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]

Offтопик:

... почему производители чипов, если уже есть USB, не может сделать так - подключил платку по USB к ПК и сделал, как надо в ПО с нормальным GUI. Неважно, XMOS, CM66xx, PIC32 и.т.д.

Да могли бы сделать и готовый USB-audio мост с поддержкой UAC2 и многоканальным (или хотя бы стерео) входом/выходом. Есть же у техаса PCM2706. Почему не сделать аналогичный чип с поддержкой асинхронного режима UAC2? Рынок огромный.
Похоже это неизвестная науке загадка.

[Alex]

Почему не сделать аналогичный чип с поддержкой асинхронного режима UAC2?

Еще раз - был такой у иксмоса. И к нему еще программка конфигурации.
Снят с производства, насколько я помню.
Если не ошибаюсь, назывался XFR00хх или как-то так. XHRA-2HPA-TQ64-C

Но в принципе, кто мешет продавать уже прошитые, к примеру XUF208?

P.S. Да и XMOS, CM66xx, Atmel, PIC32 - набор не ограничивается, есть еще как минимум Tenor, ComTrue и SaviTech.

[sia_2]

Offтопик:

Да могли бы сделать и готовый USB-audio мост с поддержкой UAC2 и многоканальным (или хотя бы стерео) входом/выходом. Есть же у техаса PCM2706. Почему не сделать аналогичный чип с поддержкой асинхронного режима UAC2? Рынок огромный.
Похоже это неизвестная науке загадка.

Рынок как раз не настолько огромный, как принято в полупроводниковой промышленности.. А с поддержкой этого всего будет много геморроя, учитывая тупость потребителей. Плюс заморочки с тем, что USB сертификацию формально все равно должен проходить продавец конечного изделия.

[Nikkov]

Универсального устройства не выйдет, поэтому будет или что-то очень простое типа pcm290X/270Х, либо программируемые контроллеры, типа CM66XX, XMOS и т.д., кодеками (ЦАП, АЦП) же надо управлять, частоты переключать, громкость/чувствительность регулировать и т.п. А это приводит еще и к необходимости кастомных драйверов под разные ОС. Так что для такого не слишком большого рынка слишком много проблем.

[dee-jan]

Тем не менее Comtrue CT7601 в каждом втором свистке-ЦАП для смартфона. Китайцам это не мешает .

[domician]

что-то очень простое типа pcm290X/270Х

Ну и правильно. Просто чип USB-I2S. Что подал с компа, то и получил на выходе. Только до, например, 192/32 и многоканал.

[Alex]

Плюс заморочки с тем, что USB сертификацию формально все равно должен проходить продавец конечного изделия.

Только если хочет намалевать значок на своем девайсе.
Все остальное - нет, поскольку за PID&VID и сертификацию чипа уже уплочено его производителем.

Универсального устройства не выйдет, поэтому будет или что-то очень простое типа pcm290X/270Х,

Так оно и надо такое, типа 27хх/29хх, тольк на UAC2 и с асинхроном.

кодеками (ЦАП, АЦП) же надо управлять, частоты переключать, громкость/чувствительность регулировать и т.п.

Во 1-х это во мноих и так делается.
Во 2-х - это нужно только для самых простейших устройств, где каждый резистор экономится. В остальных - ставиться свой проц (хоть относительно навороченный, хоть за три копейки), который все это и делает).

А это приводит еще и к необходимости кастомных драйверов под разные ОС.

Все зависит от хотелок.
В настоящее время кастомные драйвера нужны только для реализации некоторых "фишек", а так - оно и без них работает.
Ну и, поскольку производители чипов и драйверов, как правило люди вменяемые, то их волнует наличие всего это в первую очередь под винду. Ибо под Мак - там есть кому волноваться, а о прочем пингвинячьем - пусть волнуются поклонники всемирных заговоров, Столлмана и всякой разной GNU-стности.

[dortonyan]

Еще раз - был такой у иксмоса. И к нему еще программка конфигурации.

Я мел ввиду какую-то специализированную микруху, типа 7601, но с конфигурацией попроще, или вообще с аппаратной (пинами). Типа выбор - вход/выход, стерео/многоканал, мастер/слейв. Больше вроде ничего не надо.
Кмос не прикольно, прожёрливый из-за кучи ядер. Да и одноядерный проц потребляет больше специализированного чипа.

Универсального устройства не выйдет, поэтому будет или что-то очень простое типа pcm290X/270Х, либо программируемые контроллеры, типа CM66XX, XMOS и т.д., кодеками (ЦАП, АЦП) же надо управлять, частоты переключать, громкость/чувствительность регулировать и т.п. А это приводит еще и к необходимости кастомных драйверов под разные ОС. Так что для такого не слишком большого рынка слишком много проблем.

Громкость - нафик. Любую обработку звука можно делать в софте. Нестандартный драйвер - туда же. Для 99% применений хватит и стандартного.

Просто чип USB-I2S. Что подал с компа, то и получил на выходе. Только до, например, 192/32 и многоканал.

