一文读懂树莓派 Pico USB：硬件原理、外设架构与 MicroPython 软件控制

1.树莓派 Pico 的 USB 外设概要信息

树莓派 Pico 的 RP2040 芯片包含一个 USB 2.0 控制器，可以作为任何一种方式操作：

• 一个全速设备（12Mbps）
• 一个可以与低速（1.5Mbps）和全速设备通信的主机，包括连接到一个 USB 集线器的多个下游设备

RP2040 芯片内部集成了一个 USB 1.1 PHY 芯片，USB 控制器与芯片的 DP(D+)和 DM(D-)引脚接口通过 PHY 芯片相连接。USB 控制器的硬件实现了了 USB 物理层、数据链路层和一部分事务层的功能，这意味着程序员不需要手动处理复杂的 USB 协议细节。而是将重心放在以下工作上：

• 配置控制器参数,如设备地址、端点等
• 提供数据缓冲区,供控制器收发数据
• 响应控制器的中断事件,如数据传输完成、端点状态变更

USB 控制器有 4kB 的 DPSRAM，用于存储 USB 设备的配置信息和数据缓冲区。

USB 控制器可以工作于两种工作模式：

• 设备模式：
  • USB 2.0 兼容的全速设备（12Mbps）
  • 它支持最多 32 个端点（在输入和输出方向上分别为 0 → 15）
  • 该设备支持控制、等时、批量和中断端点类型，并支持双缓冲
  • 在 DPSRAM 中有 3840 字节的可用缓冲空间，相当于 60 × 64 字节的缓冲区
• 主机模式：
  • 可以与全速（12Mbps）设备和低速（1.5Mbps）设备进行通信
  • 它可以通过 USB 集线器与多个设备进行通信，包括连接到全速集线器的低速设备
  • 设备可以在硬件中轮询多达 15 个中断端点
  • 中断端点由集线器用于通知主机连接/断开事件，鼠标用于通知主机移动等

USB 外设结构如下：

可以看到，USB 外设主要由以下几个部分组成：

• 集成的USB​​ ​PHY​芯片
  • 负责实现 USB 物理层协议,包括电气特性、信号编码、差分传输等
  • 提供了 USB DP 和 DM 引脚与控制器数字逻辑之间的电气接口
  • USB PHY 驱动 DP 和 DM 引脚发送数据，并对任何传入数据进行差分接收
  • USB PHY 向线路状态检测模块提供单端和差分接收数据
• USB 控制器
  • 负责实现 USB 设备端的协议栈和端点管理
  • 负责数据的接收和发送，以及控制信号的生成和解析
• 缓冲区存储器
  • DPSRAM 用于存储控制寄存器和数据缓冲区
  • USB 控制器有 4kB（4096 字节）的 DPSRAM（双端口 SRAM）
  • DPSRAM 可以作为 32 位宽度的内存访问，地址为 USB 控制器的地址 0（0x50100000）
  • DPSRAM 支持 8/16/32 位访问，但不支持设置/清除别名
  • 数据缓冲区通常为 64 字节长：
    • 对于 Isochronous 同步传输方式，最大缓冲区大小为 1023 字节
    • 对于其他传输方式，每个缓冲区的最大大小为 64 字节
  • USB 控制器中的 DPSRAM 应被视为异步的，而不是原子的：
    • 它是一个双端口 SRAM，意味着处理器有一个端口来读写内存，USB 控制器也有一个端口来读写内存。这意味着处理器和 USB 控制器可以同时访问同一个内存地址。一个可能正在写入，另一个可能正在读取。如果控制器在读取内存时处理器正在写入内存，可能会得到不一致的数据。必须小心避免这种情况
• 线路状态检测模块
  • 定义并检测几种线路状态（总线重置、连接、挂起、恢复、数据 1、数据 0 等）
  • 线路状态检测模块有几个状态机来检测这些状态，并将事件信号通知给其他硬件组件
  • USB 中没有共享时钟信号，因此 RX 数据必须由内部时钟采样
  • USB 全速的最大数据速率是 12Mbps。RX 数据以 48MHz 的速度采样，给出 4 个时钟周期来捕获和过滤总线状态，线路状态检测模块将过滤后的 RX 数据分发到串行 RX 引擎
• 接收引擎
  • 串行接收引擎负责解码由线路状态检测模块捕获的接收数据。它生成以下信息：
    • 入站数据包的 PID（Packet Identifier）
    • 入站数据的设备地址 address
    • 入站数据的设备端点 endpoint
    • 数据字节
  • 串行接收引擎还通过对入站数据进行 CRC 校验来检测 RX 数据中的错误。任何错误都会信号通知其他硬件块，并可能引发中断
  • 如果在主机模式或设备模式下在数据包传输过程中断开 USB 电缆，硬件会引发错误
• 发送引擎
  • 串行发送引擎是串行接收引擎的镜像。它连接到当前活动的控制器（无论是设备还是主机）。它创建 TOKEN 和 DATA 数据包，包括计算 CRC，并在总线上传输它们

2.软件控制方法

对于 MicroPython 而言，它将 USB 设备划分为以下两种：

1. "Runtime" USB 设备:
   1. 使用 Python API (USBDevice 类)在 MicroPython 启动后定义；
   2. 需要在运行时配置和激活。
2. "Built-in" USB 设备:
   1. 编译到 MicroPython 固件中,始终可用；
   2. 通常包括 USB-CDC (串口) 和可选的 USB-MSC (大容量存储)；
   3. 开箱即用,无需额外配置。

MicroPython 提供了用于实现 USB 设备驱动的底层 Python API 的 USBDevice 类：

• 构造函数:
  • USBDevice 是一个单例类,每次调用构造函数都返回相同的对象引用；
• 主要方法:
  • config() 方法用于配置 USB 设备的描述符和回调函数；
  • active() 方法用于激活和停用 runtime USB 设备；
  • builtin_driver 属性用于获取/设置内置 USB 驱动配置；
  • remote_wakeup() 方法用于唤醒处于挂起状态的 USB 主机；
  • submit_xfer() 方法用于提交非控制传输；
  • stall() 方法用于设置和获取端点的 STALL 状态；
• 常量:
  • BUILTIN_NONE, BUILTIN_DEFAULT, BUILTIN_CDC, BUILTIN_MSC, BUILTIN_CDC_MSC 代表不同的内置 USB 驱动配置

遗憾的是，根据如下链接中的回答，我们可以看到对树莓派 Pico 来说，无法像使用 STM32 芯片的 PyBoard 一样使用 USBDevice 类控制"Runtime" USB 设备：

https://github.com/micropython/micropython/issues/6811

但是联想到我们在介绍 REPL 交互式解释器中内容，在树莓派 Pico 上,MicroPython 固件默认包含了内置的 USB-CDC 设备驱动,提供了一个虚拟的串口通信通道，这个 USB-CDC 设备是集成在 MicroPython 固件中的"Built-in"设备,无需额外的配置就可以使用。这意味着，我们可以使用该虚拟串口配合系统输入输出就可以完成 USB 数据传输。