آموزش پروتکل USB و پیاده‌سازی USB Host با TinyUSB و RP2040

آموزش – برنامه نویسی – توصیه شده

91 بازدید

۱۴۰۵-۰۴-۰۲

20 دقیقه

نویسنده: آرویدتک
درباره نویسنده: www.arvidtek.com | گروه مهندسی آرویدتک | فعال حوزه الکترونیک و مخابرات | فروشگاه تخصصی قطعات الکترونیک

مقدمه‌ای بر فناوری USB

در دنیای دیجیتال امروزی، فناوری USB (Universal Serial Bus) به یکی از اساسی‌ترین استانداردهای ارتباطی تبدیل شده است. تصور دنیای فناوری بدون USB تقریباً غیرممکن است – از شارژ گوشی‌های هوشمند گرفته تا اتصال پرینترها، صفحه‌کلیدها، حافظه‌های جانبی و هزاران دستگاه دیگر استفاده شده است.

قبل از ظهور USB در اواسط دهه ۱۹۹۰ کاربران با انواع مختلف پورت‌ها مواجه بودند:

پورت سریال (Serial Port) برای مودم‌ها و برخی ماوس‌ها
پورت موازی (Parallel Port) برای پرینترها
پورت PS/2 برای صفحه‌کلید و ماوس
پورت بازی (Game Port) برای جویستیک‌ها

هر یک از این پورت‌ها محدودیت‌های خاص خود از جمله نصب درایورهای پیچیده، سرعت پایین، عدم قابلیت اتصال گرم (Hot-Plug) و سردرگمی کاربران را داشتند که به همین دلیل در سال ۱۹۹۶، گروهی از شرکت‌های پیشرو در صنعت فناوری شامل اینتل، مایکروسافت، آی‌بی‌ام و کامپک استاندارد USB 1.0 را معرفی کردند. اهداف اصلی این استاندارد عبارت بودند از:

ساده‌سازی اتصال دستگاه‌های جانبی
حذف نیاز به ری استارت پس از اتصال دستگاه‌ها
افزایش سرعت انتقال داده
تأمین قدرت برای دستگاه‌های کم‌مصرف

نسخه	سال معرفی	سرعت	ویژگی‌ها
USB 1.0	1996	1.5 Mbps (Low-Speed)	اولین نسخه
USB 1.1	1998	12 Mbps (Full-Speed)	رفع اشکالات نسخه 1.0
USB 2.0	2000	480 Mbps (High-Speed)	سازگاری معکوس
USB 3.0	2008	5 Gbps (SuperSpeed)	افزایش پهنای باند
USB 3.1	2013	10 Gbps (SuperSpeed+)	بهبود سرعت
USB 3.2	2017	20 Gbps	چندلاینی
USB 4	2019	40 Gbps	مبتنی بر Thunderbolt 3

معماری و مفاهیم اساسی USB

نقش‌های اصلی در اکوسیستم USB

نقش	وظایف اصلی	نمونه‌های متداول
USB Host (میزبان)	مدیریت باس USB- کنترل تایمینگ و همگام‌سازی- تأمین توان الکتریکی- شناسایی و پیکربندی دستگاه‌ها	کامپیوتر، لپ‌تاپ، سرور
USB Device (دستگاه)	دریافت توان و فرمان از Host- اجرای عملکرد خاص (ذخیره‌سازی، ورودی، چندرسانه‌ای)	فلش، ماوس، کیبورد، وب‌کم
USB OTG (دوحالته)	ایفای نقش Host یا Device بسته به شرایط	گوشی هوشمند، تبلت

فرآیند شناخت دستگاه (Enumeration)

زمانی‌که هر دستگاه USB (مثلاً فلش، مودم، یا موس) به یک میزبان (Host) مثل کامپیوتر یا میکروکنترلر وصل می‌شود، یک مراحل مختلفی انجام می‌شود تا آن دستگاه توسط سیستم شناسایی شده و آماده‌ی استفاده شود که در ادامه شرح داده شده.

تشخیص اتصال (Detection)

هدف این مرحله تشخیص حضور دستگاه جدید و شروع ارتباط است که توسط کنترلر USB انجام می‌شود. کنترلر USB به طور مداوم وضعیت ولتاژ خطوط داده (D+ و D−) را بررسی می‌کند و در صورتی که تغییری در سطح ولتاژ مشاهده شود، میزبان متوجه می‌شود که یک دستگاه جدید به پورت متصل شده است و در همین لحظه نوع سرعت دستگاه (Low Speed، Full Speed، High Speed یا SuperSpeed) نیز از روی خطوط تشخیص داده می‌شود.

در استانداردی که میکروکنترلرها از آن پشتیبانی میکنند تشخیص سرعت با بررسی سطح ولتاژ خطوط داده انجام میگیرد. در استاندارد USB3 و بالاتر تشخیص سرعت از طریق سیگنال‌های اضافی و ارتباط out-of- band انجام میشود.

ریست دستگاه (Reset)

هدف این مرحله، قرار دادن دستگاه در وضعیت اولیه و هم‌زمان‌سازی آن با میزبان است. پس از تشخیص اتصال، میزبان یک سیگنال ریست روی خطوط داده ارسال می‌کند و دستگاه با دریافت این سیگنال، تمام تنظیمات موقت خود را پاک کرده و به حالت پیش‌فرض بازمی‌گردد. در این حالت هنوز هیچ آدرس مشخصی به دستگاه داده نشده و آدرس آن صفر است. این سیگنال برای مدت حداقل 10 میلی‌ثانیه خطوط داده را در حالت LOW نگه می‌دارد.

اختصاص آدرس یکتا (Address Assignment)

هدف این مرحله ایجاد یک شناسه (ID) یکتا برای هر دستگاه متصل است تا میزبان بتواند چندین دستگاه را هم‌زمان مدیریت کند. میزبان از طریق دستور استاندارد SET_ADDRESS یک عدد بین ۱ تا ۱۲۷ را به دستگاه اختصاص می‌دهد و از این لحظه، تمام دستورات و ارتباطات بین میزبان و آن دستگاه با استفاده از همین آدرس انجام می‌شود. تا قبل از اختصاص این آدرس جدید، عدد صفر به عنوان آدرس برای تبادل اطلاعات استفاده میشود.

