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【经验分享】基于STM32使用HAL库实现USB组合设备之多路CDC

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STMCU小助手 发布时间：2022-4-9 23:12
工程环境：
STM32F103RC
STM32CubeIDE 1.5.1
第一步：基础工程生成
     首先先用STM32CUBEMX生成CDC工程，并测试通过没有问题后，就可以着手开始下一步的修改，如果你还不了解CDC虚拟串口，那么可以参考文章开头链接第一条说明里的博客内容。

第二步：USB设备描述符的修改
这一步很简单的，就是修改usbd_desc.c中的设备描述符数组USBD_FS_DeviceDesc，将设备类型改为组合设备类型：

_Y05WQZKXE)EC2KO[BK]8I3.png

第三步：修改PMA端点分布

}34}RD0%~S%TH9CW430~RZI.png

然后进入usbd_conf.c文件中，找到USBD_LL_Init函数，修改PMA端点初始化：

}P%Q31}O8~0HCQJ(NO{27PN.png

说一下PMA为什么这么改，目前我们用到的端点有：
0X80、0X00为USB所必须的端点
0X81、0X01为CDC1的输入输出端点
0X82、0X02为CDC2的输入输出端点
0X83为CDC1的命令控制端点（0X03端点未使用，但是占用空间）
0X84为CDC2的命令控制端点（0X04端点未使用，但是占用空间）

所以一共10个端点，10x8=80字节，十六进制为0X50，所以端点的缓存地址就是从PMA偏移0X50地址处开始。

输入输出端点最大可配置为64字节的缓存，所以是自增0X40。

命令端点的缓存数据大小是8字节缓存，自增16字节是因为光用到了输入端点，输出端点没用但是占用PMA空间，所以是自增0X10。

如下图指示是8字节：

20210427142334981.png

接下修改端点初始化，找到USBD_CDC_Init函数，添加CDC2的端点初始化操作：

  1. static uint8_t  USBD_CDC_Init(USBD_HandleTypeDef *pdev, uint8_t cfgidx)
  2. {
  3.   uint8_t ret = 0U;
  4.   USBD_CDC_HandleTypeDef   *hcdc;

  6.   if (pdev->dev_speed == USBD_SPEED_HIGH)
  7.   {
  8.     /* Open EP IN */
  9.     USBD_LL_OpenEP(pdev, CDC_IN_EP, USBD_EP_TYPE_BULK,
  10.                    CDC_DATA_HS_IN_PACKET_SIZE);

  12.     pdev->ep_in[CDC_IN_EP & 0xFU].is_used = 1U;

  14.     /* Open EP OUT */
  15.     USBD_LL_OpenEP(pdev, CDC_OUT_EP, USBD_EP_TYPE_BULK,
  16.                    CDC_DATA_HS_OUT_PACKET_SIZE);

  18.     pdev->ep_out[CDC_OUT_EP & 0xFU].is_used = 1U;

  20.   }
  21.   else
  22.   {
  23.     /* Open EP IN */
  24.     USBD_LL_OpenEP(pdev, CDC_IN_EP, USBD_EP_TYPE_BULK,
  25.                    CDC_DATA_FS_IN_PACKET_SIZE);

  27.     pdev->ep_in[CDC_IN_EP & 0xFU].is_used = 1U;

  29.     /* Open EP OUT */
  30.     USBD_LL_OpenEP(pdev, CDC_OUT_EP, USBD_EP_TYPE_BULK,
  31.                    CDC_DATA_FS_OUT_PACKET_SIZE);

  33.     pdev->ep_out[CDC_OUT_EP & 0xFU].is_used = 1U;

  35.     / +++lakun
  36.     /* Open EP IN */
  37.     USBD_LL_OpenEP(pdev, CDC2_IN_EP, USBD_EP_TYPE_BULK,
  38.                    CDC_DATA_FS_IN_PACKET_SIZE);