Во-во. Как в PCM2706, только uac2 и со входом внешнего мастерклока.

Рынок как раз не настолько огромный, как принято в полупроводниковой промышленности..

Ну выпускает же техас зачем-то до сих пор PCM29xx. Видимо для дешевой гарнитуры.
Можно же выкатить им на смену чип покруче, с более широким охватом применений. Начиная от гарнитуры, заканчивая high-end устройствами.

[domician]

CT7601 в каждом втором свистке-ЦАП для смартфона

Как-то пропустил. Почитал - потребляет совсем смешно, переваривает все подряд, но...
И китайцы делает, жаль для меня избыточно. https://www.aliexpress.com/item/1005004566998453.html

[Alex]

Я мел ввиду какую-то специализированную микруху, типа 7601

Прошитый на заводе проц - это и есть такая "специализированная микруха".
Тем более, что таковые они практически все, и РСМ27хх/29хх это тоже прошитые на заводе процы.

Кмос не прикольно, прожёрливый из-за кучи ядер. Да и одноядерный проц потребляет больше специализированного чипа.

Да нет там "кучи ядер", хотя сейчас и начали применять 3-х ядерный 3хх, а чуть ранее 2-х ядерный 216, основная масса USB интерфейсов работают на одноядерныйх XS1/XU208.
А то что сам иксмос называет "ядра", это не ядра а потоки (треды).

Жрут да, многовато, но это потому что питание 1в. Если посчитать потребляемую мощность, то она вполне сопоставима с теми-же F723.

Ну выпускает же техас зачем-то до сих пор PCM29xx. Видимо для дешевой гарнитуры.
Можно же выкатить им на смену чип покруче, с более широким охватом применений. Начиная от гарнитуры, заканчивая high-end устройствами.

Рынок мизерный.
Тексас давно уже не выкатывал ни новых USB-Audio итерфейсов, ни аудио ЦАПов, с аудио АЦП тоже в хорошую лужу сел.

У иксмоса USB Audio хоть и не самый главный пролдукт, но все-же имепющий весьма приличный вес в их продукции. И то сняли с производства этот "специализированный чип", из-за недостаточного спроса.
Да и XS1 серию тоже. Хорошо я закупился 48-ногими, еще на какое-то время хватит. К сожалению XU(F)208 в 64 пин корпсе не везде годятся, придется переходить на еще бОльшие - они в многоканал не влазят.

[dortonyan]

Прошитый на заводе проц - это и есть такая "специализированная микруха".
Тем более, что таковые они практически все, и РСМ27хх/29хх это тоже прошитые на заводе процы.

Пускай так. Но все равно там аппаратная оптимизация периферии есть. На обычном проце не добиться такого низкого потребления, никак.

А то что сам иксмос называет "ядра", это не ядра а потоки (треды).

Ого, не знал. У них, если правильно помню, даже в ШД в структурной схеме периферии нарисованы ядра.

Жрут да, многовато, но это потому что питание 1в. Если посчитать потребляемую мощность, то она вполне сопоставима с теми-же F723.

Во-первых, 723-ий тоже далеко не самый экономичный проц.
А во-вторых, так можно и 7601 пересчитать по мощности через напряжения питания, там вообще мизер получится.

Тексас давно уже не выкатывал ни новых USB-Audio итерфейсов

Не выкатывал, но старые PCM29xx до сих пор в статусе "active". Причем чипы недешевые, наверное даже дороже 7601. И в ассортименте целых 7 вариантов (хотя возможно кристалл у них общий).

К сожалению XU(F)208 в 64 пин корпсе не везде годятся, придется переходить на еще бОльшие - они в многоканал не влазят.

С появлением в win нативного uac2 можно "перелазить" на те же пики. Удобные процы, 64-пиновых корпусов в ассортименте хватает. Единственное в 64-пин корпусах только четыре SPI/I2S модуля. Если кроме много-канала нужен еще и вход, то придется использовать 100-пиновые (в них по 6 модулей).
Из недостатков нативного uac2 драйвера только отсутствие поддержки asio (вместо него wasapi) и нативного dsd. Зато халявный. Специализированный драйвер не нужен, торкнул в комп и оно работает.

[Alex]

Ого, не знал. У них, если правильно помню, даже в ШД в структурной схеме периферии нарисованы ядра.

Они из так называют. Если бы это в самом деле были отдельный ядра, они бы каждое работало на частоте общего клока. А так - клок делиться между этими "ядрами", коих может быть 4, 6 или 8. Ну а далее уже тайлы, как они из называют - вот это в самом деле ядра.
Для USB-интернфейса необходимо и достаточно одного тайла с 5-ю "ядрами" в 99% случаев.

Единственное в 64-пин корпусах только четыре SPI/I2S модуля. Если кроме много-канала нужен еще и вход, то придется использовать 100-пиновые (в них по 6 модулей).

Та-же проблема и в 64-х пиновых XU(F)208 - не хватает нужных портов для многоканала. Там остается много не использованных I/O, но задействовать из нельзя, нужно брать его в большем корпусе (это все - если нуден многоканальный DSD. Если только РСМ, то на 8 каналов в I2S хватает, а больше - можно в TDM).

