【实战经验】USB CDC类入门培训

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zero99 发布时间：2017-7-28 17:27

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USB CDC类入门培训

1 前言
本文节选自2017年度USB CDC类培训内容的整理，主要目的是以方便些没有到现场参加培训的碟粉们可以参阅学习。本文力求从理论到实践，尽量给读者一个整体了解USB CDC类的窗口。当然，阅读此文，还是需要基本的USB知识，这个请读者自行预备。

2 USB CDC类基础理论知识介绍

2.1 USB CDC类、USB2.0标准与PSTN之间的关系
CDC(Communication Device Class)类是USB2.0标准下的一个子类，定义了通信相关设备的抽象集合。它与USB2.0标准以及其下的子类的相互关系如下图所示:

图 1 USB2.0标准、CDC、PSTN之间的关系

如上图，USB2.0标准下定义了很多子类，有音频类，CDC类，HID，打印，大容量存储类，HUB，智能卡等等，这些在urb.org官网上有具体的定义，这里我们主要讲的是通信类CDC，CDC类下面，根据具体的应用场合，又有一些子类，这里我们主要讲的是PSTN(Public Switched Telephone Network)。从PSTN官方标准文档来看，PSTN子类是一个与电信相关的子类，而这里，我们只是将它作为一个普通的通信设备使用，并没有使用到它的一些电话特性。

2.2 从一个具体的CDC类通信数据说起

图 2 一个具体的CDC类设备通信数据

如上图，USB CDC类的通信部分主要包含三部分：枚举过程、虚拟串口操作和数据通信。其中虚拟串口操作部分并不一定强制需要，因为若跳过这些虚拟串口的操作，实际上USB依然是可以通信的，这也就是为什么上图中，在操作虚拟串口之前会有两条数据通信的数据。之所以会有虚拟串口操作，主要是我们通常使用PC作为Host端，在PC端使用一个串口工具来与其进行通信，PC端的对应驱动将其虚拟成一个普通串口，这样一来，可以方便PC端软件通过操作串口的方式来与其进行通信，但实际上，Host端与Device端物理上是通过USB总线来进行通信的，与串口没有关系，这一虚拟化过程，起决定性作用的是对应驱动，包含如何将每一条具体的虚拟串口操作对应到实际上的USB操作。这里需要注意地是，Host端与Device端的USB通信速率并不受所谓的串口波特率影响，它就是标准的USB2.0全速(12Mbps)速度，实际速率取决于总线的实际使用率、驱动访问USB外设有效速率(两边)以及外部环境对通信本身造成的干扰率等等因素组成。

2.3 CDC类设备枚举过程
CDC类设备与其他标准USB设备枚举过程的并没有什么特殊的地方。在设备描述符内可以使用DeviceClass=0x00, SubClass=0x00, Protocol=0x00 表示此类信息在接口描述符内给出；或者也可以使用0x02,0x00,0x00；来表明该设备为CDC类设备。或者使用0xef, 0x02,0x01表示当前为复合设备。

CDC类设备在枚举过程中最主要的信息存储在配置描述符内：

图 3 USB CDC类配置描述符的结构

如上图所示，CDC类的配置描述符一般包含两个接口(Interface 0)，一个控制接口，另外一个是数据接口(Interface 1), 除此之外，还有一个虚线指向的IAD(Interface Association Description)，这个表示这个是不是可选的，得根据实际情况来确定其是否真实存在。

2.3 1 控制接口
控制接口下包含类描述符合一个端点(ie:0x82)，这个端点(中断传输模式)为异步通知消息的端点，当设备端需要向Host端发送异步消息时，可以通错此端点来发送，但平时主机端都是通过端点0来向设备端发送控制消息的，比如那些虚拟串口的操作指令等等。

除这异步通知端点外，控制接口下还包含CDC类相关描述符，这其中就包含Header描述符，Call Management描述符，ACM描述符以及Union描述符。这些功能描述符整合在一起用来描述此USB设备的一些功能特性，比如AT指令支持情况，ACM模型下的指令集支持情况，以及还有哪些接口与此接口一起对应Host端的一个功能(驱动)。