  40.     pdev->ep_in[CDC2_IN_EP & 0xFU].is_used = 1U;

  42.     /* Open EP OUT */
  43.     USBD_LL_OpenEP(pdev, CDC2_OUT_EP, USBD_EP_TYPE_BULK,
  44.                    CDC_DATA_FS_OUT_PACKET_SIZE);

  46.     pdev->ep_out[CDC2_OUT_EP & 0xFU].is_used = 1U;
  47.   }
  48.   /* Open Command IN EP */
  49.   USBD_LL_OpenEP(pdev, CDC_CMD_EP, USBD_EP_TYPE_INTR, CDC_CMD_PACKET_SIZE);
  50.   pdev->ep_in[CDC_CMD_EP & 0xFU].is_used = 1U;

  52.   / +++lakun
  53.   /* Open Command IN EP */
  54.   USBD_LL_OpenEP(pdev, CDC2_CMD_EP, USBD_EP_TYPE_INTR, CDC_CMD_PACKET_SIZE);
  55.   pdev->ep_in[CDC2_CMD_EP & 0xFU].is_used = 1U;

  57.   pdev->pClassData = USBD_malloc(sizeof(USBD_CDC_HandleTypeDef));

  59.   if (pdev->pClassData == NULL)
  60.   {
  61.     ret = 1U;
  62.   }
  63.   else
  64.   {
  65.     hcdc = (USBD_CDC_HandleTypeDef *) pdev->pClassData;

  67.     /* Init  physical Interface components */
  68.     ((USBD_CDC_ItfTypeDef *)pdev->pUserData)->Init();

  70.     /* Init Xfer states */
  71.     hcdc->TxState = 0U;
  72.     hcdc->RxState = 0U;

  74.     if (pdev->dev_speed == USBD_SPEED_HIGH)
  75.     {
  76.       /* Prepare Out endpoint to receive next packet */
  77.       USBD_LL_PrepareReceive(pdev, CDC_OUT_EP, hcdc->RxBuffer,
  78.                              CDC_DATA_HS_OUT_PACKET_SIZE);
  79.     }
  80.     else
  81.     {
  82.       /* Prepare Out endpoint to receive next packet */
  83.       USBD_LL_PrepareReceive(pdev, CDC_OUT_EP, hcdc->RxBuffer,
  84.                              CDC_DATA_FS_OUT_PACKET_SIZE);

  86.       / +++lakun
  87.       /* Prepare Out endpoint to receive next packet */
  88.       USBD_LL_PrepareReceive(pdev, CDC2_OUT_EP, hcdc->RxBuffer,
  89.                              CDC_DATA_FS_OUT_PACKET_SIZE);
  90.     }
  91.   }
  92.   return ret;
  93. }
复制代码

注：这一步骤的修改都非常挂关键，好多人组合设备修改出错的原因就是在修改PMA这里出的问题！在本文章起始处的蓝色链接《STM32 USB知识扫盲》文中有对PAM的详细讲解，一定要仔细看一下并理解！

第四步：修改配置描述符
贴一下我修改好的两路CDC配置，修改过的地方都有+++lakun样的标记：

  1. /* USB CDC device Configuration Descriptor */
  2. __ALIGN_BEGIN uint8_t USBD_CDC_CfgFSDesc[USB_CDC_CONFIG_DESC_SIZ] __ALIGN_END =
  3. {
  4.   /*Configuration Descriptor*/
  5.   0x09,   /* bLength: Configuration Descriptor size */
  6.   USB_DESC_TYPE_CONFIGURATION,      /* bDescriptorType: Configuration */
  7.   USB_CDC_CONFIG_DESC_SIZ,                /* wTotalLength:no of returned bytes */
  8.   0x00,
  9.   0x04,   /* bNumInterfaces: 4 interface */  /* +++lakun：一个CDC用到了连个接口，两个CDC就是4个接口 */
  10.   0x01,   /* bConfigurationValue: Configuration value */
  11.   0x00,   /* iConfiguration: Index of string descriptor describing the configuration */
  12.   0xC0,   /* bmAttributes: self powered */
  13.   0x32,   /* MaxPower 0 mA */

