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]

Наверное можно обойтись и без USBDMA прерываний если использовать еще один буфер, в котором подготавливаются данные для отправки.

Да, может быть.
В прерывании USB можно инициировать загрузку данных в EP5 из промежуточного буфера. И одновременно - загрузку свободным каналом DMA в промежуточный буфер новых данных из циклического буфера.
Главное чтобы чтение из такого промежуточного буфера было гарантированно раньше записи. Как там DMA модули распределят между собой приоритеты...
Либо можно сделать два промежуточных буфера и использовать их по очереди: пока из из одного читаются данные в EP5, второй заполняется данными из "ep5buf".

[Meta|_]

возможно ещё надо удалить возврат серийного номера(не помню точно)

Или можно каждый раз при изменении дескрипторов менять серийный номер. При отладке это не должно быть сложно.

Либо можно сделать два промежуточных буфера и использовать их по очереди: пока из из одного читаются данные в EP5, второй заполняется данными из "ep5buf".

Иногда бывает аппаратная поддержка двойной буферизации. Если так, то возможно это самый правильный подход. Но надо смотреть нюансы, я с Пиками почти не работал.

[dortonyan]

Иногда бывает аппаратная поддерживается двойной буферизации.

У пика в USB модуле есть какая-то двойная буферизация, но за отсутствием мануала по нему как оно там работает - не известно.

Наверное можно обойтись и без USBDMA прерываний если использовать еще один буфер, в котором подготавливаются данные для отправки.

Посмотрел еще раз свой код, наверное все таки так не получится.
После загрузки данных в USB модуль нужно инициировать их отправку. А узнать - когда завершена загрузка данных, можно только по прерыванию.
Т.е. обработчик прерывания USB DMA в любом случае нужен. Промежуточный буфер только незначительно сократит частоту вызовов этого обработчика (на единицы процентов).
Можно конечно попробовать по прерыванию USB сначала инициировать отправку данных, а потом запускать загрузку новых данных в EP5. Но я не уверен что так прокатит.

[Meta|_]

Offтопик:

но за отсутствием мануала по нему

Ну да, это ж Microchip со всеми этими загонами...

[Alex]

Ну да, это ж Microchip со всеми этими загонами...

Что вообще странно.
Я мало общался с PIC32 и dSPIC, но для PIC12/16/18 (а я с ними был с начала 90-х) - Микрочиповская документация была чуть ли не лучшая из всех.

[dortonyan]

Я мало общался с PIC32 и dSPIC, но для PIC12/16/18 (а я с ними был с начала 90-х) - Микрочиповская документация была чуть ли не лучшая из всех.

Не, у них и сейчас документация нормальная. По каждому модулю проца, типа SPI, DMA и т.п. есть отдельный мануал с более-менее подробным описанием.
Это почему-то именно для USB HS модуля ничего нет (как у них в процах с USB FS модулями не знаю, не смотрел). Видимо такое продвижение своего фреймворка...
Либо есть какие-то касяки в модуле, которые стыдно показывать в документации.

---------- Сообщение добавлено 12:18 ---------- Предыдущее сообщение было 10:31 ----------

Можно конечно попробовать по прерыванию USB сначала инициировать отправку данных, а потом запускать загрузку новых данных в EP5. Но я не уверен что так прокатит.

Кстати, возможно для этого режим двойной буферизации в USB модуле и нужен (он в моем коде включен).
Но это надо проверять.

[Meta|_]

Offтопик:

Микрочиповская документация была чуть ли не лучшая из всех

Повторюсь, с PICами я почти не работал, но был опыт с другими компонентами от Микрочипа, на которые мы со своими жалкими 10к экземпляров в год получить документацию так и не смогли. Пришлось заказывать разработку соответствующего модуля на стороне.

[Alex]

Повторюсь, с PICами я почти не работал, но был опыт с другими компонентами от Микрочипа, на которые мы со своими жалкими 10к экземпляров в год получить документацию так и не смогли.

Ну 10К/y это в самом деле не так уж много, хотя и не мало.
А то были родные Микрочиповские детали, или что-то из ими купленного, типа Микрела, Микросеми, Атмела и прочих? А о с теми да, бывали вопросы.

[l3VGV]

Offтопик:

Микросеми

Мне понравилось как микрочипы рекламировали на ютубе некоторые детальки этого вот микросеми, даташит на которые не мог получить похоже вообще никто, на форуме пользователи делились приемами реверсинга демо борды и демо софта, рассказывая когда в какой регистр что как пишется при этом сама деталька даже у нас стоит $1 и по описанию крайне приятная.
Я как сезонный любитель не стал даже лезть, хотя мне оно очень интересно. LX34070, есличо.

