《ESP32-P4开发指南— V1.0》第四十六章 初识USB

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第四十六章 初识USB

1）实验平台：正点原子DNESP32P4开发板

2）章节摘自【正点原子】ESP32-P4开发指南— V1.0

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随着现代电子设备的飞速发展，USB（Universal Serial Bus，通用串行总线）协议已成为各种设备间实现高速数据传输和设备供电的标准接口。无论是个人计算机、智能手机，还是嵌入式设备开发，USB协议在数据传输、外设扩展等方面都发挥着重要作用。在本章中，我们将了解USB协议的基础知识，为后续学习ESP32-P4 USB模块的开发和使用打下坚实的基础。
46.1 USB简介
46.2 ESP32-P4 USB简介
46.3 tinyusb软件库解析

46.1 USB简介
USB（Universal Serial Bus，通用串行总线）是一种广泛应用的总线标准，用于连接主机与外设设备，实现数据传输、电源供给等功能。作为现代电子设备间通信的核心技术，USB以其高效性和易用性成为了嵌入式开发中不可或缺的组成部分。
USB协议由USB IF（USB Implementers Forum）制定，涵盖了多个版本，包括USB 1.1、USB 2.0、USB 3.0等。这些标准定义了USB接口的各个层次协议，从物理层、数据链路层到高层协议，如传输层、会话层和表示层。此外，USB还规定了丰富的设备类（Device Class）标准，例如HID（人机接口设备）、MSC（大容量存储设备）、CDC（通信设备类）、Audio、Video等，这些设备类为USB的广泛应用奠定了基础。
USB本身的知识体系非常复杂，本节只能作一点知识点的引入。本书篇幅有限，不可能在这里详细介绍，想更系统地学习USB的知识可以参考《圈圈教你玩 USB》、塞普拉斯提供的《USB 101：通用串行总线 2.0 简介》等文献，下面我们一起来看USB的简单特性：
1，USB的硬件接口
USB协议有漫长的发展历程，为的不同的场合和硬件功能而发展出不同的接口：Type-A、Type-B、Type-C，Type-C规范碰巧是跟着USB3.1的规范一起发布的。常见的接口类型列出如下图所示。

图46.1.1 常见的USB连接器的形状

USB 发展到现在已经有 USB1.0/1.1/2.0/3.x/4等多个版本。目前用的最多的就是版本 USB1.1和USB2.0，USB3.x/USB4目前也在加速推广。从图中可以发现不同的版本的USB接口内的引脚数量是有差异的。USB3.0以后为了提高速度，采用了更多数量的通讯线，比如同样的是Type A接口，USB2.0版本内部只有四根线，采用半双工式广播式通讯，USB3.0版本则将通讯线提高到了9根，并可以支持全双工非广播式的总线，允许两个单向数据管道分别处理一个单向通信。
USB2.0常使用四根线：VCC（5V）、GND、D+（3.3V）和D-（3.3V） （注：五线模式多了一个DI脚用于支持OTG模式，OTG为USB主机+USB设备双重角色），其中数据线采用差分电压的方式进行数据传输。在USB主机上，D-和D+都是接了15K的电阻到地的，所以在没有设备接入的时候，D+、D-均是低电平。而在USB设备中，如果是高速设备，则会在D+上接一个1.5K的电阻到3.3V，而如果是低速设备，则会在D-上接一个1.5K的电阻到3.3V。这样当设备接入主机的时候，主机就可以判断是否有设备接入，并能判断设备是高速设备还是低速设备。
关于USB硬件还有更多具体的细节规定，硬件设计时需要严格按照USB的器件的使用描述和USB标准所规定的参数来设计。
2，USB速度
USB规范已经为USB系统定义了以下四种速度模式：低速（Low-Speed）、全速（Full-Speed）、高速（Hi-Speed）和超高速（SuperSpeedUSB）。接口的速度上限与设备支持的USB协议标准和导线长度、阻抗有关，不同协议版本对硬件的传输线数量、阻抗等要求各不相同，各个版本的能达到的理论速度上限对应如下图。

