STM32下USB的使用

一、介绍

• USB，即通用串行总线(Universal Serial Bus)，包括 USB 协议和 USB 硬件两个方面，支持热插拔功能

• USB2.0 使用四根线：VCC（5V）、GND、D+(3.3V)和 D-(3.3V) (注：五线模式多了一个DI 脚用于支持 OTG 模式，OTG 为 USB 主机+USB 设备双重角色)

• 在 USB 主机上，D-和 D+都接 15K 的电阻到地，在没有设备接入的时候，D+、D-均是低电平。在 USB 设备中，如果是高速设备，则在D+上接一个1.5K的电阻到 3.3V，如果是低速设备，则在 D-上接一2023-07-06 18:05:27 星期四个1.5K 的电阻到 3.3V。当设备接入主机时，主机就可以判断是否有设备接入，并能判断设备是高速设备还是低速设备。

• USB 规范四种速度模式：低速（Low-Speed）、全速（Full-Speed）、高速（Hi-Speed）和超高（SuperSpeedUSB）。

USB 系统组成

• USB 系统主要包括三个部分：控制器（Host Controller）、集线器 (Hub) 和 USB 设备。

• 控制器（Host Controller）， USB主机有一个或多个控制器，负责执行由控制器驱动程序发出的命令。

• 控制器驱动程序(Host Controller Driver)在控制器与 USB 设备之间建立通信信道。

• 集线器(Hub)连接到 USB 主机的根集线器，用于拓展主机可访问的 USB 设备的数量。

• USB 设备(USB Device)是受主机控制的设备。常用的如 U 盘，USB 鼠标这类

USB 通讯

USB 系统通过“管道”进行通讯，有“控制管道”和“数据管道”两种，“控制管道”是双向的，“数据管道”则是单向的

USB主机

• 检测和断开总是由主机发起

• USB 主机与设备进行连接时交换信息的过程叫“USB 枚举”

• 枚举过程：主机需要分配设备地址、读取描述符（作为提供有关设备信息的数据结构），并分配和加载设备驱动程序(主机操作)

• 从机提供相应的描述符使主机知悉如何操作此设备（从机操作）

• 枚举过程需要数秒时间，枚举过程完成后才可以进行数据传输。

• 数据传输规定的三种类型：IN/读取/上行数据传输、OUT/写入/下行数据传输、控制数据传输。

  • IN = 读取 = 上行
  • OUT = 写入 = 下行

端点

• USB 通过设备 端点 寻址，在主机和设备间实现信息交流

• 控制端点或端点 0： 枚举发生前专用于与设备进行通信的端点。有端点 0 IN 和端点 0 OUT 两个不同的端点，每一个 USB 设备都需要支持端点 0。端点 0 不需要使用独立的描述符。

• 特定设备所支持的端点数量将由各自的设计要求决定。简单的设计（如鼠标）可能仅要一个 IN 端点。复杂的设计可能需要多个数据端点。

• USB 规定数据 4 种传输方式：控制传输(Control Transfer)、中断传输(Interrupt Transfer)、批量传输或叫块传输(Bulk Transfer)、实时传输或叫同步传输(Isochronous Transfer )，都是通过管道进行传输。

二、STM32F407下USB介绍

• STM32F407 系列芯片有 2 个 USB OTG，高速 USB（USB OTG HS）；全速 USB（USB OTG FS），高速 USB（HS）需要外扩高速 PHY 芯片实现

• STM32F407 的 USB OTG FS 主要特性：通用特性、主机模式特性和从机模式特性

• STM32F407 的 USB OTG FS 是双角色设备 (DRD) 控制器，同时支持从机功能和主机功能，或为“仅主机”模式或“仅从机” 模式

• 主机模式下，支持全速（FS，12 Mb/s）和低速（LS，1.5 Mb/s）收发器。从机模式下，仅支持全速（FS，12 Mb/s）收发器

• ST 提供了一个完整的 USB OTG 驱动库（包括主机和设备）,全部是以 HAL 库的形式提供,相关参考例程在 en.stm32cubef4_v1-26-0_v1.26.0.zip 可以找到

时钟

• STM32F407通过AHB总线访问（AHB频率必须大14.2Mhz），USB OTG 的内核时钟必须是 48Mhz，来自时钟树里面的 PLL48CK（和 SDIO 共用）。

三、 demo移植

• USB OTG 库
  
• USB OTG 例程
  
• USB OTG 库的使用和例程说明，参考 ST 官方提供的：UM1734（从机）和 UM1720（主机）两个文档，详细介绍USB OTG库的各个组成部分以及所提供的例程使用方法

demo移植步骤

• 相关代码
  

• 步骤如下：

  • 拷贝官方 USB 驱动库相关代码到自建的工程文件夹下。STM32Cube_FW_F4_V1.26.0→Middlewares→ST 文件夹下的： STM32_USB_Device_Library、STM32_USB_HOST_Library 两个文件夹及源码拷贝到该文夹下面

  • 新建 USB_APP 文件夹用于存放 MSC 实现相关代码。STM32Cube_FW_F4_V1.26.0→Projects→STM324xG_EVAL→Applications→USB_Device→MSC_Standalone→Src 下的部分代码：usbd_conf.c、usbd_storage.c 和 usbd_desc.c 等 3 个.c 文件