И самое смешное - что в 48-ногом XS1, всего хватает, несмотря на то, что куча ног уходит на подключение внешнего PHY.
Именно по этой причине,у меня и стоит в многоканальных USB-транспортах (да и во многих стерео) именно 48-ногий XS1 + внешний PHY.

Во-первых, 723-ий тоже далеко не самый экономичный проц.

Да, но он чуть ли не единственный у СТМ с внутренним HS PHY.

Из недостатков нативного uac2 драйвера только отсутствие поддержки asio (вместо него wasapi) и нативного dsd. Зато халявный. Специализированный драйвер не нужен, торкнул в комп и оно работает.

Это да.
Но интересно - а если интерфейсу на пике или еще чем-то, сунуть дескрипторы (ну или хотя бы пид-вид) от иксмоса, ЗеСайконовский драйвер его увидит?

В конце концов, работает-же все это без лишних драйверов (точгнее, со встроенными универсальными) в макосях, пынгвунуксах и ведроидах.

[dortonyan]

Но интересно - а если интерфейсу на пике или еще чем-то, сунуть дескрипторы (ну или хотя бы пид-вид) от иксмоса, ЗеСайконовский драйвер его увидит?

Пробовал подсовывать. Драйвер видит (определяется в системе как кмос девайс), но корректной работы сходу добиться не удалось. Надо разбираться с протоколом команд.
Это я пытался прикинуться кмосом для поддержки dsd. Но когда удалось запустить dsd через DoP интерес пропал и дальше я не копал.
Пробовал также прикинуться и аманерой, но там алгоритм оказался еще более проприетарный: вообще балк трансфер пакетами по 32кБт.

[Nikkov]

Пробовал подсовывать. Драйвер видит (определяется в системе как кмос девайс), но корректной работы сходу добиться не удалось

Раньше, для Thesycon-овских драйверов достаточно было в inf-файл добавить свои VID/PID и все работало, по крайней мере прошивку Audio-Widget UAС 2.0 под винду я так и делал.

Пробовал также прикинуться и аманерой, но там алгоритм оказался еще более проприетарный: вообще балк трансфер пакетами по 32кБт.

Это получается amanero не UAС устройство? И под линукс/мак не будет работать, без драйвера?

[dortonyan]

Раньше, для Thesycon-овских драйверов достаточно было в inf-файл добавить свои VID/PID и все работало, по крайней мере прошивку Audio-Widget UAС 2.0 под винду я так и делал.

Не ну оно как-то работает, просто команды управления не такие как в нативном UAC2 драйвере. Я уже не вспомню в чем там было дело, колупал пол года тому.

Это получается amanero не UAС устройство? И под линукс/мак не будет работать, без драйвера?

Без драйвера тоже работает. По крайней мере мой bolero V2.
Видимо там поддержка обеих протоколов. Я не вникал.

[Вергилий]

Круто, респект.

Любопытства ради: а почему не добавили разделение на два канала для пожилых R2R цапов?

[dortonyan]

а почему не добавили разделение на два канала для пожилых R2R цапов?

Выводить данные произвольной разрядности сложнее.
16 или 24 бита сделать не сложно, а все что между ними - нужно добавлять софтовый сдвиг данных. А по хорошему - еще и выполнять округление.
Ресурсов проца наверное хватит и на такой вывод, но я не пробовал. Не было надобности, т.к. параллельные ЦАПы у меня работают на самописанном ЦФ на плисине.

[DmitriyCh]

....

Интересный проект.
Судя по схеме, у вас masterclock внешний ?
А ваше устройство и драйвер позволит выводить с оригинальным битрейтом, т.е. с тем, с которым записан трек ?

Хотя проект и интересный, но из-за дефицитности микроконтроллера, примененного в вашем устройстве, он теряет свою привлекательность.
Может стоило бы посмотреть в сторону китайцев ?
Например, CH32F205, который также имеет в своем составе USB-HS PHY.

[Nikkov]

Offтопик:

Может стоило бы посмотреть в сторону китайцев ?
Например, CH32F205, который также имеет в своем составе USB-HS PHY.

У CH32F/V, по старой китайской традиции, I2S не умеет работать с внешним мастер-клоком, поэтому или мастером от своей PLL, либо в слэйве.

[dortonyan]

Судя по схеме, у вас masterclock внешний ?

Для I2S выхода - естественно. Для входа он не нужен, т.к. вход работает в слейве.

А ваше устройство и драйвер позволит выводить с оригинальным битрейтом, т.е. с тем, с которым записан трек ?

Драйвер не мой, пользуюсь нативным UAC2.0 в win10. Битперфектный режим через wasapi драйвер поддерживается.

Хотя проект и интересный, но из-за дефицитности микроконтроллера, примененного в вашем устройстве, он теряет свою привлекательность.

Делал для себя, под контроллеры, которые была возможность достать. Поэтому что есть - то есть.