V-USB USB設備模擬原理分析

V-USB USB設備模擬原理分析

通過分析V-USB項目的核心文件,詳細解釋這個項目是如何在AVR微控制器上模擬USB設備的:

1. 整體架構

V-USB是一個純軟件實現的USB低速設備驅動,主要由以下幾個核心文件組成:

  • usbdrv.c : USB協議棧的C語言實現
  • usbdrvasm.S : 時序關鍵的匯編代碼實現
  • oddebug.c : 調試功能
  • main.c : HID數據傳輸示例應用

2. 硬件接口模擬

USB信號線連接

usbconfig.h 可以看到:

#define USB_CFG_IOPORTNAME      D
#define USB_CFG_DMINUS_BIT      4  // D-連接到PD4
#define USB_CFG_DPLUS_BIT       2  // D+連接到PD2 (也是INT0)

中斷驅動機制

  • D+線連接到硬件中斷INT0,用于檢測USB數據包的開始
  • 使用外部中斷觸發USB數據包的接收和處理
  • 通過精確的時序控制來模擬USB協議的電氣特性

3. 軟件協議棧實現

USB描述符定義

usbdrv.c 中定義了標準的USB描述符:

// 設備描述符
PROGMEM const char usbDescriptorDevice[] = {18,         /* 描述符長度 */USBDESCR_DEVICE,        /* 描述符類型 */0x10, 0x01,             /* USB版本 */// ... 其他字段
};// 配置描述符
PROGMEM const char usbDescriptorConfiguration[] = {// 配置描述符內容
};

HID報告描述符

main.c 中定義了HID設備的報告描述符:

PROGMEM const char usbHidReportDescriptor[22] = {0x06, 0x00, 0xff,              // USAGE_PAGE (Generic Desktop)0x09, 0x01,                    // USAGE (Vendor Usage 1)0xa1, 0x01,                    // COLLECTION (Application)// ... 定義128字節的特征報告
};

4. 時序關鍵的匯編實現

CRC計算

usbdrvasm.S 包含了高效的CRC16計算實現:

usbCrc16:mov     ptrL, argPtrLmov     ptrH, argPtrHldi     resCrcL, 0xFFldi     resCrcH, 0xFF// ... CRC計算循環

時鐘頻率適配

根據不同的時鐘頻率包含相應的匯編實現:

#if USB_CFG_CLOCK_KHZ == 12000
#   include "usbdrvasm12.inc"
#elif USB_CFG_CLOCK_KHZ == 16000
#   include "usbdrvasm16.inc"
// ... 其他頻率

5. USB協議處理

Setup請求處理

函數處理USB控制傳輸:

usbMsgLen_t usbFunctionSetup(uchar data[8])
{usbRequest_t *rq = (void *)data;if((rq->bmRequestType & USBRQ_TYPE_MASK) == USBRQ_TYPE_CLASS){if(rq->bRequest == USBRQ_HID_GET_REPORT){// 處理HID GET_REPORT請求bytesRemaining = 128;currentAddress = 0;return USB_NO_MSG;  // 使用usbFunctionRead()獲取數據}// ... 其他HID請求處理}return 0;
}

數據傳輸函數

  • : 從EEPROM讀取數據發送給主機
  • : 接收主機數據寫入EEPROM

6. 調試支持

oddebug.c 提供了串口調試功能:

void odDebug(uchar prefix, uchar *data, uchar len)
{printHex(prefix);uartPutc(':');while(len--){uartPutc(' ');printHex(*data++);}// 輸出調試信息到串口
}

7. 關鍵技術特點

精確時序控制

  • 必須在7個位時間內開始回復USB請求
  • 使用匯編代碼確保關鍵路徑的時序精度
  • 支持12MHz、15MHz、16MHz、20MHz等時鐘頻率

低速USB實現

  • 僅支持USB低速模式(1.5 Mbps)
  • 使用1.5kΩ上拉電阻連接D-到3.3V標識為低速設備
  • 通過軟件位填充和解填充處理USB數據

中斷驅動架構

  • 整個USB通信在中斷服務程序中處理
  • 中斷延遲不能超過25個時鐘周期
  • 支持端點0(控制傳輸)和可選的中斷端點

總結

V-USB通過巧妙的軟硬件結合,在沒有專用USB硬件的AVR微控制器上實現了完整的USB設備功能。它使用GPIO引腳模擬USB信號線,通過外部中斷檢測數據包,用精確的匯編代碼處理時序關鍵的USB協議,并提供了完整的USB協議棧實現。這個項目展示了如何用純軟件方法實現復雜的硬件協議,是嵌入式系統中軟件模擬硬件的經典案例。

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