国产单片机替代-CH32替代STM32

请保留-> 【原文:  https://blog.csdn.net/luobing4365 和 http://yiiyee.cn/blog/author/luobing/】

随着芯片价格疯涨,项目的不可控性越来越大。特别是价格方面,达到了无法想象的地步了。

以之前《UEFI编程实践》所用的YIE002开发板为例,当时选择使用STM32F103C8T6,也是因为它是一款性价比较高的MCU。当然,也有我之前用这款CPU做过几个项目,比较熟悉的原因在。

按我的记忆,之前项目中所用的STM32F103C8T6,价格在9元左右;而现在到立创商城上去查,单片价格到了惊人的109元!十几倍的涨幅,哪个项目还敢用它?

因此,大部分公司,都在准备各种替代方案。

我们也一样,预备使用CH32F103C8T6替代STM32F103C8T6。这两种芯片引脚兼容,内部的资源差不多,理论上代码移植也比较方便。

我就是这么想的,然后就被打脸了。

最大的原因在于,厂家提供的资料太少了!编程相关的CH32F103应用手册,只有短短的31页。我想看的USB设备控制器的寄存器细节,甚至都没有。想想STM32丰富的应用资料、例程和各种视频,感觉从新手级难度到了骨灰级难度了。

不过,再想想CH32这友好的价格,也就释然了。

周末两天,把之前的USB HID通信,在CH32F103C8T6上实现了,估计不久能很快地应用到项目中去。

预计也也有不少网友有类似的需求,我把探索的过程记录下来。

1 固件下载

CH32F103的芯片,支持WCH-Link或者其他SW仿真工具下载,也支持使用WCHISPTool通过USB和串口下载。考虑到后续开发的时候需要调试,我使用的是WCH-Link进行下载。

如图1所示,给出了WCH-Link的实物图(摘自《WCH-Link使用说明-V1.3》)。

图1 WCH-Link实物

由于我的目标是使用它下载程序到CH32F103C8T6中,只需要使用ARM模式就行了,不需要关注RISC-V模式。

拿到的WCH-Link,一般是RISC-V模式,需要将其切换到ARM模式。

模式切换的方法如下:

  1. WCH-Link 断电, 将图一正面图 1 中排针, TX 接 GND;
  2. WCH-Link 上电, 切换模式成功后, 断开 TX 和 GND;
  3. 后续使用时, WCH-Link 保持切换后的模式。

判断的方法如下:

  1. WCH-Link空闲时蓝灯常灭,是为RISC-V模式;
  2. WCH-Link空闲时蓝灯常亮,为ARM模式。

在ARM模式下,Windows 10下是不需要安装驱动的,而Win7有些情况下需要更换驱动,具体可以向厂家索取资料。

图2是WCH-Link在Win7下的设备显示。

图2 WCH-Link的ARM模式

实际使用中,直接使用SWD协议的两线以及GND就可以下载了。软件的使用方法,可以参考官方提供的《CH32F103评估板说明书》,其中介绍了详细的下载和仿真调试方法。

2 代码编写

我的目标在篇首就给出了,使用CH32F103C8T6实现之前的USB HID双向通信。

在经历了若干款MCU编写USB代码后,对这块内容已经比较熟悉了。简单来说,只要在USB HID的示例上,修改各类描述符,添加需要的命令处理就可以了。

可惜的是,厂家提供的示例代码非常少。CH32F103C8T6支持两个USB端口,一个是可做全速主机或设备的USBHD,另一个是全速设备USBD。

提供的示例代码中,USBD给出了VirtualCom的工程;USBHD给出了DEVICE、HOSG、HOST_Udisk三个示例。

USBD的工程,类似于STM32的Legacy Library;而USBHD的工程,则使用了沁恒电子自己的库。

我的目标很明确,实在没太多时间去研究沁恒电子的USB库,因此采用了USBD的示例作为模板,进行开发。

由于USBD的工程与STM32的USB库类似,我选择深入研究下STM32的USB库(毕竟资料更多,而且之前学习过)。

2.1 STM32的USB-FS Device Library

UEFI开发探索85中,曾经介绍过如何使用STM32F103C8T6制作HID设备。不过,对于所使用的的USB Library,并没有讨论。

STMF103的USB库,可以在STSW-STM32121中找到,其应用文档为UM0424。文档中给出了非常详尽的库说明,如图3为USB库的代码结构。

图3 USB库代码结构

USB-FS-Device 库主要分为两层:

