在 Arduino Due 上获取 USB 网络摄像头视频流 - 第四部分：USB 模块初始化和通用中断
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USB 模块初始化和通用中断
引言
第3部分在这里。
在本部分中，我将简要介绍USB 2.0，陈述本项目将简化USB主机实现的假设。我将进行Arduino的USB模块初始化，并开始编写USB中断处理程序。
简述USB 2.0
USB总线非常流行，因为它易于使用，并且有大量的设备支持。但是，这种对终端用户易用的背后是开发人员的高复杂性。尽管Atmel的SAM3X8E负责低级事务，但为了对SAM3X8E的USB模块进行编程以实现我们感兴趣的功能，我们仍然需要理解USB基础知识。
- 总线上可以有一个主机，可选的集线器和多于一个的设备连接。我的简化：我不会使用任何集线器，我的USB设备（摄像头）将直接连接到Arduino Due板。
- 总线可以工作在3种不同的速度：低速、全速和高速。我的简化：速度始终是高速（HS）。
- 设备可以有一个或多个功能。例如，摄像头可以有视频和音频功能。我的简化：我将只处理视频功能。
- 设备通过描述符报告自身信息。我将读取它们以了解我能对特定设备做什么。这些描述符的格式在USB规范、UVC规范以及设备制造商的规范中定义。我的简化：我不会读取厂商（设备制造商）定义的描述符。
- 要操作一个设备，它必须连接到总线，读取其描述符，并根据这些描述符中的信息进行配置。必须分配设备地址。
- 主机与设备的端点通信。任何USB设备总有一个默认的零端点。每个端点都有其唯一的编号。还有一个术语“管道”（pipe），它表示设备地址和端点编号的逻辑组合。主机建立管道。
- 有不同类型的端点：控制、批量、中断和同步。设备设置通过控制端点进行，视频流通过同步端点传输。
- 控制端点可以是IN和OUT。其他端点必须是IN或OUT。
- 端点被分组到接口中。例如，视频摄像头可以有两个接口：一个用于控制，一个用于流式传输。
- 主机通过事务与端点通信。一个事务将包括一个令牌（token）、可选的数据和可选的握手（取决于端点类型）。我将在文章后面编码时详细解释特定的事务。所有序列都在第8.5节“事务包序列”[2, p.209]中规定，并由状态机进行精妙的图示。
Arduino Due的USB模块
USB分为几个层：机械层、电气层和协议层。机械层在第6章[2, p.85]中定义，电缆和Arduino的连接器负责处理。电气层涉及USB总线上的电平、位填充、同步模式等。SAM3X8E将负责这些。因此，我们需要处理的是协议层，SAM3X8E完全符合第9章“协议层”[2, p.195]，因此强烈建议阅读。
SAM3X8E的USB模块实际上比USB本身更进一步，它是OTG（On-The-Go）功能，这意味着它可以同时作为主机和设备。OTG是对原始标准的一项新修订。它用于连接打印机到手机或照相机，或者将USB闪存驱动器连接到手机等情况。过去，手机一直是设备。现在，如果连接了其他允许的设备，它也可以作为主机。
我将强制SAM3X8E仅作为主机运行，不使用OTG。
SAM3X8E USB模块称为UOTGHS（USB On-The-Go High Speed），在[1, p 1069]中有描述。请也阅读。
在继续下一节之前，我将在我们的项目中创建一些额外的文件。
- USB_Specification.h - 这里将包含所有标准的结构体和常量。
- HCD.h 和 HCD.c - 这里将包含所有处理SAM3X8E UOTGHS硬件（主机）的函数。
- USBD.h 和 USBD.c - 这里将包含所有读取描述符、设置配置等的函数（驱动程序）。
USB模块初始化
打开HCD.h文件并添加以下声明。
void HCD_Init(void);
然后我将在HCD.c文件中实现它。
根据UOTGHS的依赖性[1, p.1073]，UOTGID（用于确定A或B插头的连接）和UOTGVBOF（USB总线电源线）引脚的控制必须从PIO控制器转移到UOTGHS模块。它们都属于外设A。由于将强制UOTGHS处于主机模式，因此插头识别引脚将不再有意义，所以我不会为其编写任何代码。另外，不需要PIO中断，因为UOTGHS有自己的中断。
//Sets up VBOF pin - takes it out of PIO control
PIOB->PIO_IDR |= PIO_PB10A_UOTGVBOF; //Disables interrupt
PIOB->PIO_ABSR &= ~PIO_PB10A_UOTGVBOF; //Peripheral A selected
PIOB->PIO_PDR |= PIO_PB10A_UOTGVBOF; //Moves pin control from PIO controller to Peripheral
接下来需要做的是启用USB时钟生成。这与第一部分中为PLLA时钟生成84MHz的操作非常相似，但在这里我们需要生成480MHz，并且时钟名称是UPLL。
//Enabling USB clock
PMC->CKGR_UCKR = CKGR_UCKR_UPLLCOUNT(3) | CKGR_UCKR_UPLLEN; //UPLL enabling
while (0 == (PMC->PMC_SR & PMC_SR_LOCKU)); //wait until clock is ready
一旦时钟被启用，就将其信号供给UOTGHS模块。
//Enabling UOTGHS peripheral clock
PMC->PMC_PCER1 |= (1u << (ID_UOTGHS - 32)); //PCER1 is used because ID > 32
接下来是强制UOTGHS模块进入主机模式。
//Clearing bit UIDE which means: The USB mode (device or host) is selected from the UIMOD bit.
