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【开发板评测】Renesas RA6M4开发板之USB-H

发布于 2022-04-03 22:17:02 浏览：1921 订阅该版

[tocm]

感谢RT-Thread和瑞萨举办的开发板评测活动，非常高兴被选中来参与这次活动。

## 开发板资源介绍
这次是第二次接触这块开发板了，但是还是第一次仔细观察这块开发板。
先贴两张手册中的图，开发板上方是一个板载的JLink调试接口和usb host/device 接口，下方有两个PMOD接口、按键、LED、光线传感器和一个电位计。
一共四排大排针，把芯片所有引脚都印出来了，这还是非常不错的。
![正面外观.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220403/e95d32e1206dc221ab7ac5bfcb560f70.png.webp)
背面则留出了很多可供修改的跳线。
![背面.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220403/3aa68e107764f346a62792e8e354f0da.png.webp)
在芯片下面的位置，有四排兼容Arduino扩展接口的排针位置，**但是J12排针上下摆反了**，这摆反了让所有Arduino扩展设备都无法使用，可以说是白设计了。
倒是也可以补救，J12排针不焊接，然后自己重连一下线。
![Arduino接口2.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220403/0af2590ceeb89b63c0bdd38081d50f04.png.webp)
![Arduino接口.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220403/f21441fa174f381b503a4dc48156c468.png.webp)
![ArduinoPCB.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220403/6bf32fb17e1b10a2cfb4e3bd7965c15c.png.webp)

中间的芯片是R7FA6M4AF3CFB 144Pin LQFP封装，Cortex-M33内核，最高运行主频200Mhz，带有1MB Program Memory，8KB Data Flash和256KB的RAM。芯片内部的资源该有的都有，12位的AD和DA也是比较标准的配置，这个Octa SPI和SSIE接口一般还是比较少见的，能实际应用起来的话，体验应该不错。在安全方面，集成了一个加密引擎和Arm TrustZone，在需要安全的场景下也是可以应付的。
芯片是带有一个Ethernet MAC/DMA controller的，内部没有集成PHY，在EK-RA6M4开发板上是加了PHY芯片和RJ45接口的，如果这块板子上能增加一个RJ45的接口，想必能做更多的应用。

## USB-H功能模块的硬件介绍
这次评测的内容是USB host，先来看看这部分模块的介绍。
这边的电路并不算复杂，这里有两个跳线排针，板子丝印也已经标记出来了，是用于切换usb_vbus的供电来源的，J21连通J16连接23脚，则为usb device模式，供电从外部usb接口的5v获得；J21断开J16连接12引脚则为usb host模式，从板子5V经过一个AP2151限流电源开关芯片转到5V_FS，然后外接供到micro usb接口上。
这里的AP2151用P500引脚来做开关控制引脚，用P501来接收过流报警信号，**这两个脚貌似和SDIO接口的引脚冲突了**，如果要同时使用usb host和SDHI功能，那么这里需要特别注意，板子这里也有考虑到，只需要断开R17和R19，放弃usb host外部电源的控制功能，就能同时使用SDHI功能了。
micro usb接口进来是另一个AP2151来做过流保护，经过一个共模电感，接到了芯片的USB_DP和USB_DM引脚上。
![usb_fs_interface.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220403/f7046c00598bf505a4709cb384b648a8.png.webp)
![usb_fs_interface_pcb.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220403/d69007b9b23f4ad9b1326417ee7b5187.png.webp)
芯片中集成了一个USB IP，可以使用Full Speed的速度，有usb host和peripheral两种模式可以选，带有两个FIFO，传输时可以使用DMA通道。
![usbfs_block.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220406/5b9b009dbf3af8b7463304efd60261f3.png.webp)