  15.   /*---------------------------------------------------------------------------*/

  17.   //
  18.   // +++lakun: IAD(Interface Association Descriptor)
  19.   //
  20.   0X08,  // bLength: Interface Descriptor size，固定值
  21.   0X0B,  // bDescriptorType: IAD，固定值
  22.   0X00,  // bFirstInterface，第一个接口的起始序号
  23.   0X02,  // bInterfaceCount，本IAD下的接口数量
  24.   0X02,  // bFunctionClass: CDC，表明该IAD是一个CDC类型的设备
  25.   0X02,  // bFunctionSubClass：子类型，默认即可
  26.   0X01,  // bFunctionProtocol：控制协议，默认即可
  27.   0X02,  // iFunction

  29.   /*Interface Descriptor */
  30.   0x09,   /* bLength: Interface Descriptor size */
  31.   USB_DESC_TYPE_INTERFACE,  /* bDescriptorType: Interface */
  32.   /* Interface descriptor type */
  33.   0x00,   /* bInterfaceNumber: Number of Interface */                   /* +++lakun:接口编号，从0开始 */
  34.   0x00,   /* bAlternateSetting: Alternate setting */
  35.   0x01,   /* bNumEndpoints: One endpoints used */
  36.   0x02,   /* bInterfaceClass: Communication Interface Class */
  37.   0x02,   /* bInterfaceSubClass: Abstract Control Model */
  38.   0x01,   /* bInterfaceProtocol: Common AT commands */
  39.   0x00,   /* iInterface: */

  41.   /*Header Functional Descriptor*/
  42.   0x05,   /* bLength: Endpoint Descriptor size */
  43.   0x24,   /* bDescriptorType: CS_INTERFACE */
  44.   0x00,   /* bDescriptorSubtype: Header Func Desc */
  45.   0x10,   /* bcdCDC: spec release number */
  46.   0x01,

  48.   /*Call Management Functional Descriptor*/
  49.   0x05,   /* bFunctionLength */
  50.   0x24,   /* bDescriptorType: CS_INTERFACE */
  51.   0x01,   /* bDescriptorSubtype: Call Management Func Desc */
  52.   0x00,   /* bmCapabilities: D0+D1 */
  53.   0x01,   /* bDataInterface: 1 */

  55.   /*ACM Functional Descriptor*/
  56.   0x04,   /* bFunctionLength */
  57.   0x24,   /* bDescriptorType: CS_INTERFACE */
  58.   0x02,   /* bDescriptorSubtype: Abstract Control Management desc */
  59.   0x02,   /* bmCapabilities */

  61.   /*Union Functional Descriptor*/
  62.   0x05,   /* bFunctionLength */
  63.   0x24,   /* bDescriptorType: CS_INTERFACE */
  64.   0x06,   /* bDescriptorSubtype: Union func desc */
  65.   0x00,   /* bMasterInterface: Communication class interface */                 /* +++lakun:这里指示的是本CDC的通信接口编号 */
  66.   0x01,   /* bSlaveInterface0: Data Class Interface */                          /* +++lakun:这里指示的是本CDC的数据接口编号 */

  68.   /*Endpoint 2 Descriptor*/
  69.   0x07,                           /* bLength: Endpoint Descriptor size */
  70.   USB_DESC_TYPE_ENDPOINT,   /* bDescriptorType: Endpoint */
  71.   CDC_CMD_EP,                     /* bEndpointAddress */
  72.   0x03,                           /* bmAttributes: Interrupt */
  73.   LOBYTE(CDC_CMD_PACKET_SIZE),     /* wMaxPacketSize: */
  74.   HIBYTE(CDC_CMD_PACKET_SIZE),
  75.   CDC_FS_BINTERVAL,                           /* bInterval: */
  76.   /*---------------------------------------------------------------------------*/