UOTGHS->UOTGHS_CTRL &= ~UOTGHS_CTRL_UIDE;
UOTGHS->UOTGHS_CTRL &= ~UOTGHS_CTRL_UIMOD; //Force HOST mode
注意这里使用了UOTGHS_CTRL（控制）寄存器[1, p.1108]。它控制适用于整个UOTGHS模块的各种通用设置。
接下来是指定哪个电平（低或高）会使USB总线电源开启或关闭。如果我们查看Arduino Due的原理图，UOTGVBOF通过一个双极晶体管和一个运算放大器控制开关（FET晶体管）。低电平开启总线电源，高电平关闭。
UOTGHS->UOTGHS_CTRL &= ~UOTGHS_CTRL_VBUSPO; //Active level is low
接下来是启用OTG Pad，如果未启用，UOTGHS模块将无法正确检测总线电源。
UOTGHS->UOTGHS_CTRL |= UOTGHS_CTRL_OTGPADE; //Enable OTG pad
现在我可以启用USB了。
UOTGHS->UOTGHS_CTRL |= UOTGHS_CTRL_USBE; //Enable USB
尽管我启用了USB，但它不会工作，因为默认的时钟状态由于节电原因被冻结了。必须解冻时钟。
//Unfreeze USB clock
UOTGHS->UOTGHS_CTRL &= ~UOTGHS_CTRL_FRZCLK; //Unfreezes clock
while(0 == (UOTGHS->UOTGHS_SR & UOTGHS_SR_CLKUSABLE)) //Wait until clock is ready
下一段代码花了我一些时间才插入在这里，我仍然不明白为什么它有效。
UOTGHS->UOTGHS_SCR = UOTGHS_SCR_VBUSTIC; //Clears pending VBus transition interrupt
尽管我在VBus电平变化处理程序（参见下面的UOTGHS_Handler）中执行了此ACK操作，但没有这行代码，它就无法确定设备连接。找不到任何解释或文档，我只在Atmel的示例中看到过，但没有注释。
接下来的操作禁止在发生电源错误时关闭总线电源。当我插入USB设备时，我会遇到总线电源错误，我不想在那个不重要的事件期间断电。
UOTGHS->UOTGHS_CTRL |= UOTGHS_CTRL_VBUSHWC; //No hardware control over UOTGHVBOF pin
之后，所有必要的中断都可以被指定。在启用UOTGHS主中断之前，它们将不起作用。
//Enable Vbus change and Vbus error interrupts
UOTGHS->UOTGHS_CTRL |= UOTGHS_CTRL_VBUSTE | UOTGHS_CTRL_VBERRE;
//Enable main control interrupts: Connection, disconnection, SOF and reset
UOTGHS->UOTGHS_HSTIER = UOTGHS_HSTICR_DCONNIC | UOTGHS_HSTICR_HSOFIC | UOTGHS_HSTICR_RSTIC;
现在可以给总线供电，并启用所有中断。
//VBus activation
UOTGHS->UOTGHS_SFR = UOTGHS_SR_VBUSRQ;
NVIC_EnableIRQ((IRQn_Type) ID_UOTGHS); //Enables UOTGHS master interrupt
请注意，我不是直接分配NVIC_ISER（中断设置使能寄存器）寄存器，而是使用NVIC_EnableIRQ函数。这个函数是CMSIS（Cortex微控制器软件接口标准）的一部分，每个Cortex微控制器供应商都会提供CMSIS标准函数，它们有相同的名称，但实现可能不同。
整个初始化函数如下所示。
void HCD_Init()
{
//Sets up VBOF pin - takes it out of PIO control
PIOB->PIO_IDR |= PIO_PB10A_UOTGVBOF; //Disables interrupt
PIOB->PIO_ABSR &= ~PIO_PB10A_UOTGVBOF; //Peripheral A selected (p.1073 of SAM3X manual)
PIOB->PIO_PDR |= PIO_PB10A_UOTGVBOF; //Moves pin control from PIO controller to Peripheral
//Enabling USB clock
PMC->CKGR_UCKR = CKGR_UCKR_UPLLCOUNT(3) | CKGR_UCKR_UPLLEN; //Enables UPLL
while (0 == (PMC->PMC_SR & PMC_SR_LOCKU)); //Waits until clock is ready
//Enabling UOTGHS peripheral clock
PMC->PMC_PCER1 |= (1u << (ID_UOTGHS - 32)); //PCER1 is used because ID > 32
//Clearing bit UIDE which means: The USB mode (device or host) is selected from the UIMOD bit.