خواندن مشخصات دستگاه (Descriptor Reading)

هدف این مرحله، جمع‌آوری اطلاعات توصیفی دستگاه برای شناخت نوع، قابلیت‌ها و نیازهای آن است. میزبان با ارسال درخواست‌های استاندارد، مجموعه‌ای از داده‌ها به نام Descriptor از دستگاه دریافت می‌کند.

این اطلاعات شامل موارد زیر است:

Device Descriptor: شامل شناسه سازنده (Vendor ID)، شناسه محصول (Product ID)، نسخه USB و کلاس دستگاه.
Configuration Descriptor: مشخصات پیکربندی‌ها، تعداد رابط‌ها (Interfaces) و مسیرهای داده (Endpoints).
String Descriptor: اطلاعات متنی مانند نام سازنده، شماره سریال و توضیحات دستگاه.

با دریافت این داده‌ها، میزبان تشخیص می‌دهد که دستگاه از چه نوعی است (مثلاً ذخیره‌سازی، شبکه، صوت، یا ورودی).

بارگذاری درایور مناسب (Driver Loading)

هدف این مرحله، فعال‌سازی نرم‌افزار کنترلی (درایور) برای برقراری ارتباط سطح بالا با دستگاه است. سیستم‌عامل یا نرم‌افزار میزبان با بررسی Vendor ID و Product ID دستگاه، نوع آن را شناسایی کرده و درایور سازگار را پیدا می‌کند. درایور واسطی است که داده‌های سطح کاربر (User Space) را به دستورات سطح سخت‌افزار (Kernel Space) تبدیل می‌کند. پس از بارگذاری درایور، میزبان قادر است به‌صورت کامل با دستگاه کار کند.

در این مرحله میزبان درخواست‌های کلاس‌محور (Class-specific) ارسال می‌کند به این صورت که اگر دستگاه CDC (مثل مودم یا Ethernet over USB) باشد میزبان دستورات کنترل شبکه ارسال می‌کند و اگر دستگاه Mass Storage باشد میزبان دستورات SCSI over Bulk ارسال می‌کند.

پیکربندی و آماده‌سازی (Configuration)

هدف این مرحله، قرار دادن دستگاه در حالت عملیاتی و فعال‌سازی مسیرهای داده است. میزبان با ارسال دستور SET_CONFIGURATION دستگاه را از حالت آماده‌به‌کار به حالت فعال منتقل می‌کند. میزبان یکی از پیکربندی‌های موجود در Descriptor را انتخاب کرده و دستور SET_CONFIGURATION می‌فرستد سپس دستگاه مقدار Configuration ID را در رجیستر خود ذخیره کرده و Endpointهای مربوطه را فعال می‌کند. در این وضعیت، Endpointها (مسیرهای ارتباطی داده) فعال می‌شوند و دستگاه آماده ارسال و دریافت داده است. از این نقطه به بعد، دستگاه به‌طور کامل قابل استفاده توسط کاربر یا نرم‌افزار است.

ساختار Frame در USB

در ارتباط USB، Host (میزبان) همیشه کنترل انتقال داده را در دست دارد. برای نظم دادن به ارسال داده بین چندین دستگاه، زمان به واحدهایی به نام Frame تقسیم می‌شود. در USB 1.1 و USB 2.0، هر Frame معادل ۱ میلی‌ثانیه (1 ms) است. در USB 2.0 (High Speed)، این فریم به واحدهای کوچکتر به نام Microframe با طول ۱۲۵ میکروثانیه (125 µs) تقسیم می‌شود. هر Frame شامل یک سری Packet (بسته‌های داده) است.

میزبان (Host) در ابتدای هر Frame، یک بسته‌ی خاص به نام Start of Frame (SOF) می‌فرستد که بقیه دستگاه‌ها را همگام‌سازی می‌کند.

بسته‌ی Start of Frame (SOF)

ساختار این بسته تقریباً چنین است:

فیلد	اندازه (bit)	توضیح
Sync	8 بیت	الگوی همگام‌سازی فریم
PID	8 بیت	شناسه بسته (برای SOF مقدار خاص دارد)
Frame Number	11 بیت	شماره فریم (از 0 تا 2047، سپس دوباره 0 می‌شود)
CRC5	5 بیت	کد بررسی خطا (برای اطمینان از صحت شماره فریم)
EOP	—	علامت پایان بسته (End Of Packet)

هر ۱ میلی‌ثانیه، میزبان یک بسته‌ی SOF می‌فرستد تا دستگاه‌ها بدانند که در چه فریم زمانی قرار داریم.

نقش Frame در انتقال داده

هر نوع انتقال در USB (مثلاً Control, Bulk, Interrupt, یا Isochronous) درون این فریم‌ها زمان‌بندی می‌شود:

نوع انتقال داده	وابستگی به فریم	Endpoint	جهت	توضیح
Control Transfer	نه‌چندان دقیق	EP0	IN/OUT	برای تنظیمات (مثل enumeration)
Interrupt Transfer	در فریم‌های خاص	EP1	IN	میزبان به‌صورت دوره‌ای داده را درخواست می‌کند
Bulk Transfer	آزاد	EP2	OUT	فقط وقتی فضا خالی در فریم باشد
Isochronous Transfer	دقیقاً در هر فریم	EP3	IN	برای صدا/تصویر؛ نیاز به زمان‌بندی ثابت دارد
EOP	—	—	—	علامت پایان بسته (End Of Packet)

شاید برای شما مفید باشد:

دنیای ولتاژها از نگاه رگولاتور ها

تمام داده‌هایی که بین میزبان (Host) و دستگاه (Device) ردوبدل می‌شود، در قالب یکی از این ۴ نوع انتقال انجام می‌گیرد — که هرکدام هدف، رفتار زمانی و اولویت خاص خود را دارند. هر نوع داده از یک Endpoint استفاده میکند. Endpoint به معنی «درگاه ارتباطی منطقی» است که میتوانید آن را مانند یک خط ارتباط در یک دستگاه USB درنظر بگیرید. هر endpoint یک شماره‌ی ۴ بیتی (0–15) و یک جهت (IN یا OUT) دارد. از سمت دستگاه به میزبان با (IN) و از سمت میزبان به دستگاه با (OUT) مشخص میشود.

