STM32怎么控制USB

yjtj30xe · 发表于 2023-5-26 09:12

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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；    ! @* L8 v7 x$ A* ]* Y
   ! p# o, Z! `5 C0 P! t3 ]" ?" a
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；

$ O: ?$ g7 C. ?  y6 E2 m
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0 O2 p5 f% A/ w' z% `! P8 A
传输数据的速度快，最快可达480Mbit/s5 r* M- b7 ^9 o

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）
4 D) x# j" M9 g4 `& J

2、USB的基本规范：0 ?# g+ x6 W2 W8 a" I7 {" }
USB1.0/1.1    & ~& g  }) u( M+ p5 d8 G0 h
低速情况下1.5Mbit/s：键盘、鼠标等) d7 [- ]: T; B9 F
全速情况下12Mbit/s：U盘、CD-ROM1 u; Z% c! f: }3 M% [

USB2.0         $ @/ v) Q3 g0 Q( ^) [9 Q; L" S
高速达到480Mbit/s：音频设备、显示器等$ r& i5 x: l2 ]' ~5 e, i) u

6 H. o) p2 T/ K2 E3 u' ]$ Q
USB OTG
设备到设备的传输# f* d8 {/ S# R3 T' b5 L- h; e
4 Y* @3 J; h+ V- d0 F7 _
  _5 p! {2 b! x8 u
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
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4、USB逻辑上分为3：信号层，协议层，数据传输层+ D% i' w$ a4 }: |5 V* [
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。
4 `- e- U. f$ H4 S" G' a6 _& R

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）% s% z4 l6 A$ q4 o& P4 v
3 ~6 ?1 G$ q& r8 R$ o
4 b6 U" J/ z# Y4 s8 r$ j3 I- e) a9 |+ P
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 K/ m, Z" {/ p8 J3 n

! L1 [% Z( Z' R/ q0 W$ I) ]! g8 M
5、USB协议提供4种数据传输方式：  f1 ^! X/ V  y
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
& W. W. m& [+ G# O$ K6 q

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
  F9 F6 ]" b4 m! @) ^

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: K! m/ z2 l4 N

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

" Y2 q8 o4 b9 H
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
5 W& T5 X9 D+ d
$ R6 W9 T0 P: R" D
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

) X. T' M) O# m, d6 B( J  V
基于STM32制作USB的过程" Y& N! v* i' ~
STM32的USB模块特性：# x: V: A. R% X8 o) g/ r

遵循USB2.0全速设备标准
+ b8 G& Y/ `* O" u8 Q6 l/ x

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）
0 g) D( [- u" w8 H% b2 F6 Y

[ 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]
9 c5 J, F8 Y6 P  ~8 }
8 t. x/ _! j, @8 x6 W. C; N/ z
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)' s" O: P: a$ m5 k( k0 m, I
1 G9 A5 u; t- O$ Q' r7 `

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0 v6 A7 M+ L  d- K8 l+ P+ j5 a( G
  k3 ^+ j* B/ B& {  c: h1 ^6 I& c

支持USB的挂起和/唤醒

USB设备的实现过程
系统初始化4 b/ e3 P7 c. g/ ?, ^! {
1、初始化系统时钟，设置USB时钟. O, d' s! X7 |8 m
2、配置USB中断，选择通道，设置优先级，使能中断! f$ W: I. M) V
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, q' w; S/ d" V) R

; d  y! H- Y7 D; T% ]
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。
7 t* U: ]7 S5 E; p
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。
" H# A/ N: B  s. l

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：6 O; t6 f, d7 G: U
设置分组缓冲区描述表起始地址；( s9 X+ I9 s' W7 O) @! O! j; |0 q! v' j4 n
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0.8 r2 N. [0 X# v" L* ?

5 \5 S$ `3 C2 G- A% ]
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。$ w% D$ V6 F- o* v$ H8 J
/*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）*/$ `5 n8 I2 ?. b; N. U/ Y$ C* d

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。

* O4 x% ~" s7 h. i
5、主机给设备分配一个新的地址+ A: X4 u$ H2 L3 d+ z
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
  p! _# j" C" F( q5 a. Z

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。
7 a4 |- p- I& B2 V  K
二、对程序的分析9 E4 L7 M( o! N8 @% _: L9 x4 H
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);

0 f" O5 V& n3 u+ c
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）1 Q7 H7 o: |% W3 t% {. O

! g) Y8 m( _7 M" r$ I: P) V7 S9 b8 q
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: z, R5 f; l8 a8 }5 l* @

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。

* E, V, h; \7 O+ o4 H( y5 J
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6 t: `4 d* {/ \+ z& z% x

; o6 y- O& @' }
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。6 s9 E( R% A$ x' n6 ?- s- p* V3 O

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*/7 e- n( {3 H- L. ~7 X
- |, }0 x- Z# V1 L
3 U8 w* Q9 ]  u( |" m8 X, Q  Z
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1 x4 T  I) c6 k1 A% k4 I. D

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。+ L$ T! W" m* T7 \7 S
7 a. l5 X& f/ R4 R: `% n

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。
. K1 g! z; m/ f$ O  @

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& j6 J! Z% c/ d: g* J, n; o6 {" O
$ v' \( [  ^5 M( h# [

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。9 m8 I6 _8 d! v

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  ?9 e) K8 G0 Q+ r) y
% s1 v, {0 j1 O' C" b
9 |: L" Y% W6 T' ?& K- X; t
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。- I: c0 G' z- K! `+ f8 g
( h! w9 \; l) \& j& r+ `( ?& K- `

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。& O2 F& U6 Q. V, u

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（）; h: K/ _. g8 |9 n- _6 Y+ I" m
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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