UOTGHS->UOTGHS_CTRL &= ~UOTGHS_CTRL_UIDE;
UOTGHS->UOTGHS_CTRL &= ~UOTGHS_CTRL_UIMOD; //Forces HOST mode
UOTGHS->UOTGHS_CTRL &= ~UOTGHS_CTRL_VBUSPO; //Active level is low
UOTGHS->UOTGHS_CTRL |= UOTGHS_CTRL_OTGPADE; //Enable OTG pad
UOTGHS->UOTGHS_CTRL |= UOTGHS_CTRL_USBE; //Enables USB
//Unfreeze USB clock
UOTGHS->UOTGHS_CTRL &= ~UOTGHS_CTRL_FRZCLK; //Unfreezes clock
while(0 == (UOTGHS->UOTGHS_SR & UOTGHS_SR_CLKUSABLE)) //Waits until clock is ready
UOTGHS->UOTGHS_SCR = UOTGHS_SCR_VBUSTIC; //Clears pending VBus transition interrupt
UOTGHS->UOTGHS_CTRL |= UOTGHS_CTRL_VBUSHWC; //No hardware control over UOTGHVBOF pin
//Enable Vbus change and Vbus error interrupts
UOTGHS->UOTGHS_CTRL |= UOTGHS_CTRL_VBUSTE | UOTGHS_CTRL_VBERRE;
//Enable main control interrupts: Connection, disconnection, SOF and reset
UOTGHS->UOTGHS_HSTIER = UOTGHS_HSTICR_DCONNIC | UOTGHS_HSTICR_DDISCIC
| UOTGHS_HSTICR_HSOFIC | UOTGHS_HSTICR_RSTIC;
UOTGHS->UOTGHS_SFR = UOTGHS_SR_VBUSRQ; //VBus activation
NVIC_EnableIRQ((IRQn_Type) ID_UOTGHS); //Enables UOTGHS master interrupt
}
此时，UOTGHS已经启动并运行，准备生成中断，因此必须捕获并服务这些中断。
USB模块中断
让我们在startup_sam3xa.c文件中查找中断名称。它是UOTGHS_Handler。让我们在HCD.c文件中，紧跟在HCD_Init函数下方创建一个。
void UOTGHS_Handler()
{
}
在HCD_Init中，我启用了许多中断，但只有一个入口点，即UOTGHS_Handler。这意味着如果发生任何这些中断，UOTGHS_Handler将被调用，我必须通过检查特定位来确定究竟发生了哪个中断。目前，我将检查六个不同的中断：电源电平变化、电源错误、设备连接/断开、SOF和设备复位。首先是电源电平变化和电源错误。
//Manage Vbus error
if (0 != (UOTGHS->UOTGHS_SR & UOTGHS_SR_VBERRI))
{
UOTGHS->UOTGHS_SCR = UOTGHS_SCR_VBERRIC; //Ack VBus error interrupt
PrintStr("VBus error.\r\n");
return;
}
//Manage Vbus state change
if (0 != (UOTGHS->UOTGHS_SR & UOTGHS_SR_VBUSTI))
{
UOTGHS->UOTGHS_SCR = UOTGHS_SCR_VBUSTIC; //Ack VBus transition
PrintStr("VBus level changed.\r\n");
return;
}
请注意，必须进行确认（Ack）以清除中断标志。Ack只是一个位清除操作，否则中断将挂起并反复触发。这种行为与AVR微控制器不同，在AVR微控制器中，中断标志在中断处理程序被调用后由硬件自动清除。另外，请注意UART中的PrintStr函数（参见第2部分），并且不要忘记在HCD.h文件的顶部添加#include "UART.h"。
目前，我只是确认中断并打印相应的消息，这样我们就可以在RS-232监视器中看到发生了什么。
下一个是连接和断开中断。
//Manage connection event
if ( 0 != (UOTGHS->UOTGHS_HSTISR & UOTGHS_HSTISR_DCONNI))
{
UOTGHS->UOTGHS_HSTICR = UOTGHS_HSTICR_DCONNIC; //Ack connection
PrintStr("Device connected.\r\n");
UOTGHS->UOTGHS_HSTCTRL |= UOTGHS_HSTCTRL_RESET; //Resets port
return;
}
//Manage disconnection event
if (0 != (UOTGHS->UOTGHS_HSTISR & UOTGHS_HSTISR_DDISCI))
{