在具体配置描述符内的控制接口内，功能描述符紧跟在接口描述符后，最后才是端点描述符。

● 控制接口

图 4 控制接口描述符

控制接口主要用来做设备管理和电话管理（可选），设备管理涉及到请求(request)和通知(notification)，端点0一般用做请求，一般用来控制和配置设备的运行状态，而非0端点(0x82)一般用作异步事件通知，设备端通过此端点向主机端发送设备内部的一些事件，比如串口状态变化事件，电话状态改变等等。

这里使用到ACM模型，后续将讲到这个模型，并且这里指明使用到V250版本的AT指令，这些指令是与电话相关的，但在我们这里讲的CDC通信实际上并不需要使用这些与电话相关的指令，它只是简单通信而已，这里指出AT指令也没有关系，只是实际不用它而已。

如上图，bNumEndpoints表示此接口下包含的端点数，这里为1个，即那个异步通知端点。bInterfaceSubClass为0x02,ACM通信模型，bInterfaceProtocol表示AT指令集的版本，虽然这里举例为V2.50，但实际上并没有使用到任何AT指令，因此它放

● Header功能描述符

图 5 Header功能描述符

Header功能描述符表示功能描述符的开始，其他紧跟的内容就是此设备的功能描述符的内容。bcdCDC表示的是CDC的版本。

●ACM功能描述符

图 6 ACM功能描述符

ACM(Abstract Control Model)，即抽象控制模型，PSTN下，除了ACM模型还有还有DLM(Direct Line Mode), TCM(Telephone Control Model)。

PSTN定义了三种模型

LM(Direct Line Mode),ACM(Abstract Control Model)和TCM(Telephone Control Model).
   • DLM模型下，USB设备直接将模拟信号转化为数字信号，并放到USB上传输，数据接口直接使用Audio类传输音频数据，控制接口传输的也都是些比较原始的指令，比如脉宽设置，发送脉宽等等；
   • ACM模型则可以很好的支持AT V250指令集，数据接口可以使用Audio类或CDC DATA，控制接口传输的也是比较抽象的高层指令，比如设置、获取波特率，设置获取与通信相关的参数等等，而AT指令可以通过控制接口或者数据接口，这个在控制接口下的功能描述符Call Management Descriptor中指明。
   • TCM是指在物理上存在多个连接，可以将接口0和接口1分别对应到不同的物理连接上。
此外，不同的通信模型对应的指令集合（控制指令）也是不同的，而上图中bmCapliblities为位图，内部bit0~bit3分别表示4类控制指令集在此设备的支持情况。

图 7 ACM模型下的控制指令集

如上表，为ACM模型下的指令集，但不是说，这些个指令就一定会在ACM模型下存在，此USB设备是不是支持此某个控制指令，还得看bmCapliblities这个参数具体对应位是否使能。

在实际的STM32 USB协议栈中，针对于CDC类，使用LineStateCoding,GetLineCoding,SetControlState类指令，用来读取，设置串口波特率以及串口的打开与关闭，这个具体的映射实现是通过主机端的驱动来实现；从设备端来看，当设备端收到这些来自主机端操作串口的控制指令时，这些指令具体怎么执行完全取决于设备端，也就说，所有的这些操作，比如设置波特率为115200，对于设备端来说这个只是个通过SetLineCoding指令传过来的一个参数而已，具体怎么处理这个参数，取决于设备端应用程序具体怎么处理这个参数，这个有用户来处理，这个115200波特率与USB本身的波特率12Mbps(全速)是没有关系的。

● Call Management功能描述符

图 8 Call Management功能描述符

Call Management描述的就是电话相关的东西，AT指令集的支持情况。但在这里，我们并没有用到任何与电话相关的指令，因此bmCapabilities下的位图各个位都是为0：Bit0:是否支持电话相关的指令(AT指令集)；Bit1:电话相关的指令(AT指令集)是否经过Comm. Class Interface； bDataInterface表示如有电话时，电话数据内容对应的接口号。

● Union功能描述符

图 9 Union功能描述符

Union描述符就是用来告诉主机端，哪些接口是联合在一起的，对应着一个功能，这个功能需要主机装载对应的驱动来实现，因此，功能与驱动是一对一的关系。这里bControlInterface值为0，则表示接口0为控制接口，bSubBoardinateInterface0值为1，表示接口1为控制接口0的下级接口，即数据接口。在CDC标准中，控制接口是必须的，而数据接口是可选的，因此，数据接口为控制接口的附属。