  • STM32_USB-FS_Device_Driver: 驱动层,访问USB全速设备外围和USB标准协议,兼容USB2.0标准,与STM32标准库分离;这层不能由用户修改;
  • Applicaton Interface: 在库和最终用户层之间,提供完成的接口,可以由用户修改;

驱动层的代码,大部分情况下是不用修改的,它所包含的源文件说明如下:

  1. USB-FS外围部件接口
usb_reg (.h, .c):硬件抽象层
usb_int.c:传输中断服务函数
usb_mem(.h,.c):数据传输管理
  1. USB-FS设备驱动中间层
usb_init (.h,.c) :USB设备初始化全局变量
usb_core (.h , .c) :USB协议管理(兼容USB2.0规范第9章) 
usb_sil (.h,.c) :读写端点的简化函数(USB-FS_Device外围的抽象层)
usb_def.h / usb_type.h:用于库中的USB定义和类型
platform_config.h:评估板上用到的硬件定义

应用层代码是提供给用户修改用的,所需要实现的功能都在此层实现。它所包含的源文件说明如下:

usb_conf.h: 配置文件
usb_desc (.h, .c):描述符
usb_prop (.h, .c):应用规范属性
usb_endp.c:非控制端口的传输中断处理函数
usb_istr (.h,.c):中断处理函数
usb_pwr (.h, .c) :电源和连接管理函数

对照CH32F103C8T6提供的USBD例程,可以发现其结构与STM32的是一样的。可以断定,它是模仿了STM32的USB Library编写了自己的库函数接口。

这种设计方法,对习惯了STM32编程的工程师是非常好的。大部分情况下,可以直接把STM32的示例工程,直接移植到WCH的芯片上来(毕竟STM32的例程还是比较丰富的)。

本篇所实现的USB HID双向通信,就是参考了STM32的CustomHID例程,在CH32F103的USBD例子上实现的。

2.2 代码移植和修改

如图4所示,给出了CH32F103的USBD工程的代码结构。

图4 CH32F103的USBD工程代码

驱动层的代码完全不用修改。为了确定此事,我对照着STM32的驱动层代码,一个个函数研究了下,除去与芯片相关的部分,其实现代码几乎一致。

所要修改的代码在应用层,也不是所有源文件需要修改,需要修改的文件包括三个:
usb_desc.c、usb_endp.c和usb_prop.c。

看过我UEFI开发探索和YIE002开发探索两个系列博客的网友,应该了解之前我使用STM32开发USB HID设备的过程。而且相关的工程代码,在博客中也提供了(UEFI开发探索85和YIE002开发探索09,前者使用Legacy Library,后者使用Cube Library开发。)。

实际的开发过程,与之前的开发过程类似,只不过由于芯片的不同,有些代码需要进行移植。

2.2.1 usb_desc.c代码修改

所要修改的是各种描述符,包括设备描述符、配置描述符、端点描述符等。

需要注意的地方,是CH32F103的最大包长度为8。如下给出了设备描述符和配置描述符等的代码,其余的代码与之前开发的STM32F103工程相同,就不再给出了。

#define LOBYTE(x)  ((u8)(x & 0x00FF))
#define HIBYTE(x)  ((u8)((x & 0xFF00) >>8))

#define USBD_VID                     0x8765
#define USBD_PID                     0x4321

/* USB Device Descriptors */
const uint8_t  USBD_DeviceDescriptor[CUSTOMHID_SIZ_DEVICE_DESC] = { 
    0x12,                       /*bLength */
    USB_DEVICE_DESCRIPTOR_TYPE, /*bDescriptorType*/
    0x10,                       /*bcdUSB */
    0x01,
    0x00,                       /*bDeviceClass*/
    0x00,                       /*bDeviceSubClass*/
    0x00,                       /*bDeviceProtocol*/
    0x08,                       /*bMaxPacketSize*/
    LOBYTE(USBD_VID),           /*idVendor (0x1234)*/
    HIBYTE(USBD_VID),
    LOBYTE(USBD_PID),           /*idProduct = 0x4321*/
    HIBYTE(USBD_PID),
    0x00,                       /*bcdDevice rel. 1.00*/
    0x01,
    1,                          /*Index of string descriptor describing
                                              manufacturer */
    2,                          /*Index of string descriptor describing
                                             product*/
    3,                          /*Index of string descriptor describing the
                                             device serial number */
    0x01                        /*bNumConfigurations*/
};