کنترل تبادل داده (Control Transfer)

این نوع انتقال در تمام دستگاه‌ها وجود دارد و همه‌ی دستگاه‌ها حداقل یک endpoint 0 برای کنترل دارند. وقتی دستگاه وصل می‌شود، میزبان از EP0 استفاده می‌کند تا اطلاعات پایه (descriptorها) را بگیرد و دستگاه را شناسایی کند.

در سه مرحله انجام می‌شود:

SETUP stage: ارسال دستور از میزبان (مثل GET_DESCRIPTOR)
DATA stage: تبادل داده
STATUS stage: تأیید نهایی

Host:
SETUP: GET_DESCRIPTOR(Device)
Device:
DATA: <Device Descriptor>
STATUS: OK

Host:

SETUP: GET_DESCRIPTOR(Device)

Device:

DATA: <Device Descriptor>

STATUS: OK

انتقال عمده (Bulk Transfer)

داده‌های زیاد و بدون محدودیت زمانی. اگر فریم فضای خالی داشته باشد، Bulk هم اجازه ارسال دارد. این نوع داده تضمین تحویل (دارای CRC و retry) دارد اما تضمینی درمورد تاخیر زمانی ندارد. به عنوان مثال فلش مموری‌ها از این نوع انتقال داده استفاده میکنند. به عنوان مثال:

‌Frame 12: Bulk OUT (data chunk 1)
Frame 13: Bulk OUT (data chunk 2)
...

‌Frame 12: Bulk OUT (data chunk 1)

Frame 13: Bulk OUT (data chunk 2)

...

انتقال دوره‌ای (Interrupt Transfer)

برخلاف نامش، “interrupt” در USB واقعا وقفه سخت‌افزاری نیست بلکه میزبان به‌صورت دوره‌ای (polling) در فریم‌های خاص داده را می‌گیرد. به این صورت که میزبان هر چند میلی ثانیه درخواست داده جدید میکند. این نوع تبادل بیشتر در ماوس و دستگاه‌های مشابه انجام میشود.

Frame 1000: IN (dx=3, dy=1)
Frame 1010: IN (dx=0, dy=-2)
Frame 1020: IN (dx=1, dy=0)

Frame 1000: IN (dx=3, dy=1)

Frame 1010: IN (dx=0, dy=-2)

Frame 1020: IN (dx=1, dy=0)

انتقال هم‌دور (Isochronous Transfer)

تبادل هم‌زمان (Isochronous Transfer) در پروتکل USB، به‌عنوان مهم‌ترین نوع انتقال برای داده‌های زنده (Real-time) طراحی شده است. هدف اصلی این روش، تضمین تحویل داده‌ها با تأخیر یکنواخت و کم (Low Latency) است، حتی اگر این به قیمت از دست دادن تصحیح خطا تمام شود. در این روش، از پهنای باند کانال USB یک ظرفیت ثابت و تضمین‌شده در هر فریم (USB Frame) رزرو می‌شود. این بدان معناست که دستگاه می‌داند در هر بازه زمانی مشخص، بخشی از پهنای باند در اختیار آن است. این روش بدون تکرار ارسال و اگر داده دقیقا در زمان مشخص به دستگاه نرسد در نظر گرفته نمی‌شود. به طور مثال کارت صدا با استفاده از این مدل تبادل داده کار می‌کند.

Frame 2000: Iso OUT (48 samples)
Frame 2001: Iso OUT (48 samples)
Frame 2002: Iso OUT (48 samples)

Frame 2000: Iso OUT (48 samples)

Frame 2001: Iso OUT (48 samples)

Frame 2002: Iso OUT (48 samples)

جدا از انواع انتقال داده، کلاس‌های مختلفی هم وجود دارد که نوع انتقال داده را مشخص میکند. مثلا مشخص میکند که برای انتقال صوت باید از چه نوع انتقال داده‌ای استفاده کنیم. در ادامه لیست این کلاس‌ها را مشاهده میکنید.

انواع کلاس‌های USB

کلاس USB (USB Class) یک استاندارد تعریف‌شده توسط انجمن توسعه‌دهندگان USB (USB-IF) است که مشخص می‌کند یک دستگاه USB چگونه باید با سیستم میزبان ارتباط برقرار کند. هر کلاس، پروتکل‌ها، endpointها و نوع داده‌ای را که دستگاه پشتیبانی می‌کند، تعریف می‌نماید. این استانداردسازی باعث می‌شود که درایورهای عمومی (generic drivers) برای انواع مختلف دستگاه‌ها وجود داشته باشد و نیازی به درایور اختصاصی برای هر دستگاه نباشد.

کدکلاس	نام کلاس	توضیحات	نمونه دستگاه‌ها
00	Device	برای هر دستگاهی	دستگاه‌های سفارشی (Custom)
01	Audio	انتقال صوت و کنترل‌های صوتی	هدفون، میکروفون، اسپیکر
02	CDC Control	ارتباطات (مودم، شبکه، …)	مودم، روتر، آداپتور شبکه
03	HID (Human Interface Device)	دستگاه‌های رابط انسانی	کیبورد، ماوس، جوی‌استیک
05	Physical	دستگاه‌های فیزیکی (Force Feedback)	جوی‌استیک فیدبک‌دار
06	Image	دستگاه‌های تصویربرداری	وب‌کم، اسکنر
07	Printer	چاپگرها	پرینتر
08	Mass Storage	ذخیره‌سازی انبوه	فلش، هارد اکسترنال
09	Hub	هاب USB	هاب USB
0A	CDC Data	داده‌های CDC	همراه با کلاس 02h
0B	Smart Card	کارت‌های هوشمند	کارت خوان
0D	Content Security	امنیت محتوا	دستگاه‌های حفاظتی
0E	Video	انتقال ویدئو	وب‌کم، دوربین
0F	Personal Healthcare	سلامت شخصی	دستگاه‌های پزشکی
10	Audio/Video Devices	دستگاه‌های صوتی/تصویری	دوربین دیجیتال
11	Billboard Device	دستگاه‌های تبلیغاتی	دستگاه‌های نمایش Type-C
12	USB Type-C Bridge	پل Type-C	کابل‌های مبدل
DC	Diagnostic Device	دستگاه‌های تشخیصی	دیباگر USB
E0	Wireless Controller	کنترلر بی‌سیم	آداپتور بلوتوث
EF	Miscellaneous	متفرقه	دستگاه‌های چندکاره
FE	Application Specific	کاربردهای خاص	دستگاه‌های سفارشی
FF	Vendor Specific	اختصاصی فروشنده	دستگاه‌های با درایور خاص