  78.   /*Data class interface descriptor*/
  79.   0x09,   /* bLength: Endpoint Descriptor size */
  80.   USB_DESC_TYPE_INTERFACE,  /* bDescriptorType: */
  81.   0x01,   /* bInterfaceNumber: Number of Interface */                          /* +++lakun:CDC1的数据接口编号 */
  82.   0x00,   /* bAlternateSetting: Alternate setting */
  83.   0x02,   /* bNumEndpoints: Two endpoints used */
  84.   0x0A,   /* bInterfaceClass: CDC */
  85.   0x00,   /* bInterfaceSubClass: */
  86.   0x00,   /* bInterfaceProtocol: */
  87.   0x00,   /* iInterface: */

  89.   /*Endpoint OUT Descriptor*/
  90.   0x07,   /* bLength: Endpoint Descriptor size */
  91.   USB_DESC_TYPE_ENDPOINT,      /* bDescriptorType: Endpoint */
  92.   CDC_OUT_EP,                        /* bEndpointAddress */
  93.   0x02,                              /* bmAttributes: Bulk */
  94.   LOBYTE(CDC_DATA_FS_MAX_PACKET_SIZE),  /* wMaxPacketSize: */
  95.   HIBYTE(CDC_DATA_FS_MAX_PACKET_SIZE),
  96.   0x00,                              /* bInterval: ignore for Bulk transfer */

  98.   /*Endpoint IN Descriptor*/
  99.   0x07,   /* bLength: Endpoint Descriptor size */
  100.   USB_DESC_TYPE_ENDPOINT,      /* bDescriptorType: Endpoint */
  101.   CDC_IN_EP,                         /* bEndpointAddress */
  102.   0x02,                              /* bmAttributes: Bulk */
  103.   LOBYTE(CDC_DATA_FS_MAX_PACKET_SIZE),  /* wMaxPacketSize: */
  104.   HIBYTE(CDC_DATA_FS_MAX_PACKET_SIZE),
  105.   0x00,                               /* bInterval: ignore for Bulk transfer */


  108.   //
  109.   // +++lakun: IAD(Interface Association Descriptor)
  110.   //
  111.   0X08,  // bLength: Interface Descriptor size，固定值
  112.   0X0B,  // bDescriptorType: IAD，固定值
  113.   0X02,  // bFirstInterface，第一个接口的起始序号（第0、1编号的接口用于CDC1，现在是第二个CDC了，所以从2开始）
  114.   0X02,  // bInterfaceCount，本IAD下的接口数量
  115.   0X02,  // bFunctionClass: CDC，表明该IAD是一个CDC类型的设备
  116.   0X02,  // bFunctionSubClass：子类型，默认即可
  117.   0X01,  // bFunctionProtocol：控制协议，默认即可
  118.   0X02,  // iFunction

  120.   /*Interface Descriptor */
  121.   0x09,   /* bLength: Interface Descriptor size */
  122.   USB_DESC_TYPE_INTERFACE,  /* bDescriptorType: Interface */
  123.   /* Interface descriptor type */
  124.   0x02,   /* bInterfaceNumber: Number of Interface */ /* +++lakun：这里就是第二个CDC了，第0、1编号的接口给CDC1使用了，所以是2开始的 */
  125.   0x00,   /* bAlternateSetting: Alternate setting */
  126.   0x01,   /* bNumEndpoints: One endpoints used */
  127.   0x02,   /* bInterfaceClass: Communication Interface Class */
  128.   0x02,   /* bInterfaceSubClass: Abstract Control Model */
  129.   0x01,   /* bInterfaceProtocol: Common AT commands */
  130.   0x00,   /* iInterface: */