/* USB Configration Descriptors */
const uint8_t  USBD_ConfigDescriptor[CUSTOMHID_SIZ_CONFIG_DESC] = { 
    0x09, /* bLength: Configuration Descriptor size */
    USB_CONFIGURATION_DESCRIPTOR_TYPE, /* bDescriptorType: Configuration */
    CUSTOMHID_SIZ_CONFIG_DESC,    /* wTotalLength: Bytes returned */
    0x00,
    0x01,         /* bNumInterfaces: 1 interface */
    0x01,         /* bConfigurationValue: Configuration value */
    0x00,         /* iConfiguration: Index of string descriptor describing
                                 the configuration*/
    0x80,       /* bmAttributes: Self powered */
    0x32,      /* MaxPower 100 mA: this current is used for detecting Vbus */

    /************** Descriptor of Custom HID interface ****************/
    /* 09 */
    0x09,         /* bLength: Interface Descriptor size */
    USB_INTERFACE_DESCRIPTOR_TYPE,/* bDescriptorType: Interface descriptor type */
    0x00,         /* bInterfaceNumber: Number of Interface */
    0x00,         /* bAlternateSetting: Alternate setting */
    0x02,         /* bNumEndpoints */
    0x03,         /* bInterfaceClass: HID */
    0x00,         /* bInterfaceSubClass : 1=BOOT, 0=no boot */
    0x00,         /* nInterfaceProtocol : 0=none, 1=keyboard, 2=mouse */
    0,            /* iInterface: Index of string descriptor */
    /******************** Descriptor of Custom HID HID ********************/
    /* 18 */
    0x09,         /* bLength: HID Descriptor size */
    HID_DESCRIPTOR_TYPE, /* bDescriptorType: HID */
    0x10,         /* bcdHID: HID Class Spec release number */
    0x01,
    0x00,         /* bCountryCode: Hardware target country */
    0x01,         /* bNumDescriptors: Number of HID class descriptors to follow */
    0x22,         /* bDescriptorType */
    CUSTOMHID_SIZ_REPORT_DESC,/* wItemLength: Total length of Report descriptor */
    0x00,
    /******************** Descriptor of Custom HID endpoints ******************/
    /* 27 */
    0x07,          /* bLength: Endpoint Descriptor size */
    USB_ENDPOINT_DESCRIPTOR_TYPE, /* bDescriptorType: */

    0x82,          /* bEndpointAddress: Endpoint Address (IN) */
    0x03,          /* bmAttributes: 00: Control endpoint 01: Isochronous endpoint 02: Bulk endpoint  03: Interrupt endpoint */
    0x40,          /* wMaxPacketSize: 64 Bytes max */
    0x00,
    0x00,          /* bInterval: Polling Interval  */
    /* 34 */
    	
    0x07,	/* bLength: Endpoint Descriptor size */
    USB_ENDPOINT_DESCRIPTOR_TYPE,	/* bDescriptorType: */
			/*	Endpoint descriptor type */
    0x02,	/* bEndpointAddress: */
			/*	Endpoint Address (OUT) */
    0x03,	/* bmAttributes: Interrupt endpoint */
    0x40,	/* wMaxPacketSize: 64 Bytes max  */
    0x00,
    0x00,	/* bInterval: Polling Interval   */
};