بجز کلاس‌هایی که ذکر شد تعدادی زیرکلاس (Subclass USB) وجود دارد که سطح دومی از طبقه‌بندی در استاندارد USB است. هر کلاس دارای تعدادی زیرکلاس است که درون کلاس‌های اصلی قرار می‌گیرند. در حالی که کلاس (Class) نوع کلی دستگاه را مشخص می‌کند (مثل HID یا Audio)، زیرکلاس‌ها جزئیات بیشتر و نوع خاص تری از عملکرد را درون آن کلاس تعریف می‌نماید. این تقسیم‌بندی دقیق‌تر به سیستم‌عامل کمک می‌کند تا درایور مناسب‌تری را برای دستگاه انتخاب کند. در اینجا برای جلوگیری از طولانی شدن مطلب به عنوان مثال زیرکلاس‌های مربوط به یکی از پرکاربردترین کلاس‌ها یعنی کلاس CDC را بررسی می‌کنیم.

Subclass کد	نام Subclass	توضیحات	پروتکل‌ها
00h	Reserved	رزرو شده	–
01h	Direct Line Control	کنترل خط مستقیم	مودم‌ها
02h	Abstract Control	کنترل انتزاعی	مودم V.25ter
03h	Telephone Control	کنترل تلفن	دستگاه‌های تلفنی
04h	Multi-Channel	چند کاناله	مودم‌های چندخط
05h	CAPI Control	کنترل CAPI	–
06h	Ethernet Networking	شبکه اترنت	آداپتور شبکه
07h	ATM Networking	شبکه ATM	–
08h-0Dh	Wireless	بی‌سیم	بلوتوث، Wi-Fi
0Eh-7Fh	Reserved	رزرو شده	–
80h-FFh	Vendor Specific	اختصاصی فروشنده	دستگاه‌های خاص

اتصال USB به ماژول

تا اینجا با نحوه کار USB آشنا شدید و به اندازه‌ی کافی اطلاعات دارید تا بتوانید داده‌های Description را مطالعه کنید. حالا با هم سراغ کد نویسی می‌رویم. در اینجا از کتابخانه محبوب TinyUSB استفاده می‌کنیم که در ادامه با آن آشنا می‌شوید.

کدنویسی با TinyUSB

TinyUSB یک کتابخانه‌ی سبک و چندپلتفرمی است که برای افزودن قابلیت USB Device/Host به میکروکنترلرهایی طراحی شده که کنترل مستقیم بر USB Core خود دارند از جمله:

Raspberry Pi MCUs
ESP32
STM32 و بسیاری دیگر

شاید برای شما مفید باشد:

مقدمه آموزش RTOS با STM32

TinyUSB به شما اجازه می‌دهد که رفتار USB را خودتان تعریف کنید و مثلاً دستگاه را به شکل کیبورد، کارت صدا، MIDI، یا رابط شبکه معرفی کنید. در USB Device، هر دستگاه خودش را با مجموعه‌ای از Descriptorها به میزبان معرفی می‌کند. این اطلاعات شامل نوع دستگاه، تعداد رابط‌ ها، Endpointها و رشته‌های توضیحی است.

TinyUSB این‌ها را از قبل نوشته و در مثالهایی قرار داده و شما می‌توانید در کتابخانه مربوط به هر مثال آن‌ها را تنظیم کنید. اما در اینجا ما قصد داریم از مود Host استفاده کنیم به همین دلیل با (Descriptorها) کاری نداریم و نیاز است (tusb_config.h) را ادیت کنیم تا USB را به صورت Host تنظیم کنیم که در ادامه خواهید دید. در حالت Host کتابخانه تعدادی callback دارد تا اتصال/جداسازی را نشان دهد و همین طور ارسال و دریافت پیام را مدیریت کند. برای استفاده از توابع ارسال و دریافت پیام نیاز است که قبل از هرچیز description از دستگاه متصل دریافت شود.

خوشبختانه در گیت TinyUSB مثال‌های مختلفی وجود دارد که چطور باید از این توابع استفاده کنید و ما موفق شدیم میکروکنترلر (RP2040) را با USB به ماژول (Quectel EC200) متصل کنیم که نتیجه‌ی این کار در تصویر پایین مشخص است.

راهنمای جامع پروتکل USB: از معماری و کلاس‌ها تا راه‌اندازی با TinyUSB و RP2040

برنامه به این صورت کار میکند که شما هردستوری روی UART ارسال کنید از طریق USB به ماژول فرستاده شده و جواب به شما نمایش داده می‌شود. برنامه به این دلیل به این صورت نوشته شد که بتوانید از ارتباط صحیح ماژول با میکروکنترلر خودتان مطمئن شوید. چنانچه لازم باشد می‌توانید به راحتی کد را تغییر دهید تا بدون UART کار کند. کد برنامه از این لینک قابل دانلود است. کد زیر مربوط به قسمت تنظیمات کتابخانه TinyUSB است.