图46.1.2 USB协议发展与版本对应的速度

USB端口和连接器有时会标上颜色，以指示USB规格及其支持的功能。这些颜色不是USB规范所要求的，并且在设备制造商之间不一致。例如，常见的支持USB3.0的U盘和电脑等设备使用蓝色指示，英特尔使用橙色指示充电端口等。
3，USB系统
USB系统主要包括三个部分：控制器（Host Controller）、集线器 (Hub) 和USB设备。
控制器（Host Controller），主机一般可以有一个或多个控制器，主要负责执行由控制器驱动程序发出的命令。控制器驱动程序(Host Controller Driver)在控制器与USB设备之间建立通信信道。
集线器(Hub)连接到USB主机的根集线器，可用于拓展主机可访问的USB设备的数量。
USB设备(USB Device)则是我们常用的如U盘，USB鼠标这类受主机控制的设备。
4，USB通讯
USB针对主机、集线器和设备制定了严格的协议。概括来讲，通过检测、令牌、传输控制、数据传输等多种方式，定义了主机和从机在系统中的不同职能。USB系统通过“管道”进行通讯，有“控制管道”和“数据管道”两种，“控制管道”是双向的，而每个“数据管道”则是单向的，这种关系如下图所示。

图46.1.3 USB管道模型

USB通讯中的检测和断开总是由主机发起。USB主机与设备首次进行连接时会交换信息，这一过程叫“USB枚举”。枚举是设备和主机间进行的信息交换过程，包含用于识别设备的信息。此外，枚举过程主机需要分配设备地址、读取描述符（作为提供有关设备信息的数据结构），并分配和加载设备驱动程序，而从机需要提供相应的描述符使主机知悉如何操作此设备。整个过程需要数秒时间。完成该过程后设备才可以向主机传输数据。数据传输也有规定的三种类型，分别是：IN/读取/上行数据传输、OUT/写入/下行数据传输、控制数据传输。
USB通过设备端点寻址，在主机和设备间实现信息交流。枚举发生前有一套专用的端点用于与设备进行通信。这些专用的端点统称为控制端点或端点0，有端点0 IN和端点0 OUT两个不同的端点，但对开发者来说，它们的构建和运行方式是一样的。每一个USB设备都需要支持端点0。因此，端点0不需要使用独立的描述符。除了端点0外，特定设备所支持的端点数量将由各自的设计要求决定。简单的设计（如鼠标）可能仅要一个IN端点。复杂的设计可能需要多个数据端点。
USB规定的4种数据传输方式也是通过管道进行，分别是控制传输（Control Transfer）、中断传输（Interrupt Transfer）、批量传输或叫块传输（Bulk Transfer）、实时传输或叫同步传输（Isochronous Transfer），每种模式规定了各自通讯时使用的管道类型。
关于USB还有很多更详细的时序和要求，像USB描述符、VID/PID的规定、USB类设备和调试等。因为USB2.0和之后的版本有差异，这里就不再为大家列举了。

46.2 ESP32-P4 USB简介
乐鑫ESP32-P4内置了USB 2.0 OTG High-Speed、USB 2.0 OTG Full-Speed和USB-Serial-JTAG外设，为开发者提供了支持USB多媒体、通信、存储、人机交互等多种应用的能力。在嵌入式领域，USB的使用不仅扩展了设备功能，还大大简化了设备开发的复杂性。下图为ESP32-P4 USB功能架构的示意图。

图46.2.1 USB功能架构

上图展示了ESP32-P4在USB Host和Device模式下的功能支持和驱动架构。可通过Full-Speed USB-OTG和High-Speed USB-OTD实现这些功能。
下面，笔者着重讲解ESP32-P4的USB 2.0 OTG High-Speed、USB 2.0 OTG Full-Speed、USB-Serial-JTAG和USB PHY相关知识。

46.2.1 USB-OTG Full-speed控制器简介
ESP32-P4芯片内置USB-OTG Full-speed外设，它包含了USB控制器和USB PHY，支持通过USB连接到PC机上，实现USB Host和USB Device功能。虽然这一个控制器总线传输速率为12Mbps，但由于USB传输存在一些校验和同步机制，所以实际的有效传输速率将低于12Mbps。具体速率与传输类型相关，如下表所示。

表46.2.1.1 USB-OTG 传输速率

上述传输速率计算方法：传输速率（Bytes/s）= 传输的最大尺寸 * 每毫秒传输包数量 * 1000。下面，笔者重点讲解USB-OTG FS控制器与各个接口的交互，如下图所示。