## USB-H功能模块的使用说明
#### 环境搭建
关于开发环境的搭建，已经有很多优秀的教程了，在这里也就不细说了。步骤不复杂，安装了RT-Thread Studio后，从SDK管理器中找到CPK-RA6M4开发板的BSP下载，然后安装瑞萨提供的FSP，推荐直接安装附带RASC的FSP软件包。由于RASC中不带CPK-RA6M4的BSP，所以安装了RASC后需要手动将CPK-RA6M4的BSP复制到RASC中。
#### RASC FSP 介绍
RASC全称RA Smart Configurator，是瑞萨提供的一款用于快速配置FSP并生成工程的软件，和ST的Cube MX类似。FSP会附带有一份文档，介绍了FSP的架构和提供的API，有的还附带了简单的例程，可以直接复制对API进行测试使用。FSP里面直接提供有usb hcdc、hhid和hmsc的中间件接口，可以快速地开发应用。其中MSC的中间件需要配合RTOS，目前看来只适配好了FreeRTOS，其他的RTOS还需要自己做兼容。也提供了更底层的usb basic接口，可以进行更底层的控制。
![usb_api.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220403/2d0d8b4719b5c468b8ddf920d9581e78.png)
#### 例程编写
编写的例程是使用FSP提供的usb hcdc中间件，实现了一个可使用usb串口设备的usb主机。
首先在RT-Thread Studio上新建一个基于开发板的项目，选择CPK-RA6M4开发板，建立一个模板工程。编译下载后，可以看到LED灯在闪烁，同时可以在串口终端上使用rtt的FinSH控制台。
下一步，打开RASC，在stacks页面，添加一个usb hcdc的驱动栈。
![rasc_stacks.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220403/7d6c59f3cc1b3759541eee69024b21c1.png.webp)
这时候会提示有错误，usb模块使用的UCLK时钟频率不是48MHz的，需要在Clocks页面进行配置。**将PLL2时钟源选择为HOCO，分频系数调到2，倍频系数调到24，即可得到240Mhz的输出时钟。将UCLK的时钟源选择为PLL2，再进行5倍分频，即可得到usb模块需要的48MHz时钟了。**

![rasc_clocks.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220403/3aec4cf4ab8d7ec604929964d35a5220.png)
然后我们可以在Pins的页面中查看USB_FS0组件的引脚相关设置。根据原理图，需要将`USB_VBUSEN`设置为P500引脚，`USB_OVRCURA`设置为P501引脚，`USB_VBUS`是usbd使用的，用于检测usb是否有供电接入，这里不设置应该也是没关系的。

![rasc_pins.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220403/9a36e11b9506c4454914f190eed9b7ee.png)
保存点击`Generate Project Content`按钮，RASC会帮我们更新工程中的FSP代码，`ra` 、`ra_cfg`、`ra_gen`三个文件夹的内容会有所改变。下一步是将更新后的FSP代码加入到工程编译。如果项目资源管理器中设置了对不参与构建的文件进行隐藏，那么新文件在项目资源管理器中是看不到的，需要打开导航器，在导航器中对需要加入构建的文件或文件夹点击右键->资源配置->添加构建。我们需要将`ra/fsp/src/r_usb_basic`和`r_usb_hcdc`中的文件加入构建，在`r_usb_basic`的`src`文件夹下还有`driver`和`hw`两个文件夹，都需要加入构建。这时编译会报有头文件找不到，在工程配置中手动添加一个头文件路径即可。
由于rtt还未对这款开发板的usb host进行支持，所以不需要打开rtt设置中的usb主机模式开关，如果打开了，还会有因宏命名与FSP中的重名导致的编译警告。

到这里，前期的配置准备工作就已经完成了，需要开始写代码了。在`src`文件夹下新建一个`usbh_cdc_demo.c`文件用于编写我们的例程。

根据FSP中的API文档介绍，需要一直调用`R_USB_EventGet`接口来保持底层usb驱动栈的正常工作。所以我们创建一个线程来进行这个操作。

```c
int thread_sample_init()
{
    rt_err_t result;
    /* 初始化线程 1 */
    /* 线程的入口是 usb_basic_example，参数是 RT_NULL
     * 线程栈是 usbh_cdc_demo_stack
     * 优先级是 20，时间片是 10 个 OS Tick
     */
    result = rt_thread_init(&usbh_cdc_demo,
                            "thread1",
                            usb_basic_example, RT_NULL,
                            &usbh_cdc_demo_stack[0], sizeof(usbh_cdc_demo_stack),
                            20, 10);
    /* 启动线程 */
    if (result == RT_EOK) rt_thread_startup(&usbh_cdc_demo);

return 0;
}
```

