USB转多路串口 - USB CDC设备枚举

先上参考资料：
ST社区的： <<USB CDC类入门培训.pdf>>
STM32 USB如何配置多个CDC设备
状态与枚举过程
CDC串口之从认识到认知

USB CDC 类基础

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:

CDC-PSTN之间的关系

USB2.0标准下定义了很多子类，有音频类，CDC类，HID类等，通信类CDC下面，又有一些子类，这里我们主要使用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。PSTN定义了三种模型:DLM(Direct Line Mode),ACM(Abstract Control Model)和 TCM(Telephone Control Model). 一般选择ACM模型，个人估计是该模型控制接口传输的高层指令支持比如设置、获取波特率，设置获取与通信相关的参数，与串口控制，数据传输比较接近。
USB转串口，根据设备类型主要分为USB VCP串口、USB转CDC串口、HID转串口。USB HID从Win2000版本起内置驱动，是真正意义上的免驱，CDC串口驱动从Win10系统版本才开始内置，因CDC协议的用途定位，串口功能较其他方式并不完整。VCP串口驱动只需安装一次也可以联网自动安装，且有部分操作系统会内置厂商VCP驱动。根据实际使用情况，做了下对比汇总：

CDC_HID_VCP类对比

基于CDC-ACM协议开发纯USB传输应用还是十分方便的，工程师只需要关注USB设备本身的开发工作，驱动软件甚至是应用软件均不用开发。
VCP串口主要是指使用厂商专用USB转串口驱动和通信协议实现的串口，该方式也最接近16C450/16C550等原生串口。HID转串口USB传输速度没有CDC和VCP快，不适合较高波特率通讯，且不兼容串口应用软件。

USB设备、接口、端点描述符

USB 协议已规定好支持的设备，主机系统中也准备好了许多对应设备的驱动程序。USB 设备第一次连接到主机时, 主机要知道是哪一类的USB设备才能指派对应的驱动。要知道占用多少资源、使用了哪些传输方式以及传输的数据量等，才能真正开始工作。这些信息是通过存储在设备中的USB描述符来体现的。
一个USB设备只有一个设备描述符，设备描述符里面定义了该设备有多少种配置，每种配置有对应的配置描述符；而在配置描述符中又定义了该配置里面有多少个接口，每个接口有对应的接口描述符；在接口描述符里面又定义了该接口有多少个端点，每个端点对应一个端点描述符；端点描述符定义了端点的大小，类型等等。由此我们可以看出，USB的描述符之间的关系是一层一层的，最上一层是设备描述符，下面是配置描述符，再下面是接口描述符，再下面是端点描述符。在获取描述符时，先获取设备描述符，然后再获取配置描述符，根据配置描述符中的配置集合长度，一次将配置描述符、接口描述符、端点描述符一起一次读回。其中可能还会有获取设备序列号，厂商字符串，产品字符串等。详细关系如下图所示：

描述符层级关系

这些描述符是以字节流的形式传输的，所以软件代码里一般是用数组或者结构体封装。根据协议，主机有询问设备描述和配置描述符的SETUP指令，接口和端点的描述符都包含在配置描述符里。标准的设备描述符如下：

Offset	Field	Size	Value	Description
0	bLength	1	Number	以字节为单位的描述符大小
1	bDescriptorType	1	Constant	设备描述符类型
2	bcdUSB	2	BCD	USB规范版本号
4	bDeviceClass	1	Class	类码
5	bDeviceSubClass	1	SubClass	子类码
6	bDeviceProtocol	1	Protocol	协议码
7	bMaxPacketSize0	1	Number	端点0的最大包大小
8	idVendor	2	ID	厂商ID
10	idProduct	2	ID	产品ID
12	bcdDevice	2	BCD	设备版本号
14	iManufacturer	1	Index	制造商字符串描述符索引
15	iProduct	1	Index	产品的字符串描述符索引
16	iSerialNumber	1	Index	设备序列号的字符串描述符索引
17	bNumConfigurations	1	Number	可能的配置数目

第1个是描述符长度，以字节为单位，第2个字节是类型，描述符基本是这样的开头，后面是该类型下描述符信息。配置描述符以及所包含的接口描述符，端点描述符定义如下：

配置描述符:

