基于STM32的USB学习笔记

对USB的初步了解

1、USB的优点：

可以热插拔，即插上后可以自动识别；      

      

系统总线供电，USB共有四根线，一根电源线，一根地线，一根D+线，一根D-线，D+和D-线是差分输入线；

可以支持多种设备，且扩展容易，通过HUB可以再一个主机上连接多个设备

传输数据的速度快，最快可达480Mbit/s

方便的设备互联：在没有主机的情况下，实现点到点的通信（还可以实现主从互换）（USB OTG）

2、USB的基本规范：

USB1.0/1.1      

低速情况下1.5Mbit/s：键盘、鼠标等

全速情况下12Mbit/s：U盘、CD-ROM

USB2.0          

高速达到480Mbit/s：音频设备、显示器等

USB OTG        

设备到设备的传输

3、USB设备类规范：

大容量存储设备类（Mass Storage Device）U盘、CD-ROM等

人机交互设备类（Human Interface Device）键盘、鼠标、游戏手柄

语音设备类（Audio Device）麦克风、音响等

通信设备类（Communication Device）电话、调制解调器等

打印机设备类（Printer Device）打印机

监视设备类（Monitor Device）显示器、摄像头等

4、USB逻辑上分为3：信号层，协议层，数据传输层

协议层：包是USB系统中信息传输的基本单位，所有的数据都是经过打包后在总线上传输的。

包由6部分组成：同步字段（SYNC）；包标识符（PID）；地址字段（ADDR）；数据字段（DATA）；检验字段（CRC）；包结束（EOP）

包标识符（PID）：令牌包（Token）（输出，输入，帧起始，建立），数据包（DATA）（数据，数据1），握手包（Handsnake）（确认，不确认，停止），专用包（Special）（前同步）

5、USB协议提供4种数据传输方式：

控制传输：突发，非周期性，由主机发起，用于命令和状态的传输

同步传输：周期性，持续性的传输，用于传输与时效相关的信息，并且在数据中保存时间戳的信息

中断传输：周期性，低频率，允许有限延迟的通信

大容量的数据传输：非周期性，大容量突发数据的通信

6、USB描述符：

1）设备描述符：描述设备的类型、厂商信息、USB的协议类型、端点的报数据的最大长度等，每个USB设备只有一个Device Descriptor

2）配置描述符：每个配置描述符提供了设备特定的配置，描述了设备的接口和端点的性质、供电模式、设备的耗电

3）接口描述符：描述了设备的不同接口的特性，例如，一个设备U盘的功能，又有键盘的功能，用两个接口描述符分别描述两个功能

4）字符串描述符：描述了设备制造商、设备名称、何序列号等信息

基于STM32制作USB的过程

STM32的USB模块特性：

遵循USB2.0全速设备标准

支持双向8个端点，8个IN端点和8个OUT端点（每个端点最大可使用512字节）

[ 每个端点都有一个缓冲区描述块，描述该端点使用的缓冲区地址、大小和需要传输的字节数]

硬件实现CRC自动生成/校验，NRZI编码/解码和bit-stuffing(位插入，位填充)

支持控制传输、中断传输、大容量传输和同步传输四种传输方式

支持USB的挂起和/唤醒

 

USB设备的实现过程

系统初始化

1、 初始化系统时钟，设置USB时钟

2、 配置USB中断，选择通道，设置优先级，使能中断

3、 配置GPIO

4、 USB的初始化，对描述符、设备的端点接口等的初始化

5、 FLASH的初始化

一、 USB的枚举

枚举过程就相当于主机和设备建立连接的过程（接头），Host向Device询问一些东西，Device将自身的设备类型，如何进行通信报告给Host，这样，Host就知道怎么对Device进行操作。

    

在枚举过程中就是如何处理好SETUP事件，如果STM32 USB接收到正确的SETUP事件，将响应函数CTR_SETUP0()，此事件是特殊的OUT事件，数据方向Host->Device，SETUP事件数据长度固定为8。

1、 在USB插入主机时，主机首先需要先对USB设备进行供电

2、 接着USB总线复位：

设置分组缓冲区描述表起始地址；

初始化端点0，设置发送和接收状态。默认所有的设备地址和端口地址都会初始化为0.

3、 USB主机往端点0的0地址位置发送获取设备描述符的请求。

/*发送请求属于控制传输的建立过程，控制传输包括建立过程，可选数据过程及状态过程，首先是主机发送一个令牌，其次是发送的数据，最后设备回应一个应答（握手包）*/

4、获取设备描述符信息

设备在接收到请求以后，首先需要对主机发送来的命令进行解析，并将要发送给主机的描述符信息填入USB缓冲区中，等待USB主机发送IN命令，主机在接收到设备发送来的ACK回应以后，发送IN令牌包，从而进入到数据过程，之前存储在USB缓冲区中的描述符信息发给主机，并等待主机的应答。主机在正确接收到设备描述符的信息时会返回一个确认信息。

5、主机给设备分配一个新的地址

该阶段是一个没有数据过程的控制传输。首先，在建立过程中主机往设备的端点0发送一个设备地址的请求，新地址在建立过程的数据包中。在建立过程之后直接进入到状态过程，在状态过程中，设备等待主机发送一个IN令牌包，收到IN令牌包后，设备就会返回一个数据包，如果主机确认该数据包正确接收，就会回应设备一个ACK，设备收到ACK之后启用新的设备地址