#ifndef TUSB_CONFIG_H_
#define TUSB_CONFIG_H_

#ifdef __cplusplus
 extern "C" {
#endif

//--------------------------------------------------------------------
// Common Configuration
//--------------------------------------------------------------------
#define CFG_TUSB_DEBUG 1
// defined by compiler flags for flexibility
#ifndef CFG_TUSB_MCU
#error CFG_TUSB_MCU must be defined
#endif

#ifndef CFG_TUSB_OS
#define CFG_TUSB_OS           OPT_OS_NONE
#endif

#ifndef CFG_TUSB_DEBUG
#define CFG_TUSB_DEBUG        0
#endif

/* USB DMA on some MCUs can only access a specific SRAM region with restriction on alignment.
 * Tinyusb use follows macros to declare transferring memory so that they can be put
 * into those specific section.
 * e.g
 * - CFG_TUSB_MEM SECTION : __attribute__ (( section(".usb_ram") ))
 * - CFG_TUSB_MEM_ALIGN   : __attribute__ ((aligned(4)))
 */
#ifndef CFG_TUH_MEM_SECTION
#define CFG_TUH_MEM_SECTION
#endif

#ifndef CFG_TUH_MEM_ALIGN
#define CFG_TUH_MEM_ALIGN     __attribute__ ((aligned(4)))
#endif

//--------------------------------------------------------------------
// Host Configuration
//--------------------------------------------------------------------

// Enable Host stack
#define CFG_TUH_ENABLED       1

// #define CFG_TUH_MAX3421       1 // use max3421 as host controller

#if CFG_TUSB_MCU == OPT_MCU_RP2040
  // #define CFG_TUH_RPI_PIO_USB   1 // use pio-usb as host controller

  // host roothub port is 1 if using either pio-usb or max3421
  #if (defined(CFG_TUH_RPI_PIO_USB) && CFG_TUH_RPI_PIO_USB) || (defined(CFG_TUH_MAX3421) && CFG_TUH_MAX3421)
    #define BOARD_TUH_RHPORT      1
  #endif
#endif

// Default is max speed that hardware controller could support with on-chip PHY
#define CFG_TUH_MAX_SPEED     BOARD_TUH_MAX_SPEED

//------------------------- Board Specific --------------------------

// RHPort number used for host can be defined by board.mk, default to port 0
#ifndef BOARD_TUH_RHPORT
#define BOARD_TUH_RHPORT      0
#endif

// RHPort max operational speed can defined by board.mk
#ifndef BOARD_TUH_MAX_SPEED
#define BOARD_TUH_MAX_SPEED   OPT_MODE_DEFAULT_SPEED
#endif

//--------------------------------------------------------------------
// Driver Configuration
//--------------------------------------------------------------------

// Size of buffer to hold descriptors and other data used for enumeration
#define CFG_TUH_ENUMERATION_BUFSIZE 256

// only hub class is enabled
#define CFG_TUH_HUB                 1

// max device support (excluding hub device)
// 1 hub typically has 4 ports
#define CFG_TUH_DEVICE_MAX          (3*CFG_TUH_HUB + 1)

// Max endpoint per device
#define CFG_TUH_ENDPOINT_MAX        8

// Enable tuh_edpt_xfer() API
#define CFG_TUH_API_EDPT_XFER       1

#ifdef __cplusplus
 }
#endif

#ifndef TUSB_CONFIG_H_

#define TUSB_CONFIG_H_

#ifdef __cplusplus

extern "C" {

#endif

//--------------------------------------------------------------------

// Common Configuration

//--------------------------------------------------------------------

#define CFG_TUSB_DEBUG 1

// defined by compiler flags for flexibility

#ifndef CFG_TUSB_MCU

#error CFG_TUSB_MCU must be defined

#endif

#ifndef CFG_TUSB_OS

#define CFG_TUSB_OS OPT_OS_NONE

#endif

#ifndef CFG_TUSB_DEBUG

#define CFG_TUSB_DEBUG 0

#endif

/* USB DMA on some MCUs can only access a specific SRAM region with restriction on alignment.

* Tinyusb use follows macros to declare transferring memory so that they can be put

* into those specific section.

* e.g

* - CFG_TUSB_MEM SECTION : __attribute__ (( section(".usb_ram") ))

* - CFG_TUSB_MEM_ALIGN : __attribute__ ((aligned(4)))

#ifndef CFG_TUH_MEM_SECTION

#define CFG_TUH_MEM_SECTION

#endif

#ifndef CFG_TUH_MEM_ALIGN

#define CFG_TUH_MEM_ALIGN __attribute__ ((aligned(4)))

#endif

//--------------------------------------------------------------------

// Host Configuration

//--------------------------------------------------------------------

// Enable Host stack

#define CFG_TUH_ENABLED 1

// #define CFG_TUH_MAX3421 1 // use max3421 as host controller

#if CFG_TUSB_MCU == OPT_MCU_RP2040

// #define CFG_TUH_RPI_PIO_USB 1 // use pio-usb as host controller

// host roothub port is 1 if using either pio-usb or max3421

#if (defined(CFG_TUH_RPI_PIO_USB) && CFG_TUH_RPI_PIO_USB) || (defined(CFG_TUH_MAX3421) && CFG_TUH_MAX3421)

#define BOARD_TUH_RHPORT 1

#endif

// Default is max speed that hardware controller could support with on-chip PHY

#define CFG_TUH_MAX_SPEED BOARD_TUH_MAX_SPEED

//------------------------- Board Specific --------------------------

// RHPort number used for host can be defined by board.mk, default to port 0

#ifndef BOARD_TUH_RHPORT

#define BOARD_TUH_RHPORT 0

#endif

// RHPort max operational speed can defined by board.mk

#ifndef BOARD_TUH_MAX_SPEED

#define BOARD_TUH_MAX_SPEED OPT_MODE_DEFAULT_SPEED

#endif

//--------------------------------------------------------------------

// Driver Configuration

//--------------------------------------------------------------------

// Size of buffer to hold descriptors and other data used for enumeration

#define CFG_TUH_ENUMERATION_BUFSIZE 256

// only hub class is enabled

#define CFG_TUH_HUB 1

// max device support (excluding hub device)

// 1 hub typically has 4 ports

#define CFG_TUH_DEVICE_MAX (3*CFG_TUH_HUB + 1)

