【linaDuino】25円CPUで作るUSB-Audioだにょ①【認識編】

目次

1. はじめに
2. ハードウェア
3. WSL環境構築
4. フォルダ構成
5. ファイル一式
6. ビルドと書き込み
7. ハマりポイント全記録
8. さいごに

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はじめに

前回は CH32V003J4M6 (SOP8) で USB-HID (ゲームパッド) 他を作りました。

• USB2Gamepad
• USB2Monitor
• USB2Grove

今回は同じチップ・同じ配線で USB Audio Class 1.0 デバイス としてホストに認識させます。

usbipd list で確認:
8-2    1209:d004  USB-Audio    Not shared  ← これが目標！

「認識させる」だけで音は出ません。でも…

Low-Speed USB デバイスを USB-Audio Class として Windows に認識させる。
これ、おそらく世界初です。

USB 1.1 仕様では Low-Speed はアイソクロナス転送禁止なので、
通常 USB-Audio は Full-Speed 以上のチップで実装されます。
CH32V003 はソフトウェア USB の Low-Speed デバイスですが、
ディスクリプタを正しく組めば Windows はちゃんと認識してくれます。

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ハードウェア

前回の HID と完全に同じ配線です。追加部品ゼロ。

PD6 [1]|       |[8] PD4
GND [2]|       |[7] PC4
PA2 [3]|       |[6] PC2 (白) D+
VCC [4]|       |[5] PC1 (緑) D-

USB配線

• PC1 (Pin5) --- 22Ω --- USB D- (白)
• PC2 (Pin6) --- 22Ω --- USB D+ (緑)
• PC2 (Pin6) --- 1.5kΩ --- 3.3V (プルアップ)

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WSL環境構築

パッケージインストール

sudo apt update
sudo apt install -y \
    build-essential \
    gcc-riscv64-unknown-elf \
    libnewlib-dev \
    libusb-1.0-0-dev \
    libudev-dev \
    git make

リポジトリのクローン

rv003usb には ch32fun がサブモジュールとして含まれています。

mkdir ~/dev && cd ~/dev
git clone --recursive https://github.com/cnlohr/rv003usb.git

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フォルダ構成

rv003usb のリポジトリ直下に demo_gamepad と同じ構成でフォルダを作ります。

cd ~/dev/rv003usb
mkdir demo_usb_audio
cp demo_gamepad/Makefile          demo_usb_audio/
cp demo_gamepad/funconfig.h       demo_usb_audio/
cp demo_gamepad/ch32v003_GPIO_branchless.h demo_usb_audio/
sed -i 's/demo_gamepad/demo_usb_audio/g' demo_usb_audio/Makefile

完成後のディレクトリ構成：

rv003usb/
├── demo_usb_audio/
│   ├── Makefile
│   ├── funconfig.h
│   ├── ch32v003_GPIO_branchless.h
│   ├── usb_config.h       ← 今回作成
│   └── demo_usb_audio.c   ← 今回作成
├── rv003usb/              ← ライブラリ本体
└── ch32fun/               ← SDK

Makefile

all : flash
TARGET:=demo_usb_audio
ADDITIONAL_C_FILES+=../rv003usb/rv003usb.S ../rv003usb/rv003usb.c
EXTRA_CFLAGS:=-I../lib -I../rv003usb
TARGET_MCU?=CH32V003
include ../ch32fun/ch32fun/ch32fun.mk
flash : cv_flash
clean : cv_clean

funconfig.h

#ifndef _FUNCONFIG_H
#define _FUNCONFIG_H
#define FUNCONF_USE_DEBUGPRINTF  0
#define FUNCONF_SYSTICK_USE_HCLK 1
#define FUNCONF_SYSTEM_CORE_CLOCK 48000000
#endif

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ファイル一式

rv003usb.c の修正 (重要！)

rv003usb.c の 438行目付近にある #if 0 を #if 1 に変更します。

# 何行目か確認
grep -n "^#if 0" ../rv003usb/rv003usb.c
# → 438:#if 0

# 変更
sed -i '438s/#if 0/#if 1/' ../rv003usb/rv003usb.c

変更箇所：

// 変更前
#if 0
// These are optional for the most part.
else if( reqShl == (0x0080>>1) ) // GET_STATUS
else if( reqShl == (0x0a21>>1) ) // GET_INTERFACE
#endif

// 変更後
#if 1   // ← ここ

これをしないと Linux/Windows が GET_STATUS に応答できずタイムアウトします。

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usb_config.h

USB Audio Class 1.0 のディスクリプタを定義します。

ディスクリプタ構成 (合計65バイト)

#ifndef _USB_CONFIG_H
#define _USB_CONFIG_H

#include "funconfig.h"

#define ENDPOINTS 2

#define USB_PORT C
#define USB_PIN_DP 1
#define USB_PIN_DM 2
#define USB_PIN_DPU 2