Демоборду купить можно, а описание детальки почитать - нет!

[Alex]

Offтопик:

LX34070, есличо.

Интересная фиговина. Совершенно непонятно, с чего они там так темнят.
Может там NDA для чего-то надо.
Кстати, еще недавно, ESS Technology поступало аналогично - чтобы получить даташит (и все остальное) на АЦП и ЦАПы ES*** нуджно было NDA. Ну я как бы его сделал за полчаса переписки, но все-таки непонятно нафига на такое оно нужно.
Это-же не HDMI какой-то, где не толко полную докумнетацию, но иеще и чипы так просто не купишь.

, даташит на которые не мог получить похоже вообще никто,

Вообще-то там написано:

"To request the LX34070 Datasheet, please contact Dustin.Tenney@microchip.com or Mark.Smith@microchip.com", так что я думаю, кому оно действительно надо, тот смог.
И думаю что бОльшая часть тех пользователей, которые делились", скорее всего были из их числа, а не те что реверсом занимались.

[Meta|_]

Offтопик:

Ну 10К/y это в самом деле не так уж много, хотя и не мало.

Кому как. Когда-то контактировали с NVidia относительно документации на Tegra - получили ответ, что меньше чем с миллионом в год можно даже не обращаться

А то были родные Микрочиповские детали, или что-то из ими купленного, типа Микрела, Микросеми, Атмела и прочих?

А вот не уверен, не вникал в историю создания тех чипов, но речь о парочке ethernet-свичей разного OSI уровня, программируемых, конечно. NDA сделать не было проблемой, это распространённая практика, но были какие-то более серьёзные препоны. В итоге обратились к дружественному нам подрядчику, у которого необходимые привилегии были.

[Alex]

Offтопик:
Если мне память не изменяет, их свитчи это бывший Микрел.

[DrShteyn]

Всем привет. Мои потуги с usb микрофоном продолжаются. Работа девайса: pic32 подключен по spi к ПЛИС, от куда получаю данные с заданной частотой 96кГц. Частотой не могу управлять. Полученный массив pic отправляет по usb. На ПК данные можно прослушать.
Из-за несовпадений частот плис и usb, происходит фигня, и это понятно. В проектах, которые представлены тут, эта проблема решается управлением частотой опроса кодека. Мне так не получится.
Узнал, что частоту дискретизации аудио карты можно менять с шагом 1Гц. Возможно это решение моей проблкмы, если частотой можно управлять налету. Вопрос кто знает как переконфигурировать частоту по инициативе pic32?

[dortonyan]

Мои потуги с usb микрофоном продолжаются. Работа девайса: pic32 подключен по spi к ПЛИС, от куда получаю данные с заданной частотой 96кГц. Частотой не погу управлять. Полученный массив pic отправляет по usb. На ПК данные можно прослушать.
Из-за несовпадений частот плис и usb, происходит фигня, и это понятно. В проектах, которые представлены тут, эта проблема решается управлением частотой опроса кодека. Мне так не получится.

Период обмена пакетами данных в USB всегда строго фиксированный: 1мс для FS и 125мкс для HS.
Скорость потока данных регулируется изменением объема данных в пакете.
В моем проекте периодически (в прерывании USB DMA) выполняется проверка FIFO буфера, и по его заполнению вычисляется точная ЧД, с которой должен работать хост, чтобы не было рассинхрона.
Это значение отправляется хосту через отдельный пайп на этой же конечной точке (EP5, только в обратную сторону).
Для каждого нового пакета хост определяет объем данных, в соответствии с ЧД полученной через обратную связь, обеспечивая таким образом синхронизацию частот.

Пределы на разбежку частот транспорта и хоста я задал в +/-400 ppm. Расчет задается в хедере usb_PL.h

Если частота тактового генератора ПЛИС кратна 96кГц, с точностью не хуже +/-200..300 ppm, то никаких проблем быть не должно.
Если же разница превысит эти допуски, то конечно работать не будет, но их при желании можно задать и другие.

[DrShteyn]

В Вашем коде увидел только обратную связь по EP1.
_EP1_FeedBack_Data_Send(tFreqLims...).
EP1 у меня нет, так как pic не используется как динамик, только ep5 доя передачи на ПК.
Может переделать мне под EP5 в обработчике прерываний USBDMA?

[dortonyan]

В Вашем коде увидел только обратную связь по EP1.
_EP1_FeedBack_Data_Send(tFreqLims...).
EP1 у меня нет, так как pic не используется как динамик, только ep5 доя передачи на ПК.
Может переделать мне под EP5 в обработчике прерываний USBDMA?