2.3.2 数据接口

图 10 数据接口

数据接口比较简单，就是数据通信的，用到两个端点IN/OUT 0x81/0x01,为块传输类型。

2.3.3 IAD(Interface Association Descriptor)

图 11 IAD描述符

USB刚出来的时候，一开始默认是一个接口对应一个功能，而一个功能对应着主机端的一个驱动，这在当时是OK的，但是后来，人们发现，需要多个接口对应一个功能的时候，比如这个CDC，除了数据接口外还需要控制接口，这在当时是没有这方面的统一标准，于是就出了Union来表示多个接口对应一个功能的情况。再后来，USB标准协会又增加了IAD。

IAD与Union类似，Union是旧版本下实现多个接口对应一个功能的功能描述符，而IAD是USB协会后来针对多个接口对应一个功能的情况而扩展的，旧的主机可能只支持Union方式，但IAD并不会影响旧版本主机对设备的识别，因为旧版本主机会通过Union来识别哪些接口是联合在一起的，对于IAD则跳过忽略；而新版主机则可以通过IAD来识别，跳过忽略老的Union，因此两者可以完美兼容，互不影响。因而主机端可以精确地装载对应的驱动。

IAD只用在设备描述符中只用了device class code,并且指明了使用IAD来识别设备，比如bDeviceClass: Miscellaneous (0xef), bDeviceSubClass: Common (0x02), bDeviceProtocol: Interface Association Descriptor (0x01)就是一个例子; 0x02,0x00,0x00是另外一个例子。

如上图，bFirstInterface值为0，表示第一个接口个接口0，默认为控制接口；bInterfaceCount值为2，标志此功能总共存在2个接口，那么第二个接口就是接口1，因为USB2.0 IAD ECN补充标准规定，这里提到的接口号必须是连续的，也就是说，接口0为第一个控制接口，那么接口1则为数据接口。

下面我们来个具体的IAD例子：

图 12 IAD存在时的设备描述符

图 13 IAD

如上图所示，一般IAD存在的情况下，在设备描述符中DeviceClass等三个参数不再都为0x00,图12中为0xef,0x02,0x01，这个表示是复合设备，此时，可以使用IAD来定义多个接口联合起来对应一个USB驱动。从IAD中可以看出，bFunctionClass参数就定义了此IAD表示的设备为CDC类设备，ACM模型。就这样，通过IAD描述符，实现了与Union功能描述符相同的功能。

2.3.4 ACM模型
之前我们已经在控制接口中的功能描述符中已有对ACM(Abstract Control Mode)模型的简介，也有提到过，在PSTN中，除了ACM模式，还有TCM，DLM模式。这三种模式，不同的模式下包含的控制指令集是不尽相同的，有部分控制指令可能同时存在两个或三个模式下，除了控制指令，还有异步通知消息，这个在三个不同模式下也是不相同的。

图 14 ACM模式下的控制指令集

图 15 ACM模式下的异步通知消息

图 16 DLM模式下的控制指令集

图 17 DLM模式下的异步通知消息

图 18 TCM模式下的控制指令集

图 19 TCM模式下的异步通知消息

由图14~19可知，当设备选择了某个模型后，其控制指令集和异步通知消息也就得符合此模式下的对应集合，否则则不符合标准。这里我们主要是使用到ACM模式，因此，此ACM模式下的有Host端发现Device端的控制指令和有Device端向Host端发送的异步通知消息都是固定的那么几条指令或消息，但并不是说，只要是ACM模式，那么就表示此模式下的所有控制指令和异步通知消息都必须支持。控制指令在设备端的控制接口描述符中的ACM功能描述符中的bCapabilities字段有按
位定义ACM模式下的控制指令的支持情况，而异步通知消息，则完全看device端的应用情况是否需要，并没有在任何描述符中指出那些消息是否支持。

在ST给出的CDC例程中，主要是使用到了SetLineCoding指令来设置和修改虚拟串口的波特率，使用GetLineCoding来获取当前波特率，使用SetControlLineState来打开或关闭串口，这种操作是在Host端CDC驱动来具体映射实现的，至于Device端收到这些个控制指令该怎么处理，就是另外一回事了，Device端也可以完全不做任何处理，有CubeMx自动生成的CDC类代码就是这样，对接收到的任何控制指令到没有做任何处理，当然，如果需要的话，则按应用的需要来处理，这个完全取决于用户。

