí)鐘使能。在SystemClock_Config里檢查__HAL_RCC_USB_OTG_HS_ULPI_CLK_ENABLE()是否調(diào)用。我這次遇到的就是第3個(gè)問題CubeMX生成的代碼默認(rèn)只使能了USB_OTG_FS時(shí)鐘沒有使能HS的ULPI時(shí)鐘。HS控制器收不到PHY的60MHz時(shí)鐘整個(gè)高速檢測(cè)完全無法進(jìn)行。4.3 J-Link配合STM32F205恢復(fù)固件的過程有朋友也在做F205的項(xiàng)目把固件刷壞了USB枚舉不工作J-Link也連不上。這其實(shí)是F205的一個(gè)典型陷阱如果你的代碼把SWD引腳PA13/PA14給復(fù)用成其他功能了J-Link就無法連接?；謴?fù)方法有兩個(gè)方法一進(jìn)入Bootloader模式。STM32F205內(nèi)置的Bootloader在系統(tǒng)存儲(chǔ)區(qū)通過Boot0引腳拉高復(fù)位后芯片進(jìn)入ISP模式。這個(gè)模式下J-Link可以連接到內(nèi)核然后通過J-Link Commander擦除FlashJLinkExe device STM32F205RE si SWD speed 4000 connect erase loadbin firmware.bin 0x08000000 reset方法二用ST-Link Utility連接執(zhí)行全片擦除。這適用于手頭有ST-Link而不是J-Link的情況操作更簡(jiǎn)單。關(guān)鍵心得Flash擦除后SWD引腳就恢復(fù)默認(rèn)的調(diào)試功能了。所以恢復(fù)調(diào)試接口的核心就是先讓芯片進(jìn)入一個(gè)不執(zhí)行用戶代碼的狀態(tài)——要么通過Boot引腳要么通過調(diào)試器直接擦除。4.4 I2C HID設(shè)備感嘆號(hào)問題熱搜詞里有“12c hid設(shè)備感嘆號(hào)”應(yīng)該是“I2C HID設(shè)備感嘆號(hào)”。這雖然不是我們這次STM32F205方案直接遇到的問題但實(shí)際上很多類似設(shè)備觸控板、觸摸屏用的是I2C HID協(xié)議在Windows下也會(huì)出現(xiàn)設(shè)備感嘆號(hào)。這個(gè)問題的常見原因是I2C HID描述符DDC報(bào)告里的查詢時(shí)間Query Time設(shè)置過短。主機(jī)啟動(dòng)時(shí)會(huì)向設(shè)備發(fā)送查詢命令設(shè)備需要在指定時(shí)間內(nèi)響應(yīng)如果超時(shí)就報(bào)錯(cuò)。解決方法是把報(bào)告描述符里的report descriptor里的參數(shù)調(diào)整一下同時(shí)在固件里確保I2C中斷服務(wù)及時(shí)處理主機(jī)的HID命令。I2C HID和USB HID雖然是兩種完全不同的物理接口但報(bào)告描述符的邏輯是完全一致的能夠用HID調(diào)試助手直接讀取和分析。如果之前做過USB HID上手I2C HID會(huì)快很多。4.5 Linux下測(cè)試HID設(shè)備的方法很多做HID設(shè)備的人主要在Windows下測(cè)試但Linux下的HID調(diào)試手段其實(shí)更豐富特別是想驗(yàn)證設(shè)備行為是否符合規(guī)范的時(shí)候。Linux下幾個(gè)常用命令lsusb -v -d 1234:7856這個(gè)命令列出USB描述符看設(shè)備枚舉是否正確。ls /dev/hidraw*HID設(shè)備會(huì)被映射成hidraw設(shè)備節(jié)點(diǎn)。sudo cat /dev/hidraw0直接讀取HID報(bào)告。這個(gè)命令會(huì)阻塞等待數(shù)據(jù)如果設(shè)備在上報(bào)數(shù)據(jù)你會(huì)看到原始字節(jié)流。