// Max endpoint per device

#define CFG_TUH_ENDPOINT_MAX 8

// Enable tuh_edpt_xfer() API

#define CFG_TUH_API_EDPT_XFER 1

#ifdef __cplusplus

}

#endif

توابعی که در کد زیر مشاهده می‌کنید برای گرفتن Description از ماژول هستند.

static void parseEc200Interface(uint8_t daddr, uint8_t *cfg)
{
    uint16_t totalLen = cfg[2] | (cfg[3] << 8);
    uint8_t *p = cfg;
    uint8_t *end = cfg + totalLen;
    bool foundVendorIf = false;

    gDev = 0; gEpIn = 0; gEpOut = 0; atReady = false;

    while (p < end && p[0] > 0) {
        uint8_t len = p[0];
        uint8_t type = p[1];

        if (type == TUSB_DESC_INTERFACE && len >= sizeof(tusb_desc_interface_t)) {
            tusb_desc_interface_t *itf = (tusb_desc_interface_t *)p;
            foundVendorIf = (itf->bInterfaceClass == 0xFF); // vendor-specific
            if (foundVendorIf) {
                printf("Found EC200 vendor AT interface (itf=%u)\n", itf->bInterfaceNumber);
            }
        }
        else if (type == TUSB_DESC_ENDPOINT && foundVendorIf && len >= sizeof(tusb_desc_endpoint_t)) {
            tusb_desc_endpoint_t *ep = (tusb_desc_endpoint_t *)p;
            if (ep->bmAttributes.xfer == TUSB_XFER_BULK) {
                if (tu_edpt_dir(ep->bEndpointAddress) == TUSB_DIR_IN) gEpIn = ep->bEndpointAddress;
                else gEpOut = ep->bEndpointAddress;
            }
        }

        p += len;
    }

    if (gEpIn && gEpOut) {
        gDev = daddr;
        printf("AT EP IN  = 0x%02X\n", gEpIn);
        printf("AT EP OUT = 0x%02X\n", gEpOut);
        atReady = true;
    }
}

void tuh_mount_cb(uint8_t daddr)
{
    printf("Device mounted: addr=%u\n", daddr);

    uint8_t cfg[512];
    if (tuh_descriptor_get_configuration_sync(daddr, 0, cfg, sizeof(cfg)) != XFER_RESULT_SUCCESS) {
        printf("Failed to read config\n");
        return;
    }

    parseEc200Interface(daddr, cfg);

    if (!atReady) return;

    // Open endpoints safely
    if (!openEndpointSafe(daddr, gEpOut)) return;
    if (!openEndpointSafe(daddr, gEpIn)) return;

    // Prepare and start RX transfer
    atRxXfer.daddr = daddr;
    atRxXfer.ep_addr = gEpIn;
    atRxXfer.buffer = atRxBuf;
    atRxXfer.buflen = sizeof(atRxBuf);
    atRxXfer.complete_cb = atRxCompleteCb;
<div style="clear:both; margin-top:2em; margin-bottom:3em;"><a href="https://sisoog.com/rolljam-samy-kamkar/" target="_blank" rel="dofollow" class="IRPP_kangoo"><!-- INLINE RELATED POSTS 3/3 //--><style> .IRPP_kangoo , .IRPP_kangoo .postImageUrl , .IRPP_kangoo .imgUrl , .IRPP_kangoo .centered-text-area { min-height: 100px; position: relative; } .IRPP_kangoo , .IRPP_kangoo:hover , .IRPP_kangoo:visited , .IRPP_kangoo:active { border:0!important; } .IRPP_kangoo { display: block; transition: background-color 250ms; webkit-transition: background-color 250ms; width: 100%; opacity: 1; transition: opacity 250ms; webkit-transition: opacity 250ms; background-color: #eaeaea; } .IRPP_kangoo:active , .IRPP_kangoo:hover { opacity: 1; transition: opacity 250ms; webkit-transition: opacity 250ms; background-color: #FFFFFF; } .IRPP_kangoo .postImageUrl , .IRPP_kangoo .imgUrl { background-position: center; background-size: cover; float: right; margin: 0; padding: 0; } .IRPP_kangoo .postImageUrl { width: 30%; } .IRPP_kangoo .imgUrl { width: 100%; } .IRPP_kangoo .centered-text-area { float: right; width: 70%; padding:0; margin:0; } .IRPP_kangoo .centered-text { display: table; height: 100px; left: 0; top: 0; padding:0; margin:0;width: 100%; } .IRPP_kangoo .IRPP_kangoo-content { display: table-cell; margin: 0; padding: 0 10px 0 10px; position: relative; vertical-align: middle; width: 100%; } .IRPP_kangoo .ctaText { border-bottom: 0 solid #fff; color: #D35400; font-size: 13px; font-weight: bold;text-align:left; margin: 0; padding: 0; text-decoration: underline; } .IRPP_kangoo .postTitle { color: #000000; font-size: 16px; font-weight: 600; margin: 0; padding: 0; } .IRPP_kangoo .ctaButton { background-color: #FFFFFF; margin-left: 10px; position: absolute; right: 0; top: 0; } .IRPP_kangoo:hover .imgUrl { -webkit-transform: scale(1.2); -moz-transform: scale(1.2); -o-transform: scale(1.2); -ms-transform: scale(1.2); transform: scale(1.2); } .IRPP_kangoo .imgUrl { -webkit-transition: -webkit-transform 0.4s ease-in-out; -moz-transition: -moz-transform 0.4s ease-in-out; -o-transition: -o-transform 0.4s ease-in-out; -ms-transition: -ms-transform 0.4s ease-in-out; transition: transform 0.4s ease-in-out; } .IRPP_kangoo:after { content: ""; display: block; clear: both; } </style><div class="postImageUrl" style="overflow:hidden; z-index: 10; max-width: 100%;"><div class="imgUrl" style="background-image:url(https://sisoog.com/wp-content/uploads/2025/10/پروژه-RollJam-هک-ریموت-ماشین-300x144.webp);"></div></div><div class="centered-text-area"><div class="centered-text"><div class="IRPP_kangoo-content"><div class="ctaText">شاید برای شما مفید باشد:</div><div class="clear:both;"></div><div class="postTitle">پروژه RollJam هک ریموت ماشین</div></div></div></div></a></div>
    if (!tuh_edpt_xfer(&atRxXfer)) {
        printf("ERROR: failed to start initial IN transfer\n");
        return;
    }

    printf("AT interface ready.\n");
}

static void parseEc200Interface(uint8_t daddr, uint8_t *cfg)