在线程中使用一个状态机，根据每次的`event`来进行不同的操作，这也是瑞萨提供的例程的写法。

```c
void usb_basic_example (void* parameter)
{
    usb_status_t     event, last_event = 0;
    usb_event_info_t event_info;
    g_usb_on_usb.open(&g_basic0_ctrl, &g_basic0_cfg);

while (1)
    {
        /* Get USB event data */
        g_usb_on_usb.eventGet(&event_info, &event);
        if (last_event != event) {
            rt_kprintf("%4d UsbEvent %s\n", loop_count++, e_usb_status_msg[event]);
            last_event = event;
        }

/* Handle the received event (if any) */
        switch (event)
        {
            case USB_STATUS_CONFIGURED:
                usbh_event_notify_handler(USBH_EVENT_ATTACHED, event_info.device_address);
                /* Configure virtual UART settings */
                set_line_coding(&g_basic0_ctrl, event_info.device_address); /* CDC Class request "SetLineCoding" */
                device_address = event_info.device_address;
                rt_kprintf("%4d device_address:%d\n", loop_count++, event_info.device_address);
                break;
            case USB_STATUS_DETACH:
                usbh_event_notify_handler(USBH_EVENT_REMOVED, event_info.device_address);
                device_address = event_info.device_address;
                rt_kprintf("%4d device_address:%d\n", loop_count++, event_info.device_address);
                break;
            case USB_STATUS_READ_COMPLETE:
                if (USB_CLASS_HCDC == event_info.type)
                {
                    if (event_info.data_size > 0)
                    {
                        /* Send the received data back to the connected peripheral */
                        g_usb_on_usb.write(&g_basic0_ctrl, g_snd_buf, event_info.data_size, event_info.device_address);
                        rt_kprintf("%4d usb_cdc rcvget:%s\n", loop_count++, g_rcv_buf);
                    }
                    else
                    {
                        /* Send the data reception request when the zero-length packet is received. */
                        g_usb_on_usb.read(&g_basic0_ctrl, g_rcv_buf, CDC_DATA_LEN, event_info.device_address);
                    }
                }
                else                   /* USB_HCDCC */
                {
                    /* Control Class notification "SerialState" receive start */
                    g_usb_on_usb.read(&g_basic0_ctrl,
                                      (uint8_t *) &g_serial_state,
                                      USB_HCDC_SERIAL_STATE_MSG_LEN,
                                      event_info.device_address);
                }
                break;
            case USB_STATUS_WRITE_COMPLETE:
                /* Start receive operation */
                g_usb_on_usb.read(&g_basic0_ctrl, g_rcv_buf, CDC_DATA_LEN, event_info.device_address);
                rt_kprintf("%4d usb_cdc sent done, start read\n", loop_count++);
                break;
            case USB_STATUS_REQUEST_COMPLETE:
                rt_kprintf("%4d request_type %x\n", loop_count++, (event_info.setup.request_type & USB_BREQUEST));
                if (USB_CDC_SET_LINE_CODING == (event_info.setup.request_type & USB_BREQUEST))
                {
                    /* Set virtual RTS/DTR signal state */
                    set_control_line_state(&g_basic0_ctrl, event_info.device_address); /* CDC Class request "SetControlLineState" */
                }
                /* Check Complete request "SetControlLineState" */
                else if (USB_CDC_SET_CONTROL_LINE_STATE == (event_info.setup.request_type & USB_BREQUEST))
                {
                    /* Read back virtual UART settings */
                    get_line_coding(&g_basic0_ctrl, event_info.device_address); /* CDC Class request "SetLineCoding" */
                }
                else if (USB_CDC_GET_LINE_CODING == (event_info.setup.request_type & USB_BREQUEST))
                {
                    /* Now that setup is complete, start loopback operation */
                    g_usb_on_usb.read(&g_basic0_ctrl, g_snd_buf, CDC_DATA_LEN, event_info.device_address);
                    //g_usb_on_usb.pipeRead(&g_basic0_ctrl, g_snd_buf, CDC_DATA_LEN, USB_PIPE2);
                }
                else
                {
                    /* Unsupported request */
                }
                break;
            default:
                /* Other event */
                break;
        }
    }
}
```

在插入usb设备后，拿到的`event`会变为`USB_STATUS_CONFIGURED`，这时候FSP已经帮我们枚举好了设备，可以直接进行控制。下一步是发送`SetLineCoding`和`SetControlLineState`来配置串口，例如波特率和奇偶校验位等。使用`hostControlTransfer`发起一个控制传输。

```c
void set_line_coding (usb_instance_ctrl_t * p_ctrl, uint8_t device_address)
{
    usb_setup_t setup;
    g_com_parm.dwdte_rate   = (usb_hcdc_line_speed_t) COM_SPEED;
    g_com_parm.bchar_format = (usb_hcdc_stop_bit_t) COM_STOP_BIT;
    g_com_parm.bparity_type = (usb_hcdc_parity_bit_t) COM_PARITY_BIT;
    g_com_parm.bdata_bits   = (usb_hcdc_data_bit_t) COM_DATA_BIT;
    setup.request_type   = SET_LINE_CODING;    /* bRequestCode:SET_LINE_CODING, bmRequestType */
    setup.request_value  = 0x0000;             /* wValue:Zero */
    setup.request_index  = 0x0000;             /* wIndex:Interface */
    setup.request_length = LINE_CODING_LENGTH; /* Data:Line Coding Structure */
    /* Request Control transfer */
    g_usb_on_usb.hostControlTransfer(p_ctrl, &setup, (uint8_t *) &g_com_parm, device_address);
}
```