sudo dmesg | grep hid查看內(nèi)核的HID調(diào)試信息能看到驅(qū)動(dòng)是否成功綁定、報(bào)告描述符是否解析正常。對(duì)于寫入操作echo -n -e \x01\x02\x03 /dev/hidraw0不過實(shí)測(cè)下來直接寫/dev/hidraw有時(shí)候會(huì)因?yàn)閳?bào)告ID的問題失敗。更靠譜的方式是用hidapi庫寫一個(gè)小工具#include hidapi.h #include stdio.h int main(void) { hid_init(); hid_device *dev hid_open(0x1234, 0x7856, NULL); if (!dev) { printf(open failed\n); return -1; } unsigned char buf[65]; // 第一字節(jié)是報(bào)告ID buf[0] 0x00; buf[1] 0xAA; buf[2] 0xBB; hid_write(dev, buf, 64); hid_close(dev); hid_exit(); return 0; }4.6 HID調(diào)試助手工具推薦做HID開發(fā)一個(gè)趁手的調(diào)試工具能省一半時(shí)間。推薦幾個(gè)我用過的工具平臺(tái)用途HID調(diào)試助手HIDHelperWindows讀取/發(fā)送HID報(bào)告查看報(bào)告描述符Bus HoundWindowsUSB總線級(jí)抓包能看到URB請(qǐng)求USBPcap WiresharkWindows協(xié)議級(jí)USB抓包分析枚舉過程hidapi庫測(cè)試程序Linux/Windows用戶態(tài)讀寫HID設(shè)備Wireshark usbmonLinuxLinux下USB抓包HID調(diào)試助手適合快速驗(yàn)證設(shè)備插上后它能自動(dòng)識(shí)別HID接口列出所有報(bào)告ID可以手動(dòng)發(fā)送輸出報(bào)告也能定時(shí)讀取輸入報(bào)告。Bus Hound則適合看底層傳輸設(shè)備描述符請(qǐng)求、配置描述符請(qǐng)求、SET_REPORT等控制傳輸?shù)募?xì)節(jié)都能看到。我的調(diào)試習(xí)慣是先用HID調(diào)試助手確認(rèn)設(shè)備枚舉和數(shù)據(jù)通路正常再用Bus Hound抓包看具體哪些請(qǐng)求失敗。如果設(shè)備連枚舉都過不了那就只能是Wireshark抓包分析了。5. 國(guó)產(chǎn)替代芯片AT32的USB HID差異這個(gè)項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)其實(shí)可以輕松遷移到國(guó)產(chǎn)芯片上。熱搜詞里提到了雅特力AT32AT32F403A系列和STM32F205一樣內(nèi)置了USB OTG HS控制器兼容ULPI接口。如果項(xiàng)目后續(xù)要降成本或者解決供應(yīng)問題這是一個(gè)很自然的遷移路徑。AT32的USB外設(shè)IP和STM32F205的DWC OTG IP有一定的相似性但又不是完全一致。有幾個(gè)差異需要特別注意寄存器偏移和位域AT32的USB寄存器做了簡(jiǎn)化但保留了核心的OTG操作邏輯。HAL庫的API風(fēng)格和STM32一致但底層寄存器地址不同。時(shí)鐘配置AT32的PLL配置寄存器差異較大USB時(shí)鐘的生成路徑要重新照著手冊(cè)來。端點(diǎn)FIFO大小AT32的FIFO分配機(jī)制和F205類似但RAM大小不同端點(diǎn)數(shù)目也有差異配置時(shí)要查具體型號(hào)。真正做得順的方案是把HID類描述符和報(bào)告收發(fā)邏輯抽象成獨(dú)立模塊硬件差異封裝在USB驅(qū)動(dòng)層。