Offset	Field	Size	Value	Description
0	bLength	1	0x09	本描述符长度
1	bDescriptorType	1	0x02	CONFIGURATION 类型
2	wTotalLength	2	0x003b	配置总长度，包括后面的接口和端点配置，2字节
4	bNumInterfaces	1	0x02	接口个数
5	bConfigurationValue	1	0x01	Set_Configuration命令所需要的参数值
6	iConfiguration	1	0x03	描述该配置的字符串的索引值
7	bmAttributes	1	0xa0	主机供电(0x80), 自己供电(0xC0)
8	bMaxPower	1	0x2d	主机供电最大电流；0x32(100mA), 0xFA(500mA)

接口描述符:

Offset	Field	Size	Value	Description
0	bLength	1	0x09	本描述符长度
1	bDescriptorType	1	0x04	INTERFACE 类型
2	bInterfaceNumber	1	0x00	当前接口index(编号)
3	bAlternateSetting	1	0x00
4	bNumEndpoints	1	0x01	该接口的端点个数
5	bInterfaceClass	1	0x03	接口通信类别，0x03代表HID设备
6	bInterfaceSubClass	1	0x01	子类别
7	bInterfaceProtocol	1	0x01	这里定义为键盘(Keyboard)
8	iInterface	1	0x02	本描述符长度

端点描述符:

Offset	Field	Size	Value	Description
0	bLength	1	0x07	本描述符长度
1	bDescriptorType	1	0x05	ENDPOINT 类型
2	bEndpointAddress	1	0x81	端点地址，最高bit=1代表IN方向的端点
3	bmAttributes	1	0x03	中断传输(0x03), 批量传输(0x02)
4	wMaxPacketSize	2	0x0008	传输的数据报文最大长度
6	bInterval	1	0x0A

CDC类设备
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。 USB CDC类配置描述符的结构:

CDC类描述符结构

如上图所示，CDC类的配置描述符(1个串口)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。

USB设备状态与枚举过程

USB协议规定USB可见设备状态分为连接(Attached), 上电(Powered)，默认(Default)，地址(Address)，配置(Configured)和挂起(Suspended)6个状态。所谓可见，即USB系统和主机可见的状态，其它状态属于USB设备内部状态。

接入态（Attached）：设备接入主机后，主机通过检测信号线上的电平变化来发现设备的接入；
供电态（Powered）：就是给设备供电，分为设备接入时的默认供电值，配置阶段后的供电值（按数据中要求的最大值，可通过编程设置）
缺省态（Default）：USB在被配置之前，通过缺省地址0与主机进行通信；
地址态（Address）：经过了配置，USB设备被复位后，就可以按主机分配给它的唯一地址来与主机通信，这种状态就是地址态；
配置态（Configured）：通过各种标准的USB请求命令来获取设备的各种信息，并对设备的某此信息进行改变或设置。
挂起态（Suspended）：USB总线处于空闲状态的话，该设备就要自动进入挂起状态，在进入挂起状态后，总的电流功耗不超过280UA。
USB主机在检测到USB设备插入后，就要对设备进行枚举了。Host根据Device所报告上来的参数，获得一些信息，知道设备是什么样的设备，如何进行通信，这样主机就可以根据这些信息来加载合适的驱动程序。

枚举过程

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。

USB2.0协议CDC类设备枚举过程详解

检测电压变化，报告主机
首先，USB设备上电后，一直监测USB设备接口电平变化HUB检测到有电压变化，将利用自己的中断端点将信息反馈给主控制器有设备连接。

Host了解连接的设备
每个hub利用它自己的中断端点向主机报告它的各个端口的状态（对于这个过程，设备是看不到的，也不必关心），报告的内容只是hub端口的设备连接／断开的事件。如果有连接／断开事件发生，那么host会发送一个 Get_Port_Status请求(request)给hub以了解此次状态改变的确切含义。Get_Port_Status等请求属于所有hub都要求支持的hub类标准请求（standard hub-class requests）。

Hub检测所插入的设备是高速还是低速设备
hub通过检测USB总线空闲(Idle)时差分线的高低电压来判断所连接设备的速度类型，当host发来Get_Port_Status请求时，hub就可以将此设备的速度类型信息回复给host。USB 2.0规范要求速度检测要先于复位（Reset）操作。

hub复位设备
主机一旦得知新设备已连上以后，它至少等待100ms以使得插入操作的完成以及设备电源稳定工作。然后主机控制器就向hub发出一个 Set_Port_Feature请求让hub复位其管理的端口(刚才设备插上的端口)。hub通过驱动数据线到复位状态(D+和D-全为低电平 )，并持续至少10ms。当然，hub不会把这样的复位信号发送给其他已有设备连接的端口，所以其他连在该hub上的设备自然看不到复位信号，不受影响。

