Open-Source USB транспорт на PIC32MZ

[dortonyan]

Проект делался для личных нужд, поэтому публикуется как есть, в том виде как сейчас зашит в моем транспорте.

Причина разработки своего транспорта - отсутствие в продаже USB транспортов с I2S входом для использования АЦП. Кроме того, те транспорты что есть в продаже не устраивали по тем или иным причинам (либо плохо сделана плата, либо большое потребление).
Раньше сдерживающим фактором было отсутствие uac2 драйверов. Однако с переходом на win10 с нативным драйвером данная проблема была решена.
Ну и вообще, т.к. на дворе 21-ый век, то для меня не понятно - почему uac2 еще не перекочевал в открытый доступ. Данная публикация призвана исправить такое досадное упущение.

Почему PIC32MZ: Преимущество перед ARM процессорами - встроенный USB HS мост и одновременно удобный компактный корпус с удобной распиновкой. А по сравнению с кмосом - низкое потребление: порядка 70..80мА максимум.

Изначально планировал использовать фреймворк (harmony configurator), однако по ходу выяснилось, что данный фреймворк генерирует только USB AUDIO приложение для формата Class 1.
Кроме того по форумам полно отзывов по касякам в фреймворке. Дорабатывать фреймворк оказалось крайне контр-продуктивно из-за жесточайшей инкапсуляции, громоздкого стека и отсутствия его описания.

Намаявшись с фреймворком принял решение писать свой код с нуля. Но очень скоро обломался, т.к. выяснилось что для PIC32 процессоров описание USB моста полностью отсутствует! Т.е. микрочип предлагает только пользоваться их кривыми фреймворками.
Однако на форуме микрочипа нашлись добрые люди, которые поделились исходниками своих проектов USB девайсов на PIC32MZ: https://www.microchip.com/forums/m1083508.aspx
Пользуясь данными примерами, а так же методом тыка, удалось написать свой достаточно эффективный код (итоговый размер с оптимизацией gcc компилятора уровня 2 - менее 16кБт).
Конечно код не такой красивый как в фреймворках, слабовата инкапсуляция. Зато, разобраться в нем и доработать под свои нужды гораздо проще. А главное проще обходить касяки периферии, которые как оказалось имеют место быть.
В частности есть не описанные в эррате проблемы с DMA модулями.

Что в итоге удалось реализовать на самом чипе, без обвеса дополнительными микросхемами:
1. Вывод стандартного стерео: 32bit 768kHz (Правда драйвер не отображает частоты выше 384к, но по факту 768к выводит). И сам модуль I2S пика позволяет выводить данные с частотой не выше 384к. 768к вывести тоже можно, но каким-то нестандартным интерфейсом, типа QSPI или параллельным портом.
2. Вывод многоканала: 8-каналов 32bit 192kHz (опробовал только в отладочном режиме, подробнее ниже).
3. Стерео вход: 32bit 768kHz (опробовал по факту только 192, т.к. мой АЦП больше не выдает).
4. Распознавание DoP формата и вывод из него стерео DSD-битстрима частотой до DSD256 включительно.
5. До кучи - добавлено CDC устройство (виртуальный COM-порт) для обмена данными с транспортом (в проекте используется в отладочном виде, на любые принятые данные отвечает строкой "CDC is works").

Вывод многоканала физически не реализован, т.к. изначально в транспорте он не предусматривался. Работу проверял в отладочном режиме, переключая на выход пары каналов по очереди (остальные каналы выводили данные в отладочные буферы).
Весь описанный выше функционал реализован на DMA модулях, благодаря чему хватает небольшой тактовой частоты процессора (160МГц для работы многоканала + стерео-входа).
Причем изначально вывод данных в I2S модули выполнялся на DMA с прерываниями. Однако, выяснилось, что прерывания DMA работаю криво, из-за чего модуль может самопроизвольно вырубаться.
Описал проблему на форуме микрочипа (в конце ветки), но - глухо как в танке: https://www.microchip.com/forums/FindPost/1219136

Пришлось выкручиваться по другому. В результате получилось даже лучше, т.к. передача данных между I2S буферами и FIFO данных получилась полностью аппаратной (DMA модули перегружаются автоматически в цикле).
Кроме того, для дополнительного снижения потребления добавлено 3 режима с разной тактовой частотой, в зав-ти от кол-ва каналов и выбранной ЧД.
В результате потребление от USB шины (контроллер + развязка) с питанием через step-down получилось от 40мА (стерео-вывод), до 55мА (8-каналов + стерео вход).
Отмечу, что в режиме FS (uac1) потребление можно опустить еще ниже: до 20..30мА, что может быть актуально для портативного девайса.

