STM32F1 F4 USB 工程更新

现状

• 基于STM32CubeMX的F103/F40X的USB堆栈测试完毕；
• 基于Mbed OS的F103/F40X的USB堆栈测试完毕；
• 主要测试USB CDC设备；
• 基于USB ACM/CDC实现nRF24L01及类似“小无线”系统集成；
• 基于USB ACM/CDC开发了VT100 cmdline
• 基于USB ACM/CDC和cmdline实现SPI NOR Flash的读写；
• 基于USB ACM/CDC开发HCI定制协议；
• 基于Linux udev的USB设备插入拔出时间的检测；

计划

• 开发其他TLV类型二进制协议和基于字符串的JSON RPC等协议；
• 实现xmodem传输；
• 实现I2C设备扫描与访问；
• 更新现有的LoRaPHY/Aloha/LoRaWAN USB Dongle；
• 支持C8T6/RCT6等多种核心板，以应对更加复杂的堆栈；
• 支持USB ECM，以直接支持6LowPAN等物联网设备；
• 集成Arduino STM32的Bootloader实现固件升级。

开源设计与板级产品

• 大部分设计都是开源设计；
• 或有根据客户要求定制进行设计；

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代码设计过程

以下内容针对Mbed C++和STM32F103/F407

今天完成的主要是在USB通道上实现VT100 cmdline，可以通过TeraTerm终端来配置管理设备，或者通过专门的cmd/GUI上位机程序实现自动化配置。最早基于C和串口，在Mbed Serial类上移植也很容易。但是在USB信道上实现cmdline很花费了一些时间，且有了反复。主要原因是USB对象初始化的特殊性，以及Mbed C++与基于标准库或HAL库的原始设计的差异所造成的。

基于标准库或者HAL库的模板一般是：

• 将所需硬件资源（串口、GPIO）声明为main的全局变量
• 将USB声明为 extern 全局变量
• 在主函数中配置时钟，初始化这些硬件资源
• 展开应用逻辑

发现STM32 CubeMX的USB实例是usb_device.c中的全局变量。 这和一般的硬件资源如GPIO/ADC/PWM/CAN/UART都有所不同。

// Private in main.c
CAN_HandleTypeDef hcan;
RTC_HandleTypeDef hrtc;
UART_HandleTypeDef huart1;

int main(void){
  HAL_Init();
  SystemClock_Config();  // RCC init before any other resources
  MX_GPIO_Init();
  MX_CAN_Init();
  MX_USART1_UART_Init();
  MX_RTC_Init();
  MX_USB_DEVICE_Init();  // USB init here
  while(1){
    ...
  }
}

main.c

USBD_HandleTypeDef hUsbDeviceFS;

void MX_USB_DEVICE_Init(void)
{
  USBD_Init(&hUsbDeviceFS, &FS_Desc, DEVICE_FS);
  USBD_RegisterClass(&hUsbDeviceFS, &USBD_CDC);
  USBD_CDC_RegisterInterface(&hUsbDeviceFS, &USBD_Interface_fops_FS);
  USBD_Start(&hUsbDeviceFS);
}

usb_device.c

extern USBD_HandleTypeDef hUsbDeviceFS;

usb_device.h

而基于Mbed C++有些特殊。

DigitalOut myled(DBG_LED);  // See main.h for hardware issue
cmdline cmdhandler;
// You can put USBSerial/USBTerminal here, but will not be enumerated in F103
//USBSerial usbSerial(0x1f00, 0x2012, 0x0001,  false); 
USBTerminal *term;

int main(){
  confSysClock();  // RCC init first
  Serial    uart(PA_9, PA_10, 115200);
  //USBSerial usbSerial(0x1f00, 0x2012, 0x0001,  false); 
  USBTerminal usbSerial(0x1f00, 0x2012, 0x0001,  false);
  term = &usbSerial;  
}

main.cpp

USB对于时钟是非常敏感的，所以必须在系统时钟配置正确后才能够产生USB对象。

在Mbed C++中，在调用main函数之前，进行时钟配置和对象实例化。RCC时钟配置隐藏在Mbed Library中，如果对象在Main函数之外，视为公有对象，也在main函数之前进行实例化。

如果将USB对象作为公有对象，F407工作正常，而F103工作不正常，表现在枚举失败。换而言之，在F407代码中，可以将USBSerial/USBTerminal在main函数之外声明，且工作正常。但是F103代码中，同样的代码，编译通过，但是枚举失败。

所以第三方开发者打了一个补丁，在main函数中增加了一个confSysClock()。有兴趣的话，可以查看RCC寄存器的数值。

由于时钟是main函数中调用的，间接造成USB对象（USBSerial及其子类USBTerminal）是main函数中的对象，其他模块和函数无法访问。

解决方法是在main.cpp中预留一个USB对象指针，让其他函数和其他模块可以访问到USB对象。代价是USB对象的所有方法必须采用“->”来访问。这也就导致了基于Serial对象和USB对象的代码存在两套，这实在违背了OOP的原则。

由此看来，基于Serial对象，基于F103的USBSerial，基于F407的USBSerial的通道，居然出现了两套（确切地说是2.5套）代码。这种情况可能同样会影响到其他协议，包括HCI/SIP/TLV/JSON等。

对于ARM来说，USB不是IoT的一部分。他们的IoT/Connectivity主要包括的是Cellular Modem/WiFi/BLE/LoRaWAN/BLE/TLS/MQTT等。

要合并代码，还需要开发者自己动手。要么统一为指针类型；要么期待Mbed底层得到修改。然而这些代码都是基于Mbed 2，而Mbed 5并没有对USB堆栈进行维护。需要开发者自己Backport。代码在此：ARM Mbed OS STM32F103的系统时钟配置代码