#define RV003USB_OPTIMIZE_FLASH    0
#define RV003USB_HANDLE_IN_REQUEST 1
#define RV003USB_OTHER_CONTROL     1   // SET_INTERFACE 処理に必要
#define RV003USB_HANDLE_USER_DATA  0
#define RV003USB_HID_FEATURES      0

#ifndef __ASSEMBLER__

#include <tusb_types.h>

#ifdef INSTANCE_DESCRIPTORS

static const uint8_t device_descriptor[] = {
    18, TUSB_DESC_DEVICE,
    0x10, 0x01,         // bcdUSB: 1.10
    0xEF, 0x02, 0x01,   // bDeviceClass: Miscellaneous (IAD必須)
    0x08,               // bMaxPacketSize0: 8
    0x09, 0x12,         // idVendor:  0x1209 (pid.codes)
    0x04, 0xD0,         // idProduct: 0xD004
    0x00, 0x01,         // bcdDevice: 1.00
    1, 2, 3, 1,
};

// wTotalLength = 65
static const uint8_t config_descriptor[] = {
    // Configuration (9)
    9, TUSB_DESC_CONFIGURATION,
    65, 0x00, 0x02, 0x01, 0x00, 0x80, 0x32,

    // IAD (8) Windows の usbaudio.sys が必要とする
    8, 0x0B, 0x00, 0x02, 0x01, 0x00, 0x20, 0x00,

    // Interface 0: AudioControl (9)
    9, TUSB_DESC_INTERFACE, 0x00, 0x00, 0x00, 0x01, 0x01, 0x00, 0x00,

    // CS AC Header (9)
    9, 0x24, 0x01, 0x00, 0x01, 0x1E, 0x00, 0x01, 0x01,

    // CS AC Input Terminal (12) USB Streaming → ID:1
    12, 0x24, 0x02, 0x01, 0x01, 0x01, 0x00, 0x01, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,

    // CS AC Output Terminal (9) Speaker ← ID:1
    9, 0x24, 0x03, 0x02, 0x01, 0x03, 0x00, 0x01, 0x00,

    // Interface 1 Alt 0: Zero Bandwidth only (9)
    // Low-Speed では Isochronous EP を持てないため Alt0 のみ
    9, TUSB_DESC_INTERFACE, 0x01, 0x00, 0x00, 0x01, 0x02, 0x00, 0x00,
};

#define STR_MANUFACTURER u"linaDuino"
#define STR_PRODUCT      u"USB-Audio"
#define STR_SERIAL       u"000"

struct usb_string_descriptor_struct {
    uint8_t bLength;
    uint8_t bDescriptorType;
    uint16_t wString[];
};

const static struct usb_string_descriptor_struct string0 = { 4, 3, {0x0409} };
const static struct usb_string_descriptor_struct string1 = { sizeof(STR_MANUFACTURER), 3, STR_MANUFACTURER };
const static struct usb_string_descriptor_struct string2 = { sizeof(STR_PRODUCT),      3, STR_PRODUCT };
const static struct usb_string_descriptor_struct string3 = { sizeof(STR_SERIAL),       3, STR_SERIAL };

const static struct descriptor_list_struct {
    uint32_t lIndexValue;
    const uint8_t *addr;
    uint8_t length;
} descriptor_list[] = {
    {0x00000100, device_descriptor, sizeof(device_descriptor)},
    {0x00000200, config_descriptor, sizeof(config_descriptor)},
    {0x00000300, (const uint8_t *)&string0, 4},
    {0x04090301, (const uint8_t *)&string1, sizeof(STR_MANUFACTURER)},
    {0x04090302, (const uint8_t *)&string2, sizeof(STR_PRODUCT)},
    {0x04090303, (const uint8_t *)&string3, sizeof(STR_SERIAL)},
};

#define DESCRIPTOR_LIST_ENTRIES \
    ((sizeof(descriptor_list)) / (sizeof(struct descriptor_list_struct)))

#endif
#endif
#endif

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demo_usb_audio.c

#include "ch32fun.h"
#include "rv003usb.h"

static volatile uint8_t audio_alt_setting = 0;

int main(void)
{
    SystemInit();
    usb_setup();
    while(1) { }
}

void usb_handle_user_in_request(
    struct usb_endpoint * e, uint8_t * scratchpad,
    int endp, uint32_t sendtok, struct rv003usb_internal * ist)
{
    usb_send_empty(sendtok);
}

void usb_handle_user_data(
    struct usb_endpoint * e, int current_endpoint,
    uint8_t * data, int len, struct rv003usb_internal * ist)
{
    (void)e; (void)current_endpoint; (void)data; (void)len; (void)ist;
}

void usb_handle_other_control_message(
    struct usb_endpoint * e,
    struct usb_urb * s,
    struct rv003usb_internal * ist)
{
    uint8_t bmRequestType = s->wRequestTypeLSBRequestMSB & 0xFF;
    uint8_t bRequest      = (s->wRequestTypeLSBRequestMSB >> 8) & 0xFF;
    uint8_t wValueLSB     = s->lValueLSBIndexMSB & 0xFF;
    uint8_t wIndexLSB     = (s->lValueLSBIndexMSB >> 16) & 0xFF;