  • 继续：STM32Cube_FW_F4_V1.26.0 → Projects → STM324xG_EVAL → Applications → USB_Device→MSC_Standalone→Inc 下面的：usbd_conf.h、usbd_storage.h 和 usbd_desc.h 等三个文件到 USB_APP 文件夹下
    

  • 在Keil工程的基础上新建分组添加相关代码到工程中
    

• 代码修改

• Keil配置修改

  • 使用 USB OTG FS，必须在 MDK 编译器的全局宏定义里面，添加宏定义：USE_USB_FS
  • 通过修改 usbd_conf.h 里面的 MSC_MEDIA_PACKET 定义值大小，可以一定程度提高USB 读写速度（越大越快）。通过修改：STORAGE_LUN_NBR 宏定义的值为 2，可以支持 3 个磁盘
  • 官方例程在 2 个或以上磁盘支持的时候，存在 bug，需要修改 usbd_msc.h 里面USBD_MSC_BOT_HandleTypeDef 结构体的 scsi_blk_nbr 参数，将其改为数组形式：uint32_t scsi_blk_nbr[STORAGE_LUN_NBR]；数组大小由 STORAGE_LUN_NBR 指定，修改该参数后，相应的有一些函数要做修改，参考本例程源码。
  • 修改 usbd_msc_bot.c 里面修改 MSC_BOT_CBW_Decode 函数，将 hmsc->cbw.bLUN > 1 改为：hmsc->cbw.bLUN > STORAGE_LUN_NBR，以支持多个磁盘

• USB 相关源码解释，参考：UM1734(STM32Cube USB device library).pdf

usb核心代码刨析

1. USB 驱动代码

1.1 usbd_conf.c

• usbd_conf.c 提供 USB 设备库的回调及 MSP 初始化函数，当 USB 状态机处理完不同事务的时候，会调用此回调函数，通过回调函数，可以知道 USB当前状态。根据这些状态，用户应用程序可以执行不同操作

• usbd_conf.c 3 个重点函数：HAL_PCD_MspInit 和 OTG_FS_IRQHandler、USBD_LL_Init函数

• HAL_PCD_MspInit 函数，使能 USB 时钟，初始化 IO 口，设置中断等。该函数在HAL_PCD_Init 函数里面被调用。

• OTG_FS_IRQHandler 函数，是 USB 的中断服务函数，通过调用 HAL_PCD_IRQHandler 函数，实现对 USB 各种事务的处理。

• USBD_LL_Init 函数，初始化 USB 底层设置，因为定义的是：USE_USB_FS，因此会设置 USB OTG 使用 USB_OTG_FS，完成各种设置，比如，使用内部 PHY，使用全速模式，不使能 VBUS 检测等。该函数在 USBD_Init 函数里面被调用

1.2 usbd_desc.c

• 提供 USB 设备类的描述符，决定 USB 设备的类型、端点、接口、字符串、制造商等重要信息
• 一般不修改
• usbd 即 device 类，usbh 即 host 类。只有 usb 字样的那就是 device 和 host 可以共用的，通过文件名区分该文件是用在 device 还是 host

1.3 usbd_storage.c

• 提供磁盘操作函数，包括支持的磁盘个数，以及每个磁盘的初始化和读写等函数。
• STORAGE_Init_FS函数： 初始化存储设备。根据输入参数（lun），执行不同存储设备的初始化
• STORAGE_Read_FS 函数： 从存储设备读取数据，根据存储设备（lun）的不同，调用不同的读取函数，完成数据读取。
• STORAGE_Write_FS 函数： 往存储设备写入数据，根据存储设备（lun）的不同，调用不同的写入函数，完成数据写入

2. main.c 代码

• USBD_HandleTypeDef 是用于处理 USB 设备类通信处理的结构体类型，包含了 USB 设备类通信的各种变量、结构体参数、传输状态和端点信息等
• USB 初始化
  1， 调用 USBD_Init 函数，初始化 USB 从机内核；
  2， 调用 USBD_RegisterClass 函数，链接 MSC 设备类驱动程序到设备内核；
  3， 调用 USBD_MSC_RegisterStorage 函数，为 MSC 设备类驱动添加回调函数；
  4， 调用 USBD_Start 函数，启动 USB 通信；
  经过以上四步处理，USB 启动，所有 USB 事务，都是通过 USB 中断触发，并由 USB驱动库自动处理。USB 中断服务函数在 usbd_conf.c 里

/**
* @brief USB OTG 中断服务函数
* @note 处理所有 USB 中断
* @param 无
* @retval 无
*/
void OTG_FS_IRQHandler(void)
{
 HAL_PCD_IRQHandler(&g_pcd_usb_otg_fs);
}

USBD_HandleTypeDef USBD_Device; /* USB Device 处理结构体 */
。
。
。
USBD_Init(&USBD_Device, &FS_Desc, DEVICE_FS); /* 初始化 USB */
 USBD_RegisterClass(&USBD_Device, &USBD_MSC); /* 添加类 */
/* 为 MSC 类添加回调函数 */
USBD_MSC_RegisterStorage(&USBD_Device, &USBD_Storage_Interface_fops_FS);
USBD_Start(&USBD_Device); /* 开启 USB */

• HAL_PCD_IRQHandler 函数处理各种 USB 中断请求。