Проект сделан в IDE MPLabX 6.05, с компилятором CX32 v4.1. Проверялся только на win10. Актуальная схема транспорта ниже во вложении.
Конечно, нативный uac2 драйвер в win10 достаточно корявый, легко ломается сам и еще легче ложит винду (хватает ошибки в дескрипторе). Но готовый проект значительно облегчает отладку USB девайса, достаточно выпилить лишний функционал из дескриптора и обработчика команд.
Особенности конфигурации USB моста или DMA модуля я постарался подробно описать комментариями, но если у кого-то найдутся другие проблемы - можно обсудить в ветке ниже.

[dortonyan]

Мда, неприятная особенность, если для массового производства.

Для надежности можно как Сергей (dee-jan) использовать вместо кварца генератор. Он не на много дороже и по габариту то же самое.

[MikeF]

Это да, если есть какие-то значимые преимущества и нужно именно его ставить в разработку

[Alex]

или на самом деле нужно прям подбирать чтобы запустился генератор в проце?

Плюс-минус трамвайная остановка: мало - может не запуститься, много может долго запускаться, очень много-тоже может не запуститьсяно рабочий диапазндовольно широкий.

Емкости в идеале, нужно совсем не те, что написаны в описании кварца. Там написана "оптимальная нагрузка", а не емкость конденсаторов, которая может быть и вдвое больше. "Нагрузка" - это емкость этих конденсаторов с учетом емкости монтажа каждый, и включенных последовательно.
Но часто ставят и равные оптимальной, поскольку для кварцев с высокой емкостью нагрузки (18-20рФ и выше) рабочий диапазон весьма широк, а для кварцев с низкой оптимальной, типа 6-8пФ, оно примерно так и получается.
Сложнее с часовыми кварцами - у нихрабочий диапазон поУже да и точность там нужна сильно повыше чем для USB и т.п.

[dortonyan]

Емкости в идеале, нужно совсем не те, что написаны в описании кварца. Там написана "оптимальная нагрузка", а не емкость конденсаторов, которая может быть и вдвое больше. "Нагрузка" - это емкость этих конденсаторов с учетом емкости монтажа каждый, и включенных последовательно.
Но часто ставят и равные оптимальной, поскольку для кварцев с высокой емкостью нагрузки (18-20рФ и выше) рабочий диапазон весьма широк, а для кварцев с низкой оптимальной, типа 6-8пФ, оно примерно так и получается.

Не ну для максимальной добротности и точности частоты нагрузочная емкость на кварце должна быть именно такая как в ДШ.
Просто нужно помнить, что нагрузочная емкость - это не емкость конденсаторов, а емкость, включенная между пинами кварца. Т.е. номиналы емкостей в обвеске зависят от схемы включения резонатора:
Если используется схема, в которой один пин кварца включен в землю и резонатор шунтируется одним конденсатором, то номинал емкости должен быть именно таким, который указан в ДШ (за вычетом паразитов), т.к. это и есть нагрузочная емкость.
Если же используется схема, где с каждого пина включается отдельный конденсатор в землю, но нагрузочная емкость получается вдвое меньше емкостей конденсаторов из-за их последовательного включения.
Для такой схемы включения нагрузочную емкость (Cx) можно прикинуть по формуле:
Cx = (Ccap + Cpin + Сp)/2.
Где Ccap - номинал керамических конденсаторов.
Cpin - емкость портов, на которые включен кварц (обычно порядка 4пФ).
Cp - паразитная емкость монтажа (порядка 0.5..1пФ, если трассировать компактно), которой можно пренебречь.

[Alex]

Просто нужно помнить, что нагрузочная емкость - это не емкость конденсаторов, а емкость, включенная между пинами кварца.

Я о том и говорил.

[MikeF]

Если генератор настолько нежный стоит попробовать последовательный резистор на выходе, это и "хорошим" генераторам не помешает.