    // SET_INTERFACE
    if (bmRequestType == 0x01 && bRequest == 0x0B)
    {
        if (wIndexLSB == 0x01)
            audio_alt_setting = wValueLSB;
        return;  // just_ack に任せる (重要!)
    }

    // GET_INTERFACE
    if (bmRequestType == 0x81 && bRequest == 0x0A)
    {
        static uint8_t alt;
        alt = (wIndexLSB == 0x01) ? audio_alt_setting : 0;
        e->opaque  = &alt;
        e->max_len = 1;
        return;
    }
}

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ビルドと書き込み

WSL側: ビルド

cd ~/dev/rv003usb/demo_usb_audio
make clean && make

ビルド成功時の出力

Memory region         Used Size  Region Size  %age Used
           FLASH:        2212 B        16 KB     13.50%
             RAM:         160 B         2 KB      7.81%

FLASH 13% / RAM 8% — 余裕あり！

Windows側: WCH-LinkUtility で書き込み

1. WCH-Link を PC に接続
2. MCU Config → CH32V003 を選択
3. .hex ファイルを選択
4. Download をクリック

確認

usbipd list
# 8-2    1209:d004  USB-Audio    Not shared  ← 成功！

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ハマりポイント全記録

今回は相当ハマりました。同じ轍を踏まないように全部記録します。

1. rv003usb.c の #if 0 問題

rv003usb.c の GET_STATUS / GET_INTERFACE 応答が #if 0 で無効化されています。
これを #if 1 にしないと can't set config #1, error -110 (タイムアウト) になります。

sed -i '438s/#if 0/#if 1/' ../rv003usb/rv003usb.c

2. usb_handle_other_control_message で usb_send_empty を呼んではいけない

rv003usb.c の処理フロー：

usb_pid_handle_data()
  └→ usb_handle_other_control_message()  ← ここから return すると
  └→ just_ack: usb_send_data(0,0,2,0xD2) ← ここが ACK を送る

コールバック内で usb_send_empty(token) を呼ぶと二重送信になります。
return だけにして just_ack に任せるのが正解。

3. Isochronous EP は Low-Speed では Windows に弾かれる

USB 1.1 仕様で Low-Speed デバイスはアイソクロナス転送を持てません。
Alt 1 + Isochronous EP を追加すると 無効な構成記述子 になります。

Alt 0 (Zero Bandwidth, EP なし) のみ → Windows OK ✅
Alt 0 + Alt 1 (Isochronous EP あり) → 無効な構成記述子 ❌

4. IAD (Interface Association Descriptor) が必要

IAD なしだと USB-Audio インターフェースが Error (コード10) になります。
合わせて device_descriptor の bDeviceClass も変更が必要。

// 変更前 (NG)
0x00,  // bDeviceClass: per interface

// 変更後 (OK)
0xEF, 0x02, 0x01,  // Miscellaneous / Common Class / IAD

5. Windows の PID キャッシュ問題

同じ PID (0xD003) で HID として登録されていると、
Audio ドライバに切り替わらず HID として認識されます。
PID を変えて (0xD003 → 0xD004) 回避しました。

6. rv003usb の usb_urb 構造体メンバー名

HID のコードをそのまま流用すると以下でコンパイルエラーになります。

// NG (存在しない)
s->wRequestTypeLSB
s->wRequestMSB
s->wIndexLSB
s->wValueLSB

// OK (実際の構造体)
s->wRequestTypeLSBRequestMSB & 0xFF         // bmRequestType
(s->wRequestTypeLSBRequestMSB >> 8) & 0xFF  // bRequest
s->lValueLSBIndexMSB & 0xFF                 // wValue
(s->lValueLSBIndexMSB >> 16) & 0xFF         // wIndex

7. e->opaque のキャスト

e->opaque は uint8_t * だが usb_send_empty() は uint32_t を要求。

uint32_t token = (uint32_t)e->opaque;  // キャスト必須

ただし今回は usb_send_empty() を呼ばない方針にしたので不要になりました。

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さいごに

ビルドサイズ

• FLASH: 2212 B (16KB中 13%)
• RAM: 160 B (2KB中 8%)

達成したこと

25円の CH32V003J4M6 (SOP8) が Windows/Linux に USB-Audio として認識されました。
Low-Speed USB デバイスを USB-Audio Class として認識させるのはおそらく世界初です。

• USB2Gamepad (前回)
• USB2Audio 認識編 (今回) ← いまここ
• USB2Audio 音出し編 (次回)

いつもご清聴ありがとうございます