如何在i.MX RT上同时支持七路虚拟USB串口

NXP管管

1简介


本文基于MCUXpresso SDK的USB协议栈，讨论了多CDC ACM在NXP RT1060平台的实现。文中的工作在MCUXpresso SDK USB协议栈的基础上做了两处改进：
       1.由于Notification功能在大多数实际的CDC ACM应用中基本不会用到，本文去掉了Notification使用的EP，在EHCI USB控制器支持8个双向硬件EP的情况下，实现了多达7个CDC ACM通道的理论最大值。
       2.屏蔽了复杂的USB协议和代码的诸多细节，使得CDC ACM 的数量仅仅由一个宏来进行控制，这样把开发时切换CDC ACM数目的时间，从数小时到数天缩短为秒级，大幅提升了用户使用体验。
       改进之后的代码经过在RT1060 EVK上面测试，运行良好。

2浅析CDC ACM


USB CDC的内容非常广泛，本文只讨论其最常见的一种应用模型——ACM。ACM是英文Abstract Control Model的缩写。这个模型是隶属于PSTN设备，PSTN是Public Switched Telephone Network的英文缩写。PSTN是一种非常古老的电话交换网络。ACM是为模拟PSTN中传统的Modem设备而设计的。
我们知道，Modem的控制接口正是UART。全功能支持Modem的UART控制信号线多达9根。但是在嵌入式的世界，更多使用的是精简版本的UART，即只使用TX、RX、GND这三个信号实现简单的双向通信。所以我们可以把CDC ACM看成是一个USB to UART的Bridge。
随着时代的发展，很多PC，尤其是笔记本电脑，目前已经取消了UART，USB成为了主流的标配。但是，多年来，由于UART简单易用，并且有深厚的群众基础，经年累月的使用习惯，放弃UART会是一件很痛苦的事情。而主流的OS比如Linux、Windows、MacOS对CDC ACM的支持都很好，CDC ACM逐渐的代替了传统的物理串口，延续了传统物理串口在新型电脑上的使用。在PC上，UART的肉体灭亡了，但是灵魂依旧永存，依附于USB，UART会一直存在。
从协议的角度讲CDC ACM，相信会很枯燥。因为USB浩如烟海的复杂协议会看得每个正常的人心烦意乱。所以小编这里并不准备把整个CDC ACM的协议内容在这里完整的讲一遍，那实在是太复杂了。但是如果完全不讲协议，小编也无法表达多CDC ACM实现技术的重点。下面小编会尝试用最简洁的方式来进行表达，会涉及协议，但是会突出重点，省略掉很多不重要的细节。
让我们先看看一个CDC ACM是如何构成的：

这里可以看到，一个CDC ACM实例由Communication接口和Data接口构成。Communication接口包含class专用接口和一个可选的中断型EP。而Data接口包含一对双向的BULK EP用于数据通信，他们就是虚拟UART的TX和RX的物理载体。
在我们SDK的默认实现中，Communication接口下的端点默认是使能的。这样，实现一个CDC ACM通道就需要2个端点，RT1060的USB控制器共有8个双向端点。除去端点0，只有7个端点可以用于CDC ACM，这样RT1060上可实现的CDC ACM实例最大数目为3。
而根据USB规范，Communication接口下的端点是可选的，小编尝试了对此端点进行移除。移除后，每个CDC ACM仅占用一个双向端点，这样，最终成功实现了7个CDC ACM实例。
小编在实践的过程中，心中一直有个疑问，那就是Communication接口的那个Notification用的INT IN EP到底是干嘛用的。借助协议分析仪提供的线索，小编终于在Spec中找到了定义：

说白了是全功能UART的设备状态模拟，用于原始Modem的状态上报和载波控制。而我们大多数的情况下使用CDC ACM，只是为了做简单的双向收发，而并不需要全功能的UART。在移除了Notification EP后，系统会变得更加简单，CDC ACM模拟的全功能UART退化为只有TX、RX的精简版本。
小编在实践过程中的另一个疑问是，对于多CDC的情况，设置波特率之类的命令，是如何区分该命令是给哪个CDC ACM的实例呢？
借助于USB逻辑分析仪，我们可以很快找到答案，每一组命令都是针对某一个Interface的，我们可以通过Interface的编号来识别当前的命令是传给哪一个CDC ACM实例的。

下图更加清晰地展示了实现的诸多细节。需要注意的是，这些命令是从EP0走的，移除Notification EP对此命令并无影响。

说到这里，小编想小结一下：CDC ACM是用于模拟PSTN环境下的Modem控制接口，即全功能UART，我们可以在此基础上进行精简，得到仅具备TX, RX功能的虚拟UART设备。


3通过一个宏定义来控制CDC的实例数


由于USB协议和代码的复杂性，为了方便用户使用，小编实现了通过一个宏定义来控制CDC的通道数。用户只需要修改一个宏定义的值，就可以控制CDC的通道数量，代码如下：
#define USB_DEVICE_CONFIG_CDC_ACM  (6U)
具体的实现，有兴趣的读者可以去参考本文提供的代码，这里小编只说一下实现的思路。


为了实现通过一个宏控制CDC的数量，我们需要软件能够提供以下功能：
自动分配每个CDC ACM的接口编号


自动分配每个CDC ACM的端点编号


自动生成配置描述符


自动初始化SDK USB协议栈的数据结构


自动匹配SDK USB协议栈的其他各种要求


为了完成所有这些自动化的操作，经粗略统计，在原始SDK的基础上，涉及的更改点大约有66处。


4测试


1.CDC通道数测试：
小编依次修改配置宏定义，成功的测试了CDC ACM通道数从1到7的全部情况。
下面是7个通道枚举后，在设备管理器中显示的截图：

2.7个CDC通道同时通信测试：
为了进行测试，小编同时开了7个串口终端，测试结果如下图所示，7个终端均能独立正常通信。

5获取源代码


本文的原代码可以从github.com进行下载，无需密码，下载链接为：
http://github.com/jiaguonxpcom/usb_ncdc
该代码编译后可以直接下载到RT1060 EVK运行。

6特别感谢


在本人的实践过程中，最开始只是实现了nCDC用一个宏定义的自动生成部分，并未能成功实现CDC ACM的Communication接口下的EP移除，在RT1060最大仅能自动实现3个CDC ACM实例。
来自NXP LPC/Kinetis SE团队的ZhangYang同学提供的AN给出了详细的操作细节（ZhangYang同学成功的在Kinetis MCU上实现了15个CDC ACM实例，其USB控制器支持16个硬件端点）。另外，来自NXP中国区SE团队的资深USB专家梁平老师提供了宝贵的理论指导意见。在二位同事的热心帮助下，才使本文设计的实验能成功实现，并发布本文章。
在此，小编向二位表示深深的感谢！




作者：郭嘉                    文章出处：恩智浦MCU加油站

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1209实验室@ujn

这个文章好啊，我也正在看USB，学习了

guoyuli

这个在什么情况下会使用到

jobszheng5

这篇文章的含金量可高啊