所有配置工作都结束后，就可以使用`R_USB_Read`和`R_USB_Write`两个接口来接收和发送串口数据了。简单地在FinSH中添加一个命令来方便我们测试。

```c
void send_msg(int argc, char**argv)
{
    fsp_err_t ret;
    strcpy((char*)g_snd_buf, argv[1]);
    memset(g_rcv_buf, 0, 100);
    ret = g_usb_on_usb.write(&g_basic0_ctrl, g_snd_buf, strlen(argv[1]), device_address);
    if(ret == FSP_SUCCESS)
    {
        rt_kprintf("send ok\n");
    }
    else {
        rt_kprintf("fail\n");
    }
}
MSH_CMD_EXPORT(send_msg, send_msg);
```

刚好模板工程中的按键也是开启使用的状态，我们增加一个回调来按键发送串口数据。

```c
void irq_callback_test(void *args)
{
    char *cmdd[2];
    char **cmd = cmdd;
    static int send_count = 0;
    char cmd_name[] = "send_msg";
    static char send[30] = "hello usb cdc";

cmdd[0] = cmd_name;
    cmdd[1] = send;

sprintf(send,  "hello usb cdc %4d", send_count++);

send_msg(2, cmd);
}

void icu_sample(void)
{
    /* init */
    rt_uint32_t pin = rt_pin_get(USER_INPUT);
    rt_kprintf("\n pin number : 0x%04X \n", pin);
    rt_err_t err = rt_pin_attach_irq(pin, PIN_IRQ_MODE_RISING, irq_callback_test, RT_NULL);
    if(RT_EOK != err)
    {
        rt_kprintf("\n attach irq failed. \n");
    }
    err = rt_pin_irq_enable(pin, PIN_IRQ_ENABLE);
    if(RT_EOK != err)
    {
        rt_kprintf("\n enable irq failed. \n");
    }
}
MSH_CMD_EXPORT(icu_sample, icu sample);
```

编译下载，使用一个micro usb转USB-A的otg连接线，就可以接入一个usb串口设备使用了。刚好手上还有上次参加开发者大会的活动获得的板子，于是在上面简单写了一个usbd_cdc的程序，将它们连接起来。
![demo_usb.jpg](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220403/9412f51a6c70f3e35803e29f5b0e0794.jpg.webp)

![IMG_0533.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220403/a67e5197085c19953ba20ed9198340d9.png)
#### CheeryUSB 移植尝试
打开RT-Thread Settings，在里面找到`CherryUSB`软件包，添加到工程中，保存后，RT-Thread会自动从github上拉取CheeryUSB的源码放置到`packages/CherryUSB-latest`目录下，然后将需要构建的文件加入到构建中。需要包括`core`、`osal`、`port`、`class`四个文件夹下的文件，其中`core`是协议栈的核心实现部分，`osal`是操作系统抽象层，`port`存放移植需要实现的内容，`class`则是针对不同的usb设备类型编写的驱动代码。`osal/usb_osal_rtthread.c`文件表明`CheeryUSB`对RT-Thread系统是有完善支持的。
![cherryusb.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220406/4af4e64583d949903e5a1b10bf604b24.png.webp)

usb host的部分，`CherryUSB`的作者还没出教程，这部分的文档也还没有，只能继续观察已有的代码来猜测着移植。一开始像直接借助FSP的usb_basic来做移植，直接使用`R_USB_Open`、`R_USB_Read`等API，结果发现FSP已经封装得很好了，细节操作都没暴露出来，把整个设备枚举的过程都隐藏了起来，每个API的操作也都加了很多条件判断，不便于移植。那就只能看寄存器手册，通过直接操作寄存器来完成操作了。

自己对USB协议只能说稍有了解，对`CheeryUSB`和瑞萨系列芯片的寄存器也都不熟悉，移植起来确实非常困难，只能一直读FSP的代码，对着寄存器手册去理解。
后续时间也不充裕，还是没能成功移植`CheeryUSB`，只能再到后面等待其他大佬来搞了。

