STM32驱动开发（二）--USB Device RNDIS虚拟网卡(USB2.0 基础概念讲解)

STM32驱动开发（二）–USB Device RNDIS虚拟网卡(USB2.0基础概念讲解)

一、简介
本文基于stm32 Rndis实例，github开源, 使用STM32F407单板。结合协议讲解stm32中USB虚拟网卡驱动的实现。达到外部主机（手机）通过USB接口访问物联网设备网页的功能。

二、参考资料
目前关于USB驱动、RNDIS协议讲解的资料非常少，较多的是windows和linux中的案例，也并没有系统讲述细节。初学者可以看看《圈圈教你玩usb》，结合着书的简介结合标准英文协议来看。本人根据网上找的例子，根据HAL库重新移植实现。把这个案例梳理下来，希望对以后有相同需求的开发者提供一个借鉴的作用。总体参考的资料如下：
1) USB 2.0标准协议
https://usb.org/sites/default/files/usb_20_20210701.zip

2) CDC通信设备类标准协议
https://usb.org/sites/default/files/CDC1.2_WMC1.1_012011.zip

3) 微软RNDIS标准协议（3290页开始）
https://docs.microsoft.com/en-us/windows-hardware/drivers/opbuildpdf/network/toc.pdf?branch=live

4) STM32 usb库官方实例
https://www.st.com/content/ccc/resource/technical/document/user_manual/1c/6b/06/e6/19/6c/46/bf/CD00289278.pdf/files/CD00289278.pdf/jcr:content/translations/en.CD00289278.pdf

5) 参考的github中实例源码（原作貌似是俄罗斯人）
https://github.com/fetisov/lrndis

三、实现效果
如下图，图片来源于参考的github作者的演示，可以通过手机USB连接设备，访问设备的WEB页面：

通过手机，可以对设备进行参数设置和LED控制：

通过USB自动虚拟网卡，在设备维护中，不再需要通过手提电脑网线接入，配置网络参数创建网卡等操作，实现轻松运维。

四、相关概念详解
下面进入正文，整个案例涉及的概念非常多，相比于其他基本驱动，USB驱动的确是属于较为高级的驱动。整个案例涉及的概念有：

1）USB标准中的域、包、事务、传输（控制传输、中断传输、批量传输、定时传输，当前涉及前三种）；

2）USB标准中的描述符、设备、配置、接口、端点（控制端点、数据端点、中断端点（当前模型中用作通知端点））；

3）USB标准中的CDC通信设备类（Communications Devices Class）定义；

4）USB标准中所有标准请求(Standard Device Requests), CDC类的特有请求（Class-Specific Request）和协议封装请求（SEND_ENCAPSULATED_COMMAND 、GET_ENCAPSULATED_RESPONSE）定义；

5）RNDIS设备定义以及消息协议。基于CDC类基础上通过协议封装请求传输RNDIS控制消息(RNDIS Control Messages)，使用自定义数据端点传输数据消息(RNDIS Data Messages)。

6）lwip协议栈虚拟网卡与USB虚拟网卡的数据交互（透传）；

后面需要对所有概念串成一个整体来讲，比较容易理解其中的关系。

五、USB 2.0标准
首先介绍USB标准中的定义，USB 2.0标准总共十一章正文，三章附录。与软件相关的有四、五、八、九、十章、目录如下：

第四章重点内容如下：
4.1 USB 系统描述
整个USB系统分为USB主机，USB设备，USB集线器三部分。
其中USB拓扑图如下：

在系统中，只能有一个主机Host（主机包含硬件，固件，软件部分）, Hub表示集线器（连接USB主机与设备），Func表示一个设备。

对应原文部分：

4.2 物理接口
USB线缆结构为：

其中，VBUS, GND用于供电,通常是+5V，主机可为设备供电，设备也可以自供电。
D+,D-用于差分传输信号。总共有三种速度，高速HS(480 Mb/s.)，全速FS(12 Mb/s.)和低速LS(12 Mb/s.)。USB OTG多了一根ID线，总共有五根线。

对应原文部分：

目前使用OTG全速规格实现，对应芯片引脚为PA11, PA12，芯片引脚和电路图如下：

4.4 总线协议
大多数传输都由三个包组成。分别是token包，data包和handshake包。必定从token开始，handshake结束。
token包：每个事务都从token包开始。由主机发出，标识了传输类型和方向、设备地址和端点地址。所有令牌包都由主机发出。
data包：根据token包的定义，发具体的data包（也可能没有data包）；SOF令牌包没有data阶段。
handshake包：由传输源（待定）发送完数据之后发出，表示数据传输完成。
包的定义后面还有详解。

原文对应如下：