[Adson]

Коллеги,
Сделали с использованием выложенных здесь прошивок (спасибо большое!) как бы свою. С Windows работает нормально, а вот с Android и Linux - с небольшим косяком. А именно, с Android - использую USB Audio Player Pro и при переходе на следующий или предыдущий трек слышу некий "зуд", словно по циклу проигрываются немного последних сэмплов. На Linux (Pure на Asus Tinker) при использовании Tidal Connect такой же зуд, но при установке на паузу (то есть не тишина, а проигрываются последние сэмплы по циклу бесконечно)

[dortonyan]

с Android - использую USB Audio Player Pro и при переходе на следующий или предыдущий трек слышу некий "зуд", словно по циклу проигрываются немного последних сэмплов. На Linux (Pure на Asus Tinker) при использовании Tidal Connect такой же зуд, но при установке на паузу (то есть не тишина, а проигрываются последние сэмплы по циклу бесконечно)

Данные, принимаемые от хоста, пишутся в циклические буферы. Остановка воспроизведения выполняется командами хоста. Если транспорт команду остановки не примет, то будет продолжать чтение буфера по кругу.
Но у меня на смарте андроид старый, отладить нет возможности.

Здесь eclipsevl выложил ссылку на версию, отлаженную под андроид и линукс.
Там же ниже версия dee-jan, работающая под линуксом.

[Meta|_]

Offтопик:

Просто ставил конденсаторы вдвое больше нагрузочной кварца, либо что было под руками из кварцев, естественно не зная их модели и параметров.

На работе был курьёзный случай когда в одной и той же схеме (кажется на LPC1768), естественно с кварцами одной и той же модели и идентичными номиналами ёмкостей, в зависимости от партии кварц мог стабильно запускаться на первой гармонике, а мог на третьей Естественно потом решили подбором оптимальных ёмкостей.

[Pyku_He_oTTyda]

Offтопик:
AT89S8253 такой же капризный в плане кварца... Так что бывают приколы

[MikeF]

кварц мог стабильно запускаться на первой гармонике, а мог на третьей

Может какая-то паразитность на плате имелась.

---------- Сообщение добавлено 08:19 ---------- Предыдущее сообщение было 08:17 ----------

А вообще я в своих схемах стараюсь ставить не только "правильные" конденсаторы в генераторах на инверторах, но и резистор последовательно с выходом лог. элемента.

[Adson]

Остановка воспроизведения выполняется командами хоста. Если транспорт команду остановки не примет, то будет продолжать чтение буфера по кругу.

Спасибо большое за пояснения. Так я и думал. Получается, что эти артефакты возникают тогда, когда хост не отдаёт команду на остановку воспроизведения. И с такими случаями я столкнулся. У меня прошивка на основе Вашей, соответственно, хотел спросить - где можно отключить это самое чтение буфера по кругу? Эта прошивка хорошо работает "просто" на Андроиде (ещё раз спасибо большое), на некоторых проигрывателях на Андроиде, имеющих прямой доступ к USB транспорту (например, HiBy Music), но на других даёт небольшие артефакты (например, USB Audio Plaer Pro - при перемотке к следующему трэку).

Здесь eclipsevl выложил ссылку на версию, отлаженную под андроид и линукс.
Там же ниже версия dee-jan, работающая под линуксом.

Да, они работают под Андроидом, например, но хочется отключить это циклическое чтение. После этого всё будет, видимо, OK.

[dortonyan]

У меня прошивка на основе Вашей, соответственно, хотел спросить - где можно отключить это самое чтение буфера по кругу?

В моем проекте управление включением/выключением воспроизведения выполняется по команде "STDREQ_SET_INTERFACE", которая вызывает ф-ю "usb_PL_InterfaceState_Update()", внутри которой выполняются процедуры запуска и останова воспроизведения из циклического буфера.
Но на андроиде для этого возможно используется какая-то другая команда. Чтобы узнать какая - нужно под отладкой проверять какие команды шлет хост андроида.
Для этого можно установить КТ на строки с командой "USBE0CSR0bits.STALL = 1;" - это отработка неподдерживаемых команд хоста.

Да, они работают под Андроидом, например, но хочется отключить это циклическое чтение.

Так вы пробовали прошивку от eclipsevl? Там что, такая же проблема?

[Adson]

Так вы пробовали прошивку от eclipsevl? Там что, такая же проблема?

Да, там та же функция - "usb_PL_InterfaceState_Update()" И эта прошивка прекрасно работает на Андроиде "по умолчанию", но с некоторыми проигрывателями на Android и linux - с небольшой ошибкой. - Видимо, c теми, кто не отдаёт нужную команду, а просто перестаёт что-то слать в буфер.

Но на андроиде для этого возможно используется какая-то другая команда

Как выяснилось, на Андроиде используется та же команда, и прекрасно отрабатывается, но мне нужно остановить I2S не только когда есть эта команда, но и когда команды нет, но уже всё из буфера прочитано (по сути, хост не передаёт данных, но и команду на стоп не передаёт - как выяснилось, некоторые проигрыватели так себя ведут). То есть всего лишь нужно читать не из циклического буфера, а остановить воспроизведение (передачу данных в I2S порты) самостоятельно, когда они закончились, а потом опять начать, когда данные появятся (если я верно понимаю). Или так не делается и нужна обязательно какая-то команда от хоста?
Простите моё занудство.