{

uint16_t totalLen = cfg[2] | (cfg[3] << 8);

uint8_t *p = cfg;

uint8_t *end = cfg + totalLen;

bool foundVendorIf = false;

gDev = 0; gEpIn = 0; gEpOut = 0; atReady = false;

while (p < end && p[0] > 0) {

uint8_t len = p[0];

uint8_t type = p[1];

if (type == TUSB_DESC_INTERFACE && len >= sizeof(tusb_desc_interface_t)) {

tusb_desc_interface_t *itf = (tusb_desc_interface_t *)p;

foundVendorIf = (itf->bInterfaceClass == 0xFF); // vendor-specific

if (foundVendorIf) {

printf("Found EC200 vendor AT interface (itf=%u)\n", itf->bInterfaceNumber);

}

else if (type == TUSB_DESC_ENDPOINT && foundVendorIf && len >= sizeof(tusb_desc_endpoint_t)) {

tusb_desc_endpoint_t *ep = (tusb_desc_endpoint_t *)p;

if (ep->bmAttributes.xfer == TUSB_XFER_BULK) {

if (tu_edpt_dir(ep->bEndpointAddress) == TUSB_DIR_IN) gEpIn = ep->bEndpointAddress;

else gEpOut = ep->bEndpointAddress;

}

p += len;

}

if (gEpIn && gEpOut) {

gDev = daddr;

printf("AT EP IN = 0x%02X\n", gEpIn);

printf("AT EP OUT = 0x%02X\n", gEpOut);

atReady = true;

}

void tuh_mount_cb(uint8_t daddr)

{

printf("Device mounted: addr=%u\n", daddr);

uint8_t cfg[512];

if (tuh_descriptor_get_configuration_sync(daddr, 0, cfg, sizeof(cfg)) != XFER_RESULT_SUCCESS) {

printf("Failed to read config\n");

return;

}

parseEc200Interface(daddr, cfg);

if (!atReady) return;

// Open endpoints safely

if (!openEndpointSafe(daddr, gEpOut)) return;

if (!openEndpointSafe(daddr, gEpIn)) return;

// Prepare and start RX transfer

atRxXfer.daddr = daddr;

atRxXfer.ep_addr = gEpIn;

atRxXfer.buffer = atRxBuf;

atRxXfer.buflen = sizeof(atRxBuf);

atRxXfer.complete_cb = atRxCompleteCb;

if (!tuh_edpt_xfer(&atRxXfer)) {

printf("ERROR: failed to start initial IN transfer\n");

return;

}

printf("AT interface ready.\n");

}

Description که توابع استخراج می‌کند به صورت زیر است.

Device 1: ID 2c7c:6005
Device Descriptor:
  bLength             18
  bDescriptorType     1
  bcdUSB              0200
  bDeviceClass        239
  bDeviceSubClass     2
  bDeviceProtocol     1
  bMaxPacketSize0     64
  idVendor            0x2c7c
  idProduct           0x6005
  bcdDevice           0318
  iManufacturer       1     Android
  iProduct            2     Android
  iSerialNumber       3     0000
  bNumConfigurations  1

Device 1: ID 2c7c:6005

Device Descriptor:

bLength 18

bDescriptorType 1

bcdUSB 0200

bDeviceClass 239

bDeviceSubClass 2

bDeviceProtocol 1

bMaxPacketSize0 64

idVendor 0x2c7c

idProduct 0x6005

bcdDevice 0318

iManufacturer 1 Android

iProduct 2 Android

iSerialNumber 3 0000

bNumConfigurations 1

پس از استخراج داده‌های مورد نیاز از ماژول حالا نوبت ارسال و دریافت داده است که از این توابع استفاده می‌کنیم.

uint8_t sendAt(const char *cmd)
{
    if (!atReady || gDev == 0 || gEpOut == 0) return 0;
    if (cmd == NULL) return 0;

    if (txBusy) {
        // transmitter busy — caller can retry later or we can implement a queue
        printf("TX busy, skipping send\n");
        return 0;
    }

    // prepare txBuf: copy cmd and ensure CRLF termination
    size_t cmdLen = strnlen(cmd, AT_TX_BUF_SIZE - 1);
    if (cmdLen == 0) return 0;

    // check space: +2 for CRLF
    if (cmdLen + 2 >= sizeof(txBuf)) {
        printf("ERROR: command too long\n");
        return 0;
    }

    memcpy(txBuf, cmd, cmdLen);
    // add CRLF if last char not CR or LF
    if (cmdLen >= 1 && (txBuf[cmdLen - 1] == '\r' || txBuf[cmdLen - 1] == '\n')) {
        // if user already added CR or LF, we ensure there is LF after CR
        if (txBuf[cmdLen - 1] == '\r') {
            txBuf[cmdLen++] = '\n';
        }
    } else {
        txBuf[cmdLen++] = '\r';
        txBuf[cmdLen++] = '\n';
    }

    // Fill transfer object
    txXfer.daddr = gDev;
    txXfer.ep_addr = gEpOut;
    txXfer.buffer = txBuf;
    txXfer.buflen = (uint32_t)cmdLen;
    txXfer.complete_cb = txCompleteCb;

    // Mark busy BEFORE calling tuh_edpt_xfer to avoid races.
    txBusy = true;

    if (!tuh_edpt_xfer(&txXfer)) {
        // failed to start transfer
        txBusy = false;
        printf("ERROR: tuh_edpt_xfer failed for OUT\n");
        return 0;
    }

    return 1;
}


void atRxCompleteCb(tuh_xfer_t* xfer)
{
    // Basic validation
    if (xfer == NULL) return;
    if (xfer->daddr != gDev) return;
    if (xfer->ep_addr != gEpIn) return;