UOTGHS->UOTGHS_HSTICR = UOTGHS_HSTICR_DDISCIC; //Ack disconnection
PrintStr("Device disconnected.\r\n\r\n\r\n");
return;
}
连接发生后，必须根据USB规范向设备发送复位序列。连接处理程序请求UOTGHS模块发送它。
下一个中断处理程序将向我们发出复位已完成的信号。
//USB bus reset detection
if (0 != (UOTGHS->UOTGHS_HSTISR & UOTGHS_HSTISR_RSTI))
{
UOTGHS->UOTGHS_HSTICR = UOTGHS_HSTICR_RSTIC; //Ack reset
PrintStr("Reset performed.\r\n");
return;
}
在UOTGHS_Handler的最底部，我将添加以下代码，以便在我忘记处理某个中断时可以看到。
PrintStr("Unmanaged Interrupt.\n\r"); //If I forgot to handle something
整个处理程序代码。
void UOTGHS_Handler()
{
//Manage Vbus error
if (0 != (UOTGHS->UOTGHS_SR & UOTGHS_SR_VBERRI))
{
UOTGHS->UOTGHS_SCR = UOTGHS_SCR_VBERRIC; //Ack VBus error interrupt
PrintStr("VBus error.\r\n");
return;
}
//Manage Vbus state change
if (0 != (UOTGHS->UOTGHS_SR & UOTGHS_SR_VBUSTI))
{
UOTGHS->UOTGHS_SCR = UOTGHS_SCR_VBUSTIC; //Ack VBus transition
PrintStr("VBus level changed.\r\n");
return;
}
//Manage SOF interrupt
if (0 != (UOTGHS->UOTGHS_HSTISR & UOTGHS_HSTISR_HSOFI))
{
UOTGHS->UOTGHS_HSTICR = UOTGHS_HSTICR_HSOFIC; //Ack SOF
return;
}
//Manage connection event
if ( 0 != (UOTGHS->UOTGHS_HSTISR & UOTGHS_HSTISR_DCONNI))
{
UOTGHS->UOTGHS_HSTICR = UOTGHS_HSTICR_DCONNIC; //Ack connection
PrintStr("Device connected.\r\n");
UOTGHS->UOTGHS_HSTCTRL |= UOTGHS_HSTCTRL_RESET; //Resets port
return;
}
//Manage disconnection event
if (0 != (UOTGHS->UOTGHS_HSTISR & UOTGHS_HSTISR_DDISCI))
{
UOTGHS->UOTGHS_HSTICR = UOTGHS_HSTICR_DDISCIC; //Ack disconnection
PrintStr("Device disconnected.\r\n\r\n\r\n");
return;
}
//USB bus reset detection
if (0 != (UOTGHS->UOTGHS_HSTISR & UOTGHS_HSTISR_RSTI))
{
UOTGHS->UOTGHS_HSTICR = UOTGHS_HSTICR_RSTIC; //Ack reset
PrintStr("Reset performed.\r\n");
return;
}
PrintStr("Unmanaged Interrupt.\n\r"); //If I forgot to handle something
}
注意SOF中断处理程序。SOF表示Start-Of-Frame（帧开始），它是一种特殊的电平变化序列（令牌），主机每125微秒为总线上的高速设备生成一次，以保持总线活动。SAM3X为我们处理这个，并且需要被处理，因为所有请求和传输都发生在SOF之间。
此时，我们可以开始读取设备描述符（执行枚举过程）。但首先，让我们构建代码，上传并观察RS-232监视器程序中的输出。尝试连接然后断开USB设备（任何设备，不一定是摄像头）几次。
注意：在主文件中添加#include HCD.h，并在所有其他初始化调用之后添加HCD_Init();调用。
如您所见，程序现在可以确定设备的连接和断开。连接后，它会复位设备，这意味着已准备好开始枚举过程。另外，请注意几次VBus错误，它们在我将USB插头插入USB插座时发生，可能与电源电平稳定有关。由于它们发生在“设备已连接”消息之前，我现在不担心它们。
结论
在这里，我展示了如何初始化SAM3X8E微控制器的USB（UOTGHS）模块。还创建了一个通用的中断入口点，它捕获所有UOTGHS中断。将来，我将在处理管道时多次回到这个中断处理程序，并添加更多中断。在下一篇文章中，我将初始化控制管道（管道0），并从我的摄像头获取第一个描述符。
源代码在此处。
第5部分在此处。