2.2.2 usb_prop.c代码修改

这是开发中的重点,原有的CHF103的USBD工程中,包括端口0的控制传输以及若干USB命令都没有实现。

简单来说,就是需要把端口0的控制传输代码实现,以支持各种USB标准命令和USB类命令(主要是HID类)。

以下是我添加的代码,具体就不一一解释了,对照着以前提供的STM32工程和CHF103的USBD工程,还是很容易看明白的。

//robin add 20210910 begin------------------------
ONE_DESCRIPTOR CustomHID_Report_Descriptor =
{
  (uint8_t *)CustomHID_ReportDescriptor,
  CUSTOMHID_SIZ_REPORT_DESC
};
ONE_DESCRIPTOR CustomHID_Hid_Descriptor =
  {
    (uint8_t*)USBD_ConfigDescriptor + CUSTOMHID_OFF_HID_DESC,
    CUSTOMHID_SIZ_HID_DESC
  };
//robin add 20210910 end------------------------  
/*******************************************************************************
* Function Name  : USBD_Reset
* Description    : Virtual_Com_Port Mouse reset routine
* Input          : None.
* Return         : None.
*******************************************************************************/
void USBD_Reset(void)
{
  pInformation->Current_Configuration = 0;
  pInformation->Current_Feature = USBD_ConfigDescriptor[7];
  pInformation->Current_Interface = 0;

  SetBTABLE(BTABLE_ADDRESS);

  SetEPType(ENDP0, EP_CONTROL);
  SetEPTxStatus(ENDP0, EP_TX_STALL);
  SetEPRxAddr(ENDP0, ENDP0_RXADDR);
  SetEPTxAddr(ENDP0, ENDP0_TXADDR);
  Clear_Status_Out(ENDP0);
  SetEPRxCount(ENDP0, Device_Property.MaxPacketSize);
  SetEPRxValid(ENDP0);
  _ClearDTOG_RX(ENDP0);
  _ClearDTOG_TX(ENDP0);

    /* Initialize Endpoint 2 */
  SetEPType(ENDP2, EP_INTERRUPT);
  SetEPTxAddr(ENDP2, ENDP2_TXADDR);
  SetEPRxAddr(ENDP2, ENDP2_RXADDR);
  SetEPTxCount(ENDP2, USBD_DATA_SIZE);   //robin: 修改为64字节大小
  //SetEPRxCount(ENDP2, USBD_DATA_SIZE);   //robin: 修改为64字节大小
  SetEPRxStatus(ENDP2, EP_RX_VALID);
  SetEPTxStatus(ENDP2, EP_TX_NAK);
  _ClearDTOG_RX(ENDP2);
  _ClearDTOG_TX(ENDP2);
  
  SetDeviceAddress(0);
  
  bDeviceState = ATTACHED;
}
/*******************************************************************************
* Function Name  : USBD_NoData_Setup.
* Description    : handle the no data class specific requests.
* Input          : Request Nb.
* Return         : USB_UNSUPPORT or USB_SUCCESS.
*******************************************************************************/
RESULT USBD_NoData_Setup(uint8_t RequestNo)
{                                          
  if ((Type_Recipient == (CLASS_REQUEST | INTERFACE_RECIPIENT))
      && (RequestNo == SET_PROTOCOL))
  {
    return CustomHID_SetProtocol();
  }

  else
  {
    return USB_UNSUPPORT;
  }
//  return USB_SUCCESS;
}
//robin add 20210910 begin-----------------------------------------------------------------
//=====================================================================================
//====    ===   ===   ===   === ==== =================================================
//==== == == === == == === ====  === ==================================================
//==== = === === ==   ==== ==== == = =================================================
//==== == ===   === == ==   === ===  ==================================================
//=====================================================================================
/*记录:1 沁恒电子提供的资料中,没有关于HID的示例,因此,在其USBD(VirtualComPort)上进行修改;
        2 除去修改设备描述符等相对简单的部分,主要修改集中在本源文件中;
*/
/*******************************************************************************
* Function Name  : USBD_Data_Setup
* Description    : handle the data class specific requests
* Input          : Request Nb.
* Return         : USB_UNSUPPORT or USB_SUCCESS.
*******************************************************************************/
RESULT USBD_Data_Setup(uint8_t RequestNo)
{
  uint8_t *(*CopyRoutine)(uint16_t);
  
  if (pInformation->USBwIndex != 0) 
    return USB_UNSUPPORT;    
  