  132.   /*Header Functional Descriptor*/
  133.   0x05,   /* bLength: Endpoint Descriptor size */
  134.   0x24,   /* bDescriptorType: CS_INTERFACE */
  135.   0x00,   /* bDescriptorSubtype: Header Func Desc */
  136.   0x10,   /* bcdCDC: spec release number */
  137.   0x01,

  139.   /*Call Management Functional Descriptor*/
  140.   0x05,   /* bFunctionLength */
  141.   0x24,   /* bDescriptorType: CS_INTERFACE */
  142.   0x01,   /* bDescriptorSubtype: Call Management Func Desc */
  143.   0x00,   /* bmCapabilities: D0+D1 */
  144.   0x01,   /* bDataInterface: 1 */

  146.   /*ACM Functional Descriptor*/
  147.   0x04,   /* bFunctionLength */
  148.   0x24,   /* bDescriptorType: CS_INTERFACE */
  149.   0x02,   /* bDescriptorSubtype: Abstract Control Management desc */
  150.   0x02,   /* bmCapabilities */

  152.   /*Union Functional Descriptor*/
  153.   0x05,   /* bFunctionLength */
  154.   0x24,   /* bDescriptorType: CS_INTERFACE */
  155.   0x06,   /* bDescriptorSubtype: Union func desc */
  156.   0x02,   /* bMasterInterface: Communication class interface */                    /* +++lakun：这里指示的是本CDC的通信接口编号 */
  157.   0x03,   /* bSlaveInterface0: Data Class Interface */                             /* +++lakun：这里指示的是本CDC的数据接口编号 */

  159.   /*Endpoint 2 Descriptor*/
  160.   0x07,                           /* bLength: Endpoint Descriptor size */
  161.   USB_DESC_TYPE_ENDPOINT,   /* bDescriptorType: Endpoint */
  162.   CDC2_CMD_EP,                     /* bEndpointAddress */
  163.   0x03,                           /* bmAttributes: Interrupt */
  164.   LOBYTE(CDC_CMD_PACKET_SIZE),     /* wMaxPacketSize: */
  165.   HIBYTE(CDC_CMD_PACKET_SIZE),
  166.   CDC_FS_BINTERVAL,                           /* bInterval: */
  167.   /*---------------------------------------------------------------------------*/

  169.   /*Data class interface descriptor*/
  170.   0x09,   /* bLength: Endpoint Descriptor size */
  171.   USB_DESC_TYPE_INTERFACE,  /* bDescriptorType: */
  172.   0x03,   /* bInterfaceNumber: Number of Interface */ /* +++lakun：CDC2的数据接口编号 */
  173.   0x00,   /* bAlternateSetting: Alternate setting */
  174.   0x02,   /* bNumEndpoints: Two endpoints used */
  175.   0x0A,   /* bInterfaceClass: CDC */
  176.   0x00,   /* bInterfaceSubClass: */
  177.   0x00,   /* bInterfaceProtocol: */
  178.   0x00,   /* iInterface: */

  180.   /*Endpoint OUT Descriptor*/
  181.   0x07,   /* bLength: Endpoint Descriptor size */
  182.   USB_DESC_TYPE_ENDPOINT,      /* bDescriptorType: Endpoint */
  183.   CDC2_OUT_EP,                        /* bEndpointAddress */
  184.   0x02,                              /* bmAttributes: Bulk */
  185.   LOBYTE(CDC_DATA_FS_MAX_PACKET_SIZE),  /* wMaxPacketSize: */
  186.   HIBYTE(CDC_DATA_FS_MAX_PACKET_SIZE),
  187.   0x00,                              /* bInterval: ignore for Bulk transfer */

  189.   /*Endpoint IN Descriptor*/
  190.   0x07,   /* bLength: Endpoint Descriptor size */
  191.   USB_DESC_TYPE_ENDPOINT,      /* bDescriptorType: Endpoint */
  192.   CDC2_IN_EP,                         /* bEndpointAddress */
  193.   0x02,                              /* bmAttributes: Bulk */
  194.   LOBYTE(CDC_DATA_FS_MAX_PACKET_SIZE),  /* wMaxPacketSize: */
  195.   HIBYTE(CDC_DATA_FS_MAX_PACKET_SIZE),
  196.   0x00,                               /* bInterval: ignore for Bulk transfer */