Host检测所连接的全速设备是否是支持高速模式
因为根据USB 2.0协议，高速（High Speed）设备在初始时是默认全速（Full Speed ）状态运行，所以对于一个支持USB 2.0的高速hub，当它发现它的端口连接的是一个全速设备时，会进行高速检测，看看目前这个设备是否还支持高速传输，如果是，那就切到高速信号模式，否则就一直在全速状态下工作。
同样的，从设备的角度来看，如果是一个高速设备，在刚连接bub或上电时只能用全速信号模式运行（根据USB 2.0协议，高速设备必须向下兼容USB 1.1的全速模式）。随后hub会进行高速检测，之后这个设备才会切换到高速模式下工作。假如所连接的hub不支持USB 2.0，即不是高速hub，不能进行高速检测，设备将一直以全速工作。

Hub建立设备和主机之间的信息通道
主机不停地向hub发送Get_Port_Status请求，以查询设备是否复位成功。Hub返回的报告信息中有专门的一位用来标志设备的复位状态。
当hub撤销了复位信号，设备就处于默认／空闲状态（Default state），准备接收主机发来的请求。设备和主机之间的通信通过控制传输，默认地址0，端点号0进行。此时，设备能从总线上得到的最大电流是100mA。(所有的USB设备在总线复位后其地址都为0，这样主机就可以跟那些刚刚插入的设备通过地址0通信。)

主机发送Get_Descriptor请求获取默认管道的最大包长度
默认管道（Default Pipe）在设备一端来看就是端点0。主机此时发送的请求是默认地址0，端点0，虽然所有未分配地址的设备都是通过地址0来获取主机发来的请求，但由于枚举过程不是多个设备并行处理，而是一次枚举一个设备的方式进行，所以不会发生多个设备同时响应主机发来的请求。
设备描述符的第8字节代表设备端点0的最大包大小。虽然说设备所返回的设备描述符（Device Descriptor）长度只有18字节，但系统也不在乎，此时，描述符的长度信息对它来说是最重要的，其他的瞄一眼就过了。当完成第一次的控制传输后，也就是完成控制传输的状态阶段，系统会要求hub对设备进行再一次的复位操作（USB规范里面可没这要求）。再次复位的目的是使设备进入一个确定的状态。

主机给设备分配一个地址
主机控制器通过Set_Address请求向设备分配一个唯一的地址。在完成这次传输之后，设备进入地址状态（Address state），之后就启用新地址继续与主机通信。设备在，地址在；设备消失（被拔出，复位，系统重启），地址被收回。同一个设备当再次被枚举后得到的地址不一定是上次那个了。

主机获取设备的信息
主机发送 Get_Descriptor请求到新地址读取设备描述符，这次主机发送Get_Descriptor请求可算是诚心，它会认真解析设备描述符的内容。设备描述符内信息包括端点0的最大包长度，设备所支持的配置（Configuration）个数，设备类型，VID（Vendor ID，由USB-IF分配）， PID（Product ID，由厂商自己定制）等信息。

接着说到描述符。总的来讲描述符就是USB设备之间通信的规范。当一个新的USB设备接入时，他的默认地址为0，此时主设备通过描述符识别从设备，并与其通信，来获得更多关于从设备的信息。并为从设备在1到127找到一个没有分配的地址。并将该地址赋给这个从设备，这样，这个从设备就可以使用新获得的地址和主设备通信了。

GET_INTERFACE(取获取接口)
这个请求向指定接口返回选中的备用设备。

一些USB设备有接口设置互斥的配置。这个请求允许主机确定当前选定的备用设置。如果wValue或者wLength的值与上面指定的不一致，那么设备的行为没有定义；如果指定的接口不存在，那么设备将用请求错误响应。