    // Null-terminate (be careful: actual_len <= buf len)
    size_t n = xfer->actual_len;
    if (n >= AT_RX_BUF_SIZE) n = AT_RX_BUF_SIZE - 1;
    atRxBuf[n] = '\0';

    // Print received chunk
    printf("[AT RX] %s", (char*)atRxBuf);

    // Re-arm the IN transfer for next incoming data
    atRxXfer.daddr = gDev;
    atRxXfer.ep_addr = gEpIn;
    atRxXfer.buffer = atRxBuf;
    atRxXfer.buflen = sizeof(atRxBuf);
    atRxXfer.complete_cb = atRxCompleteCb;

    if (!tuh_edpt_xfer(&atRxXfer)) {
        printf("WARN: failed to restart at IN transfer\n");
    }
}

uint8_t sendAt(const char *cmd)

{

if (!atReady || gDev == 0 || gEpOut == 0) return 0;

if (cmd == NULL) return 0;

if (txBusy) {

// transmitter busy — caller can retry later or we can implement a queue

printf("TX busy, skipping send\n");

return 0;

}

// prepare txBuf: copy cmd and ensure CRLF termination

size_t cmdLen = strnlen(cmd, AT_TX_BUF_SIZE - 1);

if (cmdLen == 0) return 0;

// check space: +2 for CRLF

if (cmdLen + 2 >= sizeof(txBuf)) {

printf("ERROR: command too long\n");

return 0;

}

memcpy(txBuf, cmd, cmdLen);

// add CRLF if last char not CR or LF

if (cmdLen >= 1 && (txBuf[cmdLen - 1] == '\r' || txBuf[cmdLen - 1] == '\n')) {

// if user already added CR or LF, we ensure there is LF after CR

if (txBuf[cmdLen - 1] == '\r') {

txBuf[cmdLen++] = '\n';

}

} else {

txBuf[cmdLen++] = '\r';

txBuf[cmdLen++] = '\n';

}

// Fill transfer object

txXfer.daddr = gDev;

txXfer.ep_addr = gEpOut;

txXfer.buffer = txBuf;

txXfer.buflen = (uint32_t)cmdLen;

txXfer.complete_cb = txCompleteCb;

// Mark busy BEFORE calling tuh_edpt_xfer to avoid races.

txBusy = true;

if (!tuh_edpt_xfer(&txXfer)) {

// failed to start transfer

txBusy = false;

printf("ERROR: tuh_edpt_xfer failed for OUT\n");

return 0;

}

return 1;

}

void atRxCompleteCb(tuh_xfer_t* xfer)

{

// Basic validation

if (xfer == NULL) return;

if (xfer->daddr != gDev) return;

if (xfer->ep_addr != gEpIn) return;

// Null-terminate (be careful: actual_len <= buf len)

size_t n = xfer->actual_len;

if (n >= AT_RX_BUF_SIZE) n = AT_RX_BUF_SIZE - 1;

atRxBuf[n] = '\0';

// Print received chunk

printf("[AT RX] %s", (char*)atRxBuf);

// Re-arm the IN transfer for next incoming data

atRxXfer.daddr = gDev;

atRxXfer.ep_addr = gEpIn;

atRxXfer.buffer = atRxBuf;

atRxXfer.buflen = sizeof(atRxBuf);

atRxXfer.complete_cb = atRxCompleteCb;

if (!tuh_edpt_xfer(&atRxXfer)) {

printf("WARN: failed to restart at IN transfer\n");

}

اطلاعات

اشتراک و حمایت

راهنمای جامع پروتکل USB: از معماری و کلاس‌ها تا راه‌اندازی با TinyUSB و RP2040

مقدمه‌ای بر فناوری USB

معماری و مفاهیم اساسی USB

نقش‌های اصلی در اکوسیستم USB

فرآیند شناخت دستگاه (Enumeration)

تشخیص اتصال (Detection)

ریست دستگاه (Reset)

اختصاص آدرس یکتا (Address Assignment)

خواندن مشخصات دستگاه (Descriptor Reading)

بارگذاری درایور مناسب (Driver Loading)

پیکربندی و آماده‌سازی (Configuration)

ساختار Frame در USB

بسته‌ی Start of Frame (SOF)

نقش Frame در انتقال داده

کنترل تبادل داده (Control Transfer)

انتقال عمده (Bulk Transfer)

انتقال دوره‌ای (Interrupt Transfer)

انتقال هم‌دور (Isochronous Transfer)

انواع کلاس‌های USB

اتصال USB به ماژول

کدنویسی با TinyUSB

خانواده سیسوگ

دیدگاه ها

راهنمای جامع پروتکل USB: از معماری و کلاس‌ها تا راه‌اندازی با TinyUSB و RP2040

مقدمه‌ای بر فناوری USB

معماری و مفاهیم اساسی USB

نقش‌های اصلی در اکوسیستم USB

فرآیند شناخت دستگاه (Enumeration)

تشخیص اتصال (Detection)

ریست دستگاه (Reset)

اختصاص آدرس یکتا (Address Assignment)

خواندن مشخصات دستگاه (Descriptor Reading)

بارگذاری درایور مناسب (Driver Loading)

پیکربندی و آماده‌سازی (Configuration)

ساختار Frame در USB

بسته‌ی Start of Frame (SOF)

نقش Frame در انتقال داده

کنترل تبادل داده (Control Transfer)

انتقال عمده (Bulk Transfer)

انتقال دوره‌ای (Interrupt Transfer)

انتقال هم‌دور (Isochronous Transfer)

انواع کلاس‌های USB

اتصال USB به ماژول

کدنویسی با TinyUSB

شاید برای شما مفید باشد

آموزش تولید صدا و پخش ملودی با آردوینو با استفاده از تابع Tone

آموزش لیست پیوندی در زبان C و مدیریت حافظه پویا (Heap)

آموزش راه‌اندازی استپر موتور با آردوینو: استفاده از EasyDriver و ULN2003A

کلاک میکروکنترلر و بلوک I/O

اتصال LED و کنترل روشنایی با PWM در آردوینو

آموزش ارتباط سریال بین بردهای میکروکنترلر و کامپیوتر

خانواده سیسوگ

دیدگاه ها