  198. } ;
复制代码

第五步：修改函数接口
默认的HAL库函数是只针对一路CDC的情况，所以我们需要修改成多路CDC操作函数，将端口参数传递出来，一共有下面几个函数：
USBD_CDC_DataOut:USB接收函数回调，修改提供端口参数
CDC_Receive_FS(uint8_t *Buf, uint32_t *Len):USB CDC接收函数
CDC_Transmit_FS(uint8_t* Buf, uint16_t Len):USB CDC发送函数
USBD_CDC_TransmitPacket(USBD_HandleTypeDef *pdev)
USBD_CDC_ReceivePacket(USBD_HandleTypeDef *pdev)

这几个函数的调用关系为：

CDC_Transmit_FS->
         USBD_CDC_TransmitPacket->
                 USBD_CDC_DataOut->
                         CDC_Receive_FS

USBD_CDC_DataOut函数有一个参数是epnum，这个是端点号，我们就可以使用该参数来区分是哪一路CDC！

所以USBD_CDC_DataOut函数添加上epnum参数，改为：

87FFT4J4O6N~RMKNZ8YR89U.png

USBD_CDC_TransmitPacket函数改为：

GUMS[2B0{]XJ3_K82PE(5.png

USBD_CDC_ReceivePacket函数改为：

`HOL3{QSVG](2{Y(QC0`WJ6.png

CDC_Transmit_FS函数改为：

@69X$D8YZ_@V7T1V17)84.png

CDC_Receive_FS函数改为：

@IXY_]7N2PN{CNTIF7PSQ.png

到此就已经修改完毕了，将USB接入电脑后，设备管理区会多出现一个USB复合设备和两个端口，这样就是成功了：

20210427151851625.png

下面进行测试，使用串口助手同时对两路CDC进行收发测试效果如下：

20210427145204370.gif

互不影响，USB两路CDC成功！

注意事项及问题
如果你移植的时候将USB接入电脑后，设备管理器里面只会出现1路串口，那么可能是因为你先用的CDC单独的工程测试的，电脑已经默认枚举为了VCP，那么此时有两种办法解决：

1.设备管理器卸载掉出现的虚拟串口，重新拔插USB
2.修改程序里的USBD_VID，换个其他编号

{`H`JIQ5FA@PY~5VH9YRM.png

我是用第二个办法解决的！

补充：3路CDC实现
实现3路CDC修改步骤跟实现2路一样，首先是PMA端点的配置：

J8%P41)T]b9Q%C)$T$HER.png

_E5WLU7L13%Y]XC(2ZQOZIY.png


为什么要把CDC_DATA_FS_MAX_PACKET_SIZE改成32呢？

现在我们算一下使用到的端点：
0X80、0X00用于USB必须的
0X81、0X01用于CDC1输入输出端点
0X82、0X02用于CDC2输入输出端点
0X83、0X03用于CDC3输入输出端点
0X84用于CDC1命令控制端点、0X04未用但占用空间
0X85用于CDC2命令控制端点、0X05未用但占用空间
0X86用于CDC3命令控制端点、0X06未用但占用空间


可以看到我们用到的端点很多，光算输入输出端点一共8个，每个端点最大占用64，那么就是512字节，而PMA一共才512字节，所以如果将端点缓冲设置为最大64字节的话，3路CDC串口缓存空间不够用！不改成32的话你会发现第1和2路串口收发没问题，而第三路串口返回的都是0！

如下图：

2021042715193621.gif

改成32后，效果如下：






三路虚拟串口收发数据互不影响，到这里就成功了！



20210427145004468.png
20210427151703661.png
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