6、 主机重新获取设备描述符，配置描述符和字符串描述符（如果是HID还要获取报告描述符等）

至此USB的枚举过程完成，主机可以根据枚举的过程了解到的设备信息对USB安装驱动程序，并对USB进行操作。

 

二、 对程序的分析

1、 在Set_System（）中首先配置了RCC时钟，在设置并开启USB的时钟RCC_USBCLKConfig(RCC_USBCLKSource_PLLCLK_1Div5);  RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_USB, ENABLE);

2、 对USB的引脚的设置，主要设置上拉电阻，对于此STM32板子而言是设置PC13为开漏输出（GPIO_Mode_Out_OD）

3、 USB中断的设置，设置了USB_LP_CAN_RX0_IRQChannel中断，因为在USB传输的过程中使用的是控制传输过程

4、 最后对USB的初始化，初始化USB的控制状态为IN_DATA状态，对一些需要使用的指针的初始化，包括设备信息，设备标准请求，设备的支持等的初始化，供枚举过程的使用

至此，对于USB设备的初始化过程已经完成，接下来进行USB的主要程序部分，也就是枚举过程。

插上USB之后首先会进入中断过程，执行USB_Istr（）函数中的操作，逐步进入枚举过程，接下来从中断操作开始分析

1、 进入中断执行USB_Istr（）函数后，首先获得中断的状态，因为在初始化阶段，首先先对USB进行了复位操作，所以直接可以进入Device_Property.Reset()函数进行复位操作。

 

得到USB的各类描述符值，设置报表地址为0x00，端点地址为0x00，又对USB的端点0和端点1的进行了初始化设置/*在usb_prop.c文件中*/

2、因为在USB枚举的阶段是通过控制传输的传输过程来实现的，所以数据的发送接收，通过CTR_LP（）中断进入的

   

在这个函数中等待中断状态设置好，并且数据发送正确。然后检查是不是端点0的收发数据，因为在一开始枚举阶段首先是通过端点0来接收主机发来的数据，所以直接进入端点0的函数中if (EPindex == 0)。等地啊主机的IN命令if ((wIstr & ISTR_DIR) == 0)，接着进入In0_Process();函数往主机中发送数据。进入In0_Process()函数以后首先要判断控制状态是IN_DATA、LAST_IN_DATA 、WAIT_STATUS_IN中的哪一个或者都不是。

等待数据的发送，假设是IN_DATA或LAST_IN_DATA，则进入数据发送阶段DataStageIn（）函数，主要是发送开始存入缓存区中的数据，以描述符为主，发送给主机。

3、在主机接收到USB发送来的数据之后，主机会重新给USB分配新地址，这是进入中断在轮询时会检测到((wEPVal & EP_CTR_RX) != 0)进入到USB的接收状态，接着会执行Out0_Process();的主机输出，USB接收状态。此数据输出主机的过程与上面数据输入主机的过程相类似。也会初始化数据包长，并根据数据长度来进行数据的接收状态。

数据从主机SB和数据从USB写入主机主要由UserToPMABufferCopy（）MAToUserBufferCopy（）两个函数来完成

4、接下来主机会以分配给USB的新地址来与USB进行数据通信。通信过程与之前相类似，只是不再使用端点0，而是使用新地址，非0端点的处理。

 

接下来说一下USB不同的c文件的功能：

Usb_core.c枚举过程重要的函数在此列出，包括数据输出主机的函数DataStageOut（）数据输入主机的函数DataStageIn（），非0数据包的建立Data_Setup0（），0数据包的建立NoData_Setup0（），还有主机发送的IN进程In0_Process()，主机发送的Out进程Out0_Process（）。还有一些标准的配置函数，接口设置函数等等。

Usb_init.c这个c文件中只包含一个主要的函数USB_Init()，这里主要是对在usb_core.c中使用的重要指针的初始化，包括pinformation，pProperty和pUser_Standard_Requests这三个指针，另外就是在初始化状态时已经将usb的控制状态设置为IN_DATA状态。并将USB初始化为初始配置，上电，开始设备的状态为未连接状态等

Usb_int.c包含两个主要函数CTR_HP（）和CTR_LP()，CTR_HP（）用于处理高优先级中断，用于同步传输模式和批量模式（双缓冲区），CTR_LP（）用于处理低优先级中断，用于控制传输，中断传输和批量传输（单缓冲区）。

Usb_mem.c包含两个函数PMAToUserBufferCopy（）和UserToPMABufferCopy（），是将PMA缓冲区的数据传给用户，和将用户缓冲区数据传给PMA缓冲区的主要数据传输过程。

Usb_regs.c主要是调用宏，实现寄存器的操作，但是上层函数很少调用这些函数直接就是用宏。

Usb_pwr.c主要是包括对一些电源的配置，包括USB上电PowerOn（），USB断电PowerOff()，挂起函数Suspend（），处理唤醒恢复操作Resume_Init（），状态机处理和恢复函数Resume（）

Usb_desc.c主要是对描述符的定义，有CustomHID_DeviceDescriptor[18]，CustomHID_ConfigDescriptor[]，CustomHID_ReportDescriptor[]，CustomHID_StringLangID[]，CustomHID_StringVendor[]，CustomHID_StringProduct[]，CustomHID_StringSerial[]。

Usb_prop.c是对一些获得描述符的设置，还有复位和初始化的设置，主要的函数是CustomHID_init（）和CustomHID_Reset（）两个函数

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