  CopyRoutine = NULL;
  
  if ((RequestNo == GET_DESCRIPTOR)
      && (Type_Recipient == (STANDARD_REQUEST | INTERFACE_RECIPIENT))
        )
  {
    
    if (pInformation->USBwValue1 == REPORT_DESCRIPTOR)
    {
      CopyRoutine = CustomHID_GetReportDescriptor;
    }
    else if (pInformation->USBwValue1 == HID_DESCRIPTOR_TYPE)
    {
      CopyRoutine = CustomHID_GetHIDDescriptor;
    }
    
  } /* End of GET_DESCRIPTOR */
  
  /*** GET_PROTOCOL, GET_REPORT, SET_REPORT ***/
  else if ( (Type_Recipient == (CLASS_REQUEST | INTERFACE_RECIPIENT)) )
  {         
    switch( RequestNo )
    {
    case GET_PROTOCOL:
      CopyRoutine = CustomHID_GetProtocolValue;
      break;
    case SET_REPORT:
      CopyRoutine = CustomHID_SetReport_Feature;
      Request = SET_REPORT;
      break;
		//robin add for get_report
		case GET_REPORT:
			if((Report_InOut_Flag==0)&&(Report_Feature_Flag==0))
				return USB_NOT_READY;   //Robin: Inform the host that the data is not ready
			CopyRoutine = CustomHID_GetReport_Feature;
      Request = GET_REPORT;
      break;
    default:
      break;
    }
  }
  
  if (CopyRoutine == NULL)
  {
    return USB_UNSUPPORT;
  }
  
  pInformation->Ctrl_Info.CopyData = CopyRoutine;
  pInformation->Ctrl_Info.Usb_wOffset = 0;
  (*CopyRoutine)(0);
  
  return USB_SUCCESS;
}
/*******************************************************************************
* Function Name  : CustomHID_GetReportDescriptor.
* Description    : Gets the HID report descriptor.
* Input          : Length
* Output         : None.
* Return         : The address of the configuration descriptor.
*******************************************************************************/
uint8_t *CustomHID_GetReportDescriptor(uint16_t Length)
{
  return Standard_GetDescriptorData(Length, &CustomHID_Report_Descriptor);
}
/*******************************************************************************
* Function Name  : CustomHID_GetHIDDescriptor.
* Description    : Gets the HID descriptor.
* Input          : Length
* Output         : None.
* Return         : The address of the configuration descriptor.
*******************************************************************************/
uint8_t *CustomHID_GetHIDDescriptor(uint16_t Length)
{
  return Standard_GetDescriptorData(Length, &CustomHID_Hid_Descriptor);
}
/*******************************************************************************
* Function Name  : CustomHID_GetProtocolValue
* Description    : get the protocol value
* Input          : Length.
* Output         : None.
* Return         : address of the protocol value.
*******************************************************************************/
uint8_t *CustomHID_GetProtocolValue(uint16_t Length)
{
  if (Length == 0)
  {
    pInformation->Ctrl_Info.Usb_wLength = 1;
    return NULL;
  }
  else
  {
    return (uint8_t *)(&ProtocolValue);
  }
}
/*******************************************************************************
* Function Name  : CustomHID_SetProtocol
* Description    : Joystick Set Protocol request routine.
* Input          : None.
* Output         : None.
* Return         : USB SUCCESS.
*******************************************************************************/
RESULT CustomHID_SetProtocol(void)
{
  uint8_t wValue0 = pInformation->USBwValue0;
  ProtocolValue = wValue0;
  return USB_SUCCESS;
}
/*******************************************************************************
* Function Name  : CustomHID_SetReport_Feature
* Description    : Set Feature request handling
* Input          : Length.
* Output         : None.
* Return         : Buffer
*******************************************************************************/
uint8_t *CustomHID_SetReport_Feature(uint16_t Length)
{
	if(pInformation->USBwValues.bw.bb1 == OUT_REPORT)
		Report_InOut_Flag=1;
	else if(pInformation->USBwValues.bw.bb1 == FEATURE_REPORT)
		Report_Feature_Flag=1;
	