图 20 控制指令操作虚拟串口

图 21 一个ACM模式下的异步通知消息例子

3 CDC类软件框架介绍

3.1 CDC软件框架简介

图 22 CDC类软件框架

如上图所示，黄色USB Device Core部分为USB设备库文件,属于中间件,它为USB协议栈的核心源文件，一般不需要修改：
● USB Device Core中,Log/debug为打印/调试开关;
● core为USB设备核心;
● USB request中定义了枚举过程中各种标准请求的处理；
● I/O request为底层针对USB通信接口的封装。

黄色USB Device Class部分为USB类文件，也属于中间件,USB设备库，目前ST DEMO中支持的类有HID, Customer HID, CDC, MSC, DFU, Audio, ST提供了这些类的源码框架，其他的Class或者是复合设备需要自己根据实际需求情况进行扩展或定制。如果用户需求只是需要一个标准类，比如CDC通信，那么最好就使用现成的代码，不需要做任何修改就可以实现这个CDC类通信的功能。

蓝色USB Device HAL Driver为HAL库部分，是对USB外设接口的封装，属于底层驱动，不需要修改，它分为PCD和LL Driver，PCD处于LL Driver之上。

洋红色USB Device Configuration为USB配置封装，位于USB底层HAL层驱动与中间件USB协议栈之间，一方面向上层(USB设备库)提供各种操作调用接口，另一方面，向底层USB驱动提供各种回调接口。正是由于它的存在，使得USB协议栈(USB设备库)与底层硬件完全分离，从而使USB设备库具有更加兼容所有STM32的通用性。USB Device Configuration为开放给用户的源文件，用户可以根据自己的某些特殊需要进行修改，也可以使用默认的源文件，假如没有任何特殊要求的话，我们使用默认即可。

Application为应用层，USB Device Class有可能将自己对应该的操作接口封装在一个操作数据结构中，由应用来具体实现这些操作，在系统初始化时，由应用将已经定义好的操作接口注册到对应的USB类中，比如usbd_cdc_if，就这样，使得应用层的应用代码与属于中间件层的USB协议栈分离。同时，USB协议栈会将一些字符串描述符放到APP中，当USB初始化时将这些已经定义好的字符串通过指针初始化到USB协议栈中，以便后续需要时获取。

3.2 工程源码文件与软件框架的对应关系

图23 CDC工程中源码与软件框架的对应关系

3.3 USBD内核与USBD_CDC的关系
3.1节中，我们已经提到过ST官方Cube库中提供的官方USB协议栈，主要是包含了USBD内核与USB各种类。USBD内核一般是固定的，用户一般不需要修改，但USBD类，如果用户需要修改或者扩展，比如复合设备或者用户自定义设备，还有就是，ST目前官方提供的USB设备类的DEMO程序并没有囊括所有USB类，因此，若用户需要实现这些官方提供DEMO之外的USB类时，则用户需要根据自己的需要来定制化自己的USB类，那么又该如何开始呢？

我们已经知道，ST提供的USB协议栈中已经有USBD内核，且这个内核源文件一般是不需要修改的，那么这里我们需要自定义这么一个USB类，那么我们首先得知道，这个我们需要自定义的USB类是如何与USBD内核打交道的？

USB协议栈将所有USB类都抽象成一个数据结构：USBD_ClassTypeDef，其定义如下所示：

这个结构体是一个抽象类，定义了一些虚拟函数，比如初始化，反初始化，类请求指令处理函数，端点0发送完成，端点0接收处理，数据发送完成，数据接收处理，SOF中断处理，同步传输发送未完成，同步传输接收未完成处理等等；用户在实现自己具体的USB类的时候需要将它实例化，USBD_ClassTypeDef结构体是USBD内核提供给外部定义一个USB设备类的窗口，而USB类文件(如usbd_cdc.c)实际就是实现这个结构体具体实例化的过程。最后将这个具体实例化的对象注册到USBD内核的同时, USBD内核与USBD类也进行了关联。