Вы какой проект смотрите?
EP1 - это конечная точка для воспроизведения, потому для нее и ОС на эту же точку.
Для входа АЦП используется только EP5.

Начинаю припоминать.
Для данных на вход вообще используется другой режим передачи данных (синхронный вроде), без обратной связи. И в таком режиме объем передаваемых данных в пакете задает транспорт.
А расчет заполнения fifo используется для расчета объема передаваемых данных, чтобы держать буфер заполненным на половину (или на минимальное заполнение, как-то так).

[DrShteyn]

Вы какой проект смотрите?
EP1 - это конечная точка для воспроизведения, потому для нее и ОС на эту же точку.
Для входа АЦП используется только EP5.

Начинаю припоминать.
Для данных на вход вообще используется другой режим передачи данных (синхронный вроде), без обратной связи. И в таком режиме объем передаваемых данных в пакете задает транспорт.
А расчет заполнения fifo используется для расчета объема передаваемых данных, чтобы держать буфер заполненным на половину (или на минимальное заполнение, как-то так).

Видимо у вас все работало,т.к отдавали данные по ep5, принимали даннные на ep1 и feedback тут же. Коррекция частоты происходила по ep1.
Подскажите, если использоаать одну ep5 для отправки данных, возможна по этой же контрольной точке управлять коррекцией? Не могу разобраться как это делать и в какой момент

[dortonyan]

Подскажите, если использоаать одну ep5 для отправки данных, возможна по этой же контрольной точке управлять коррекцией? Не могу разобраться как это делать и в какой момент

Так я же пишу, что для отправки данных хосту коррекция скорости не требуется, там синхронный режим. Коррекция частоты нужна только для воспроизведения.
Для приема данных хост сам подстраивает скорость приема под ваши данные.
Объем данных в пакете меняется только потому, что частоту пакетов USB изменить нельзя, можно только менять объем данных в пакете. А скорость датарейта канала USB не кратна скорости датарейта от АЦП.
По крайней мере для 44,1к частоты дискретизации она точно не кратна. Для 96к - надо считать, но я делал поддержку всех ЧД.
Нельзя в один пакет поместить 10,25 семпла. Можно либо 10, либо 11. Поэтому если надо 10,25, то каждый четвертый пакет будет содержать 11 семплов, а остальные 10.

А в чем соб-но проблема? Проект для АЦП некорректно работает? Есть какие-то рассинхроны в звуке?

[DrShteyn]

Так я же пишу, что для отправки данных хосту коррекция скорости не требуется, там синхронный режим. Коррекция частоты нужна только для воспроизведения.
Для приема данных хост сам подстраивает скорость приема под ваши данные.
Объем данных в пакете меняется только потому, что частоту пакетов USB изменить нельзя, можно только менять объем данных в пакете. А скорость датарейта канала USB не кратна скорости датарейта от АЦП.
По крайней мере для 44,1к частоты дискретизации она точно не кратна. Для 96к - надо считать, но я делал поддержку всех ЧД.
Нельзя в один пакет поместить 10,25 семпла. Можно либо 10, либо 11. Поэтому если надо 10,25, то каждый четвертый пакет будет содержать 11 семплов, а остальные 10.

А в чем соб-но проблема? Проект для АЦП некорректно работает? Есть какие-то рассинхроны в звуке?

Проблема в том, что в кадр нужно подсовывать определенное колличество семплов, в зависимости от частоты дискретизации. Коррекция с помощью изменения обьема данных в кадре не работает. И это видно и слышно, когда включаешь на пк прослушивание канала. Игрался с асинхронкой и синхронкой.
У меня хост сам не подстраивает частоту в зависимости от колличества пришедших данных.

[dortonyan]

Коррекция с помощью изменения обьема данных в кадре не работает.

А другой коррекции не бывает. Еще раз: в USB интерфейсе частота пакетов строго фиксированная: 8кГц для HS.
Весь вопрос - как именно выполнять изменение объема данных в пакете.

У меня хост сам не подстраивает частоту в зависимости от колличества пришедших данных.

Хост у вас точно такой же как у меня. Потому что драйвер под win один и тот же. Поэтому все должно работать.
Не пробовали просто взять проект под АЦП и ничего не меняя использовать его? Просто данные подавать в один канал, второй не использовать.

Вот прямо сейчас попробовал для проекта из шапки вывести звук на ЦАП, потом принять через АЦП. Включил в звуковых устройствах прослушку АЦП: нормальный звук, никаких проблем.
По спектру тоже артефактов не замечено.