USB CDC 描述符实例

设备描述符:

const uint8_t  MyDevDescr[] =
{0x12,       // bLength0x01,       // bDescriptorType (Device)0x00, 0x02, // bcdUSB 2.0  //    0x10, 0x01, bcdUSB 1.100x00,       // bDeviceClass 以为是: 0xEF 0x02 0x01 实际是：0x00 0x00 0x000x00,       // bDeviceSubClass 0x00,       // bDeviceProtocol DEF_USBD_UEP0_SIZE,   // bMaxPacketSize, 64(uint8_t)DEF_USB_VID, (uint8_t)(DEF_USB_VID >> 8), (uint8_t)DEF_USB_PID, (uint8_t)(DEF_USB_PID >> 8),0x00, 0x02, //0x00, DEF_IC_PRG_VER, // bcdDevice 2.00x01,       // iManufacturer (String Index)0x02,       // iProduct (String Index)0x03,       // iSerialNumber (String Index)0x01,       // bNumConfigurations 1
};

设备描述符定义了USB 2.0设备；指明类别在接口描述符中给出；端点0的最大报文长度；USB 设备的PID, VID；
本项目是模拟了7个串口，配置描述符比较大，还是用数组直接写会非常长。在github上参考了别人的代码，用宏定义了串口描述，数组定义就简洁了许多。宏定义如下：