[dortonyan]

Да, там та же функция - "usb_PL_InterfaceState_Update()" И эта прошивка прекрасно работает на Андроиде "по умолчанию", но с некоторыми проигрывателями на Android и linux - с небольшой ошибкой. - Видимо, c теми, кто не отдаёт нужную команду, а просто перестаёт что-то слать в буфер.
Как выяснилось, на Андроиде используется та же команда, и прекрасно отрабатывается, но мне нужно остановить I2S не только когда есть эта команда, но и когда команды нет, но уже всё из буфера прочитано (по сути, хост не передаёт данных, но и команду на стоп не передаёт - как выяснилось, некоторые проигрыватели так себя ведут). То есть всего лишь нужно читать не из циклического буфера, а остановить воспроизведение (передачу данных в I2S порты) самостоятельно, когда они закончились, а потом опять начать, когда данные появятся (если я верно понимаю). Или так не делается и нужна обязательно какая-то команда от хоста?

Ага, понятно.
Ну теоретически проблему решить можно.
Сделать останов воспроизведения при совпадении указателей на чтение и запись буфера. А включать воспроизведение - на приеме первого пакета данных от хоста.
Тогда обработку команды "SET_INTERFACE" можно вообще исключить.

[Adson]

Сделать останов воспроизведения при совпадении указателей на чтение и запись буфера. А включать воспроизведение - на приеме первого пакета данных от хоста.

Вот я ищу что-то подобное в коде, но найти не могу. Может, подскажете, где и как это сделать?

UPD: Видимо, нужно смотреть где-то в функциях dma_output_2ch_16bit_start и т.п...

[dortonyan]

Указатели:
"DMA_OUTPUT_TRANSFET_PTR" - на чтение.
"tEp1Fifo.ptr" - на запись.
Прием пакетов выполняется внутри ф-ии "USB_Interrupt()" под комментарием /* Endpoint 1 RX Interrupt Handler */.
Для включения/выключения можно использовать ту же ф-ю "usb_PL_InterfaceState_Update()", передавая в нее указатель на структуру с нужным содержанием.

Описать подробнее - много писать. Проще самому переделать.
Может как-нить займусь, но не обещаю.

[nabiullin]

Дождался я генератора на 12мгц, поставил его, тактирование теперь есть, однако USB устройство в винде не подает признаков определения.
Все перепроверил. Все правильно. Из IDE вроде как прошивается контроллер, но при попытке Read Device Memory бесконечно крутит прогресс бар Upload Target Image.

Скрытый текст

Connecting to MPLAB PICkit 3...

Currently loaded firmware on PICkit 3
Firmware Suite Version.....01.56.09
Firmware type..............PIC32MZ

Programmer to target power is enabled - VDD = 3,250000 volts.
Target device PIC32MZ2048ECG064 found.
Device ID Revision = A5
DEVSN0 = 3980c94c
DEVSN1 = c45cd880

Device Erased...

Programming...

The following memory area(s) will be programmed:
boot config memory
configuration memory

[свернуть]

[dortonyan]

nabiullin, по приведенному вами логу не видно завершения прошивки.

У меня лог такой

Calculating memory ranges for operation...

Erasing...

The following memory area(s) will be programmed:
program memory: start address = 0x1d000000, end address = 0x1d003fff
configuration memory
boot config memory

Programming/Verify complete

[свернуть]

Может поэтому и генератор не стартовал, что проц просто не прошился?
Под отладкой запускать не пробовали?
Или подергать каким-нить пином (поморгать светодиодом)?

[nabiullin]

Может поэтому и генератор не стартовал, что проц просто не прошился?
Под отладкой запускать не пробовали?
Или подергать каким-нить пином (поморгать светодиодом)?

Похоже на то... не шьется.
под отладкой нет, не пробовал.
Были мысли простой какой то проект загрузить, но не искал еще такой.
С этой средой вообще впервые общаюсь.

---------- Сообщение добавлено 20:02 ---------- Предыдущее сообщение было 18:16 ----------

попробовал залить hex файл через IPE

The following memory area(s) will be programmed:
program memory: start address = 0x1d000000, end address = 0x1d003fff
boot config memory
configuration memory
Programming/Verify complete
2024-02-28 22:00:41 +0300 - Programming complete

однако, так же, не определяется.