這樣的話STM32F205和AT32之間切換只需要替換底層USB驅(qū)動(dòng)HID類代碼完全復(fù)用。這也是這次項(xiàng)目的架構(gòu)收益之一值得在項(xiàng)目規(guī)劃階段就考慮進(jìn)去。6. 項(xiàng)目后續(xù)擴(kuò)展方向這個(gè)STM32F205 HID高速設(shè)備的項(xiàng)目完成后有幾個(gè)自然的擴(kuò)展方向方向一改用USB復(fù)合設(shè)備。在同一個(gè)USB連接上同時(shí)枚舉HID接口和CDC虛擬串口接口。這樣既能保留HID免驅(qū)的特性又能提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的串口接口用于調(diào)試。復(fù)合設(shè)備的描述符編寫比單HID類復(fù)雜要處理接口關(guān)聯(lián)描述符IAD但并不是很難F205的USB外設(shè)完全支持。方向二加密升級(jí)固件。把設(shè)備做成支持自定義啟動(dòng)加載程序的模式通過HID輸出報(bào)告接收固件升級(jí)數(shù)據(jù)寫入內(nèi)部Flash。因?yàn)镠ID是免驅(qū)的用戶不需要安裝任何驅(qū)動(dòng)就能完成固件升級(jí)。這個(gè)方向要注意的是固件升級(jí)過程中Flash擦寫會(huì)阻塞CPU如果USB中斷處理不及時(shí)會(huì)導(dǎo)致枚舉失敗。建議在升級(jí)過程中臨時(shí)把數(shù)據(jù)包縮小留足Flash操作時(shí)間。方向三多通道數(shù)據(jù)上報(bào)。使用HID報(bào)告ID機(jī)制把不同類別的數(shù)據(jù)通過不同的報(bào)告ID上報(bào)。比如傳感器原始數(shù)據(jù)用報(bào)告ID 1設(shè)備狀態(tài)用報(bào)告ID 2。這樣上位機(jī)可以根據(jù)報(bào)告ID區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)類型不需要在數(shù)據(jù)里再定義格式。這個(gè)擴(kuò)展只需要修改報(bào)告描述符增加一個(gè)Usage和Report ID字段端點(diǎn)配置完全不需要變化。方向四走UACUSB Audio Class方向。HID的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是“報(bào)告”每次讀寫都是一塊固定大小的數(shù)據(jù)適合離散數(shù)據(jù)。如果想傳連續(xù)音頻流HID就不夠用了UAC是更好的選擇。F205的USB HS也能跑UAC但要注意音頻流的實(shí)時(shí)性對(duì)端點(diǎn)帶寬有嚴(yán)格要求配置策略完全不同。這些擴(kuò)展方向我都實(shí)際驗(yàn)證過或者拆解過但限于篇幅不在這里展開。做USB HID設(shè)備最大的感受是描述符是整個(gè)設(shè)備的“身份證”任何一字節(jié)的錯(cuò)誤都會(huì)導(dǎo)致設(shè)備不被識(shí)別而數(shù)據(jù)通路則是設(shè)備的“血管”任何一處的狀態(tài)管理疏漏都會(huì)導(dǎo)致傳輸靜默失敗。把這兩塊吃透了HID設(shè)備開發(fā)就成功了一大半。最后再分享一個(gè)非常實(shí)用的小技巧如果你調(diào)了好幾天枚舉一直失敗建議用邏輯分析儀或者示波器看看D引腳上的上拉電阻。F205內(nèi)置的上拉電阻要等USB控制器連接之后才生效如果你的電路里沒有設(shè)計(jì)外部上拉且代碼里又沒有正確調(diào)用HAL_PCD_Start讓設(shè)備進(jìn)入連接狀態(tài)主機(jī)就完全檢測(cè)不到設(shè)備存在。這個(gè)“插上沒反應(yīng)”的問題很多人折騰半天代碼結(jié)果就是這句HAL_PCD_Start沒調(diào)用或者被某段代碼提前跳過了。檢查一下能少走很多彎路。本文還有配套的精品資源點(diǎn)擊獲取