## 性能测试
原本想要做的功能是usb hmsc的，也就是可以外接U盘等存储设备，如果是这样的话，就可以进行一些读写测速来测试性能指标了。但是现在换成了usb hcdc，手上现有的usb 串口工具波特率调不到很高，也没有使用DMA来做传输，感觉测试不到最快传输速度，所以这个环节只能略过了。

## 代码与参考资料
源码已经开源到了github上，感兴趣的同学可以参考。[cpk-ra6m4-usbh-cdc-demo](https://github.com/VxTeemo/cpk-ra6m4-usbh-cdc-demo)
[Renesas USB MCU USB Basic Host and Peripheral Driver using.pdf](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220406/12e477786db53794f1bb48c6c1b66fd9.pdf)
[r12uz0090cc0110-ra6m4-manual.pdf](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220406/bd0c6707ec63aa179b2a337d5dbd2233.pdf)
[RA6M4_datasheet.pdf](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220406/0fa9ca3da04f687db684a4e6f9230725.pdf)
[RA6M4_Group_User’s_Manual_Hardware.pdf](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220406/92c2218e2db4b08cff4b6f34cb61268b.pdf)
[CPK-RA6M4 MCU评估板原理图.pdf](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220406/460d66bee9aa09a6036f302890ebc737.pdf)

## 心得体会
[上次参加开发者大会的时候](https://club.rt-thread.org/ask/article/3250.html)，也是用的同一块开发板，现场实现了一个智能网关，最后的笔记本快要没电了，为了充电，是把笔记本放到了有两张椅子并排的一块空间，蹲在地上完成的。这次在家的工作环境竟然也是如此，和之前简直一模一样哈哈哈。
![share.jpg](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20220406/9b2f2a10e80c65a24bd5e51127772c8f.jpg.webp)

拿到开发板后，感觉领取到的任务还是具有一定挑战性的，首先是usb这个外设并没有现成的驱动，而且我自己对usb协议也不算很熟悉。在摸索了一段时间后，最初的目标是打算做一个usb存储设备的主机，可以用来读取U盘等usb存储设备，在FSP中添加了usb hmsc的栈时发现必须要带操作系统而现在支持的只有FreeRTOS，并且使用的文件系统是FATFS。RT-Thread里面使用的文件系统是elm chan FatFs，尝试加进去之后做下移植，以前只移植过有完善支持的文件系统，对这种情况还是不大处理得了，于是作罢。只能将任务难度降低，先完成一个usb hcdc的例程。

在编写例程的过程中，也去了解了一下[CherryUSB](https://github.com/sakumisu/CherryUSB)，这是一个非常优秀的usb device/host驱动，于是便尝试将RA6M4也添加支持。观察了一下工程结构，需要在`port`文件夹下编写移植代码，之前群里也有人说RA6M4的usb IP是叫做`fsdev`，里面确实有这么一个文件夹，只有usb device的实现，里面操作的寄存器和现在这款单片机是对不上的，到处搜了一圈也没有关于`fsdev`和RA6M4 usb IP相关的内容，只能继续凭着感觉移植。
做为一名打工人，这个评测时间刚好卡在了Q1结束需要冲KPI的节点上，后两周实在是抽不出什么时间来继续完善代码，也可以从commit时间看出写代码的时间都非常的阴间，甚至可以看到凌晨三点编译的代码，总体来说这次的评测体验还是非常不错的，希望后面还能继续有机会参加活动。

芯片中还有设计用于存储数据的8KB Data Flash，可以不用将ROM做数据空间使用了，无需外接SPI存储芯片就可以实现方便的非易失数据存储，也不需要考虑和代码共用空间产生的种种问题，甚至还能更好地实现平衡磨损，这个设计还是很不错的。

在RASC中新增了usb的stack之后，rt-thread studio并不能自动识别新增文件并加入到构建中，其他的模块好像是没问题的，不知道是不是usb驱动这边多了一层`hw`和`driver`文件夹的原因。需要手动添加构建就可以解决。

现在大部分设备都已经使用type-c接口了，micro usb的设备越来越少，现在手上有一堆type-c转USB-A的转接头，但是为了这次测试，还是需要另外购买micro usb转USB-A的转接头。micro usb接口相比type-c接口确实是有更稳定、兼容性更强等优点，但个人还是希望能升级到type-c接口