图46.2.1.2 OTG_FS系统框架

上图是关于ESP32-P4芯片中的USB OTG FS模块架构的功能说明图，详细展示了USB控制器核心与各个接口的交互。下面笔者结合《ESP32-P4技术参考手册》来讲解这个框图。
1，USB Controller Core（USB控制器核心）
OTG_FS外设的核心部分，负责USB功能的主要处理。它与多种接口协同工作以完成数据传输及控制操作。
2，CPU Interface（CPU接口）
提供对控制器核心寄存器和FIFO的读/写访问。使用内部实现的AHB从接口，以“Slave Mode”方式访问FIFO。
3，APB Interface（APB接口）
它用于通过外部USB控制器管理控制器核心。允许CPU控制外部模块或进行查询操作。
4，DMA Interface（DMA接口）
控制器核心通过该接口以DMA模式访问系统内存。使用AHB主接口实现数据负载的读取与写入。
5，USB 2.0 Full-Speed Interface（USB全速接口）
用于连接USB 2.0全速串行收发器。ESP32-P4包含两个全速收发器（FS_PHY1 和 FS_PHY2），可通过时分复用分别为USB Serial/JTAG控制器和USB OTG服务，eFuse可配置这些收发器的连接关系，支持灵活调整硬件功能。
6，USB External Controller（USB外部控制器）
控制USB串行接口与核心寄存器的路由。支持电源管理功能，例如通过关闭AHB时钟或SPRAM时钟来实现节能。
7，Data FIFO RAM Interface（FIFO数据RAM接口）
控制器核心的多个FIFO动态分配在SPRAM中，而非控制器核心内。数据访问通过该接口路由到SPRAM。

46.2.2 USB-Serial-JTAG 外设简介
ESP32-P4/S3等芯片内置USB-Serial-JTAG外设，它包含了USB-to-serial转换器和USB-to-JTAG转换器，支持通过USB线连接到PC，实现固件下载、调试和打印系统LOG等功能。USB-Serial-JTAG 外设知识请翻阅本书籍的第九章节。

46.2.3 USB 2.0 OTG High-Speed控制器简介
ESP32-P4芯片集成了一个USB 2.0 High-Speed On-The-Go（OTG_HS）外设，配备高性能的内置收发器。该OTG_HS控制器符合USB 2.0标准、OTG 1.3和OTG 2.0修订版规范，支持以下数据传输速率：
1）高速（High-Speed）：480Mbit/s
2）全速（Full-Speed）：12Mbit/s
3）低速（Low-Speed）：1.5Mbit/s
在不同速率下，OTG_HS的配置方式如下：
1）高速和全速模式：可配置为 主机（Host）或 设备（Device）。
2）低速模式：只能配置为 主机（Host）。
OTG_HS使用与OTG_FS相同的USB控制器核心，主要由以下几个接口组成，如下图所示。

图46.2.3.1 OTG_HS系统框架

上图展示了OTG_HS的系统架构。控制器核心通过多个接口（如CPU接口、DMA接口、数据FIFO接口）与SPRAM、系统内存以及USB 2.0收发器进行交互。下面笔者结合《ESP32-P4技术参考手册》来讲解这个框图。
1，CPU Interface（CPU接口）
提供对控制器核心的寄存器和FIFO的读写访问，内部实现为AHB从接口。通过CPU接口访问FIFO的方式被称为Slave模式。
2，DMA Interface（DMA接口）
为控制器核心内部的DMA提供对系统内存的读写访问能力，例如在DMA模式下处理数据负载的读取和写入操作。该接口内部实现为AHB主接口。
3，USB 2.0 HS PHY（USB 2.0 接口）
连接控制器核心与USB 2.0 UTMI串行收发器，通过此接口支持高速和全速数据传输速率。
4，Data FIFO interface（数据 FIFO 接口）
控制器核心使用的多个 FIFO 实际上存储在单口 RAM（SPRAM）中，并非直接位于控制器核心内部。FIFO 的大小为动态分配，在运行时根据需求分配到 SPRAM。当 CPU、DMA 或控制器核心尝试访问 FIFO 时，这些访问均通过数据 FIFO 接口路由。

46.2.4 USB PHY/Transceiver 简介
USB Full-speed PHY/Transceiver的功能是将USB控制器的数字信号转换为USB总线信号电平，提供总线驱动能力，检测接收错误等。ESP32-P4/S3等芯片已内置一个USB Full-speed PHY，用户可直接使用芯片指定的USB D+/D-与外部USB系统通信。此外，ESP32-P4/S3还保留了外部PHY的扩展接口，用户可在需要时连接外部PHY。值得注意的是，ESP32-P4内置USB-OTG和USB-Serial-JTAG，两者共用一个内部PHY，同一时间只能有一个工作，下图为ESP32-P4的全速USB与USB-Serial-JTAG功能框图。

图46.2.3 全速USB 功能框图

对于同时具有USB-OTG和USB-Serial-JTAG两个外设的芯片，默认情况下USB-Serial-JTAG 与内部USB-PHY连接。用户可以直接通过USB接口进行下载或调试，无需额外配置。如需使用USB Host Driver或TinyUSB协议栈开发USB-OTG应用，在协议栈初始化时，USB-PHY连接会自动切换为USB-OTG，用户不必再进行配置。在USB-OTG模式下，如果用户需要使用USB-Serial-JTAG的下载功能，需要手动Boot到下载模式。