/*** @brief macro to help generate CDC ACM USB descriptors* @param desc CdcDeviceDesc 对象* */
#define CDC_DESCRIPTOR(desc) \/*Interface Association Descriptor */ \0x08,                                            /* bLength: Interface Association Descriptor size */ \0x0B,                                            /* bDescriptorType: Interface Association */ \desc.CmdInterface,                               /* bFirstInterface: First Interface of Association, 第一个接口的序号 */ \0x02,                                            /* bInterfaceCount: quantity of interfaces in association, 本IDA的接口数量 */ \0x02,                                            /* bFunctionClass: Communication Interface Class, CDC设备 */ \0x02,                                            /* bFunctionSubClass: Abstract Control Model */ \0x01,                                            /* bFunctionProtocol: Common AT commands */ \0x00,                                            /* iInterface */ \\/*Interface Descriptor */ \0x09,                                            /* bLength: Interface Descriptor size */ \0x04,                                            /* bDescriptorType: Interface */ \desc.CmdInterface,                               /* bInterfaceNumber: Number of Interface， 接口编号 */ \0x00,                                            /* bAlternateSetting: Alternate setting */ \0x01,                                            /* bNumEndpoints: One endpoints used */ \0x02,                                            /* bInterfaceClass: Communication Interface Class */ \0x02,                                            /* bInterfaceSubClass: Abstract Control Model */ \0x01,                                            /* bInterfaceProtocol: Common AT commands */ \0x00,                                            /* iInterface */ \\/*Header Functional Descriptor*/ \0x05,                                            /* bLength: Endpoint Descriptor size */ \0x24,                                            /* bDescriptorType: CS_INTERFACE */ \0x00,                                            /* bDescriptorSubtype: Header Func Desc */ \0x10,                                            /* bcdCDC: spec release number */ \0x01, \\/*Call Management Functional Descriptor*/ \0x05,                                            /* bFunctionLength */ \0x24,                                            /* bDescriptorType: CS_INTERFACE */ \0x01,                                            /* bDescriptorSubtype: Call Management Func Desc */ \0x00,                                            /* bmCapabilities: D0+D1 */ \desc.DataInterface,                              /* bDataInterface */ \\/*ACM Functional Descriptor*/ \0x04,                                            /* bFunctionLength */ \0x24,                                            /* bDescriptorType: CS_INTERFACE */ \0x02,                                            /* bDescriptorSubtype: Abstract Control Management desc */ \0x02,                                            /* bmCapabilities */ \\/*Union Functional Descriptor*/ \0x05,                                            /* bFunctionLength */ \0x24,                                            /* bDescriptorType: CS_INTERFACE */ \0x06,                                            /* bDescriptorSubtype: Union func desc */ \desc.CmdInterface,                               /* bMasterInterface: Communication class interface */ \desc.DataInterface,                              /* bSlaveInterface0: Data Class Interface */ \\/* Command Endpoint Descriptor， 控制端点描述符(IN) */ \0x07,                                            /* bLength: Endpoint Descriptor size */ \0x05,                                            /* bDescriptorType: Endpoint */ \desc.CmdEndPoint,                                /* bEndpointAddress */ \0x03,                                            /* bmAttributes: Interrupt */ \0x40,                                            /* wMaxPacketSize: 报文最大字节数（低位）*/ \0x00, \0x10,                                            /* bInterval: */  \\/* Data class interface descriptor */ \0x09,                                            /* bLength: Endpoint Descriptor size */ \0x04,                                            /* bDescriptorType: */ \desc.DataInterface,                              /* bInterfaceNumber: Number of Interface */ \0x00,                                            /* bAlternateSetting: Alternate setting */ \0x02,                                            /* bNumEndpoints: Two endpoints used */ \0x0A,                                            /* bInterfaceClass: CDC */ \0x00,                                            /* bInterfaceSubClass: */ \0x00,                                            /* bInterfaceProtocol: */ \0x00,                                            /* iInterface: */ \\/* Data Endpoint OUT Descriptor, 数据端点描述符(OUT) */ \0x07,                                            /* bLength: Endpoint Descriptor size */ \0x05,                                            /* bDescriptorType: Endpoint */ \desc.DataOutEndPoint,                            /* bEndpointAddress */ \0x02,                                            /* bmAttributes: Bulk */ \0x40,                                            /* wMaxPacketSize: */ \0x00, \0x00,                                            /* bInterval: ignore for Bulk transfer */ \\/* Data Endpoint IN Descriptor, 数据端点描述符(IN) */ \0x07,                                            /* bLength: Endpoint Descriptor size */ \0x05,                                            /* bDescriptorType: Endpoint */ \desc.DataInEndPoint,                             /* bEndpointAddress */ \0x02,                                            /* bmAttributes: Bulk */ \0x40,                                            /* wMaxPacketSize: */ \0x00, \0x00                                             /* bInterval: ignore for Bulk transfer */// 每个控制接口号都是数据接口号 + 固定偏移
#define CMD_EP_OFFSET   (7)  // 从8改为7就没报 USBFS_UIS_TOKEN_IN 的 TOG error了，奇怪/*** @brief 定义CDC 设备描述符关键接口属性* */
struct CdcDeviceDesc
{uint8_t CmdInterface;    // 控制（命令）接口号uint8_t DataInterface;   // 数据接口号uint8_t CmdEndPoint;     // 控制端点uint8_t DataOutEndPoint; // 数据端点(OUT 方向)uint8_t DataInEndPoint;  // 数据端点(IN 方向)
};const static struct CdcDeviceDesc CDC_DEV_DESCs[USB_CDC_NUM] = 
{{0,  1,  0x81+CMD_EP_OFFSET, 0x01, 0x81}, // 通道0， 接口使用0和1, 端点：1{2,  3,  0x82+CMD_EP_OFFSET, 0x02, 0x82},{4,  5,  0x83+CMD_EP_OFFSET, 0x03, 0x83},{6,  7,  0x84+CMD_EP_OFFSET, 0x04, 0x84},{8,  9,  0x85+CMD_EP_OFFSET, 0x05, 0x85},{10, 11, 0x86+CMD_EP_OFFSET, 0x06, 0x86},{12, 13, 0x87+CMD_EP_OFFSET, 0x07, 0x87}
};/* Configure descriptor 配置描述 */
const uint8_t MyCfgDescr[] =
{0x09, // 长度，包括自已，下同0x02, // configuration0xD7, // 配置描述数组(MyCfgDescr)大小, 66 * 7 + 9 = 471 = 0x01D70x01,(uint8_t)(USB_CDC_NUM*2), // 接口大小，每个CDC有2个interface0x01, // configuration value0x00, // index of string descriptor describing the configuration0x80, // bmAttributes: 主机供电(0x80)。如果是自己供电这里配置为：0xC00xFA, // max power: 0x32->100mA, 0xFA->500mACDC_DESCRIPTOR(CDC_DEV_DESCs[0]), CDC_DESCRIPTOR(CDC_DEV_DESCs[1]), CDC_DESCRIPTOR(CDC_DEV_DESCs[2]), CDC_DESCRIPTOR(CDC_DEV_DESCs[3]), CDC_DESCRIPTOR(CDC_DEV_DESCs[4]), CDC_DESCRIPTOR(CDC_DEV_DESCs[5]), CDC_DESCRIPTOR(CDC_DEV_DESCs[6]),
};

看代码的注释即可，不再说明了。

(end)