  if (Length == 0)
  {
    pInformation->Ctrl_Info.Usb_wLength = 16;  //robin
    return NULL;
  }
  else
  {
//    return Report_Buf;
    return &Report_Buf[pInformation->Ctrl_Info.Usb_wOffset];
  }
}
/*******************************************************************************
* Function Name  : CustomHID_GetReport_Feature
* Description    : Set Feature request handling
* Input          : Length.
* Output         : None.
* Return         : Buffer
*******************************************************************************/
uint8_t *CustomHID_GetReport_Feature(uint16_t Length)
{
   if(pInformation->USBwValues.bw.bb1 == IN_REPORT)
     Report_InOut_Flag=0;
   else if(pInformation->USBwValues.bw.bb1 == FEATURE_REPORT)
     Report_Feature_Flag=0;
	
  if (Length == 0) //此处报告需要发送的长度
  {
    pInformation->Ctrl_Info.Usb_wLength = 16;//2; //robin
    return NULL;
  }
  else  //此处返回需要处理的数据
  {
    if(pInformation->USBwValues.bw.bb1 == FEATURE_REPORT)
    {
      if(Report_Buf[0] == 0xA0)  //将第二个字节改为3返回,表示是Feature 报告;
        Report_Buf[1]=0x3;  
     }
     else
     {
       if(Report_Buf[0] == 0xA0)  //将第二个字节改为2返回,表示是IN/OUT报告;
         Report_Buf[1]=0x2;
      }
    return Report_Buf;
  }
}

//robin add 20210910 end-----------------------------------------------------------------

如果熟悉STM32的USB编程,看过我之前编写的USB HID工程,是很容易看清楚这些代码的结构的。使用Input Report&Output Report,以及Feature Report的通信方式,均在此源文件中实现。

无外乎是将STM32的代码,移植到CH32上来(大部分代码基本不用修改,复制过来就行)。

另外,usb_prop.h头文件中,也会缺少一些类型定义和宏定义,在STM32的工程中找下就可以了,就不贴出内容了。

2.2.3 usb_endp.c代码修改

usb_endp.c中主要实现的端点读写通信,也即对应上位机的ReadFile()和WriteFile()。

在usb_desc.c中的配置描述符中,包含了端点描述符的内容。我们声明了端点2的IN和OUT作为读写接口。所实现的代码如下:

uint8_t Receive_Buffer[0xff];
/*******************************************************************************
* Function Name  : EP2_IN_Callback
* Description    : Endpoint 2 IN.
* Input          : None.
* Return         : None.
*******************************************************************************/
void EP2_IN_Callback (void)
{ 
}

/*******************************************************************************
* Function Name  : EP2_OUT_Callback
* Description    : Endpoint 2 IN.
* Input          : None.
* Return         : None.
*******************************************************************************/
void EP2_OUT_Callback(void)
{
uint32_t DataLength = 0;
  DataLength=USB_SIL_Read(EP2_OUT, Receive_Buffer); //读取端点得到的数据
  SetEPRxStatus(ENDP2, EP_RX_VALID);
	
	if (Receive_Buffer[0] == 0xA0)   //将第二个字节改为1返回,表示是采用端点发送的方式
	{
		Receive_Buffer[1]=0x1;
	}
	USB_SIL_Write(EP2_IN,Receive_Buffer,DataLength);
	SetEPTxStatus(ENDP2,EP_TX_VALID);
}

至此,就完成了所有编程工作了。将其编译下载到CH32F103C8T6的开发板上,就可以进行测试了。

3 测试

仍旧使用我之前开发的UsbHID上位机工具进行测试(UEFI开发探索74附带的测试工具),结果如下:

图4 CH32F103的USBD工程代码

从图5的测试可以看出,三种读写方式都实现了。

不得不承认,国产的单片机相比于国外的大厂来说,支持资料做得很不足。不过,从功能上来说,还是会有一些亮点的。比如CH32F103C8T6相比于STM32F103C8T6,3个串口保留了,而且还增加了一个USB HOST。

另外,即便是在正常的情况下(现在芯片短缺属于不正常状态),其价格也只有STM32F103C8T6的一半。这对于批量出货的产品来说,是个不能忽视的优势。

我相信随着这波芯片短缺的影响,很多的厂商都会逐渐使用国产单片机了。这种变化,对软硬件工程师来说,可是个不小的考验。

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