46.3 Tinyusb简介
Espressif 官方并未提供专属的 USB 协议库，而是基于市场上开源的 TinyUSB 协议库进行了封装。因此，若想学习 ESP32 系列芯片的 USB 协议，建议从 TinyUSB 入手。读者可以在https://github.com/hathach/tinyusb上获取相关资料并进行学习。下面我们了解一下Tinyusb吧。
TinyUSB是一个开源的嵌入式USB主机/设备栈库，主要用于支持小型微控制器上的USB功能。它由Adafruit开发和维护，旨在提供一个轻量级、跨平台、易于集成的USB协议栈TinyUSB支持多种USB设备类型，包括HID（人机接口设备）、MSC（大容量存储）、CDC（通信设备类）、MIDI（音乐设备数字接口）等，适用于各种嵌入式系统和物联网设备。下图为原生TinyUSB协议库架构示意图。

图46.3.1 原生TinyUSB协议库架构示意图

从上图可以看到，TinyUSB协议库由三层组成：应用层、协议栈层和MCU接口层。应用层是用户开发的核心，负责调用协议层的API来实现具体USB实现；协议栈层基于USB标准协议，提供主机和设备API及操作系统抽象支持；MCU接口层直接操作MCU的USB寄存器，是硬件驱动的基础。通过这种分层设计，TinyUSB屏蔽底层复杂性，开发者只需关注应用层和协议栈层即可快速构建USB应用。
下面，我们来看一下上图TinyUSB协议库各个模块的作用。
1，应用层（Application）
这是用户定义的应用程序代码，直接调用TinyUSB提供的接口。
2，主机类和设备API
1）TUH（Host Class API）：主机功能相关接口。
2）TUD（Device Class API）：设备功能相关接口。
3，USB驱动层
1）USBH（USB Host Driver）：实现主机功能的驱动。
2）USBD（USB Device Driver）：实现设备功能的驱动。
4，操作系统抽象层（OSAL）
TinyUSB通过将所有中断服务请求（ISR）事件推送到中央队列中，并在非中断上下文的任务函数中处理这些事件，从而实现了完全的线程安全。它使用信号量和互斥锁来管理对共享资源（如通信设备类（CDC）FIFO）的访问。因此，协议栈需要依赖操作系统（OS）的一些基础 API。目前，TinyUSB已原生支持FreeRTOS和RT-Thread操作系统，也可配置为裸机运行，方便开发者快速集成到不同环境中。
5，控制器驱动层
1）HCD（Host Controller Driver）：主机控制器驱动。
2）DCD（Device Controller Driver）：设备控制器驱动。
根据TinyUSB官方所述，TinyUSB协议库目前支持的CPU非常多，比如ESP32、STM32、WCH和GD等多个芯片厂商，但是并不是所有的芯片都支持，若我们想移植TinyUSB协议库到自己的项目工程，可以先看一下官方支持的CPU。
根据TinyUSB官方的说明，TinyUSB协议库目前支持多种CPU平台，例如ESP32、STM32、WCH和GD等多个芯片厂商的产品。然而，并不是所有的芯片都默认支持TinyUSB。如果需要将TinyUSB协议库移植到自己的项目中，建议首先查看官方文档中列出的已支持CPU平台，以确认目标芯片是否兼容，避免不必要的移植工作。
之前我们了解到，Esperssif官方并没有提供专属的 USB 协议库，而是基于TinyUSB 协议库进行了封装。下图为ESP32基于原生的TinyUSB封装了以下的组件。

图46.3.2 ESP32基于原生的TinyUSB封装的组件

通过上图可以看出，Espressif官方并未提供专属的USB协议库，而是基于开源的TinyUSB协议库进行了封装，并针对ESP32系列芯片（需要ESP-IDF≥5.0）开发了以下模块：
1，esp_tinyusb
支持大多数USB设备类（如 HID、CDC 等），适用于各种常见USB 设备需求。
2，usb_device_uac
专门用于支持 UAC（音频类）设备，适用于音频输入输出等音频相关设备的 USB 接口。
3，usb_device_uvc
专门支持 UVC（USB 视频类）设备，适用于视频设备如USB摄像头等的开发需求。
这些模块通过封装简化了 USB 功能的实现，为开发者提供了高效便捷的接口，以便在 ESP32 等微控制器上快速集成多种 USB 功能模块，涵盖音频、视频及其他通用设备类应用场景。