初版

【linaDuino】25円CPUで作るAMP付きSPKだにょ【USB-Audio】

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## 目次 1. [はじめに](#はじめに) 2. [ハードウェア](#ハードウェア) 3. [WSL環境構築](#wsl環境構築) 4. [フォルダ構成](#フォルダ構成) 5. [ファイル一式](#ファイル一式) 6. [ビルドと書き込み](#ビルドと書き込み) 7. [ハマりポイント全記録](#ハマりポイント全記録) 8. [さいごに](#さいごに) --- ## 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](https://elchika.com/article/bc2b1fe1-510d-4857-af48-e5f1b3b2f52b/) - [USB2Monitor](https://elchika.com/article/bd102ba0-f422-416e-b521-b9d4ba556249/) - [USB2Grove](https://elchika.com/article/c9642572-63fa-4c68-b583-2940f9184578/) 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。 --- ## 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) --- ## WSL環境構築 ### パッケージインストール ```bash 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。 ```bash mkdir ~/dev && cd ~/dev git clone --recursive https://github.com/cnlohr/rv003usb.git ``` --- ## 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。 ```bash 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** ```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** ```c #ifndef _FUNCONFIG_H #define _FUNCONFIG_H #define FUNCONF_USE_DEBUGPRINTF 0 #define FUNCONF_SYSTICK_USE_HCLK 1 #define FUNCONF_SYSTEM_CORE_CLOCK 48000000 #endif ``` --- ## 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。 ```bash # 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： ```c // 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。 --- ### 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)** | 部分 | バイト数 | |------|---------| | Configuration Descriptor | 9 | | IAD (Interface Association Descriptor) | 8 | | Interface 0: AudioControl | 9 | | CS AC Header | 9 | | CS AC Input Terminal | 12 | | CS AC Output Terminal | 9 | | Interface 1 Alt 0 (Zero Bandwidth) | 9 | | **合計** | **65** | ```c #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 ``` --- ### demo_usb_audio.c ```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; } } ``` --- ## ビルドと書き込み ### WSL側: ビルド ```bash 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 ```powershell usbipd list # 8-2 1209:d004 USB-Audio Not shared ← 成功！ ``` --- ## 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。 ```bash 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。 ```c // 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。 ```c // 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。 ```c 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。 --- ## 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。 音を出すには Full-Speed 対応の CH32V203 への移植が必要ですが、 それは次回の楽しみにとっておきます。 - [USB2Gamepad (前回)](https://elchika.com/article/bc2b1fe1-510d-4857-af48-e5f1b3b2f52b/) - USB2Audio 認識編 (今回) ← いまここ - USB2Audio 音出し編 (次回 / CH32V003)