极其简陋的STM32的USB Device数据发送知识总结

关于USB的知识总结

1. 协议版本

USB 协议版本有USB1.1、USB2.0，而目前公布的最新USB协议USB3.0，主要由于数据线的增加USB3.0 数据传输速度有了很大的提高。对于 USB1.1 协议支持低速模式(1.5Mb/s)、 全速模式(12Mb/s)，而 USB2.0协议还支持高速模式(480Mb/s)。不同的器件对 USB 协议的支持是不一样的。而我们应用的STM32的USB协议的解释都是基于USB2.0全速模式的。

2、USB线缆

USB线缆中的四个金属触点对应的导线V BUS为5V电源线，GND为电源地线，而D-和D+ 组合成一组差分数据线。D-和D+这一组差分数据线，在一个时刻只能传输一路信号，这也决定了USB2.0的全速模式只能是半双工的通讯方式。

注：在 USB 主机上，D-和 D+都是接了 15K 的电阻到低的，所以在没有设备接入的时候，D+、D-均是低电平。而在 USB 设备中，如果是高速设备，则会在 D+上接一个 1.5K 的电阻到 VCC，而如果是低速设备，则会在 D-上接一个 1.5K 的电阻到 VCC。

3、USB主机与设备

在 USB 的通讯模型中要严格区分USB主机(Host)与USB设备(Device) ，因为在USB的通讯中，有且只有一个主机。当检测到有 USB 设备接入时，首先由主机发起第一次通讯。

一个 USB 主控器同时最多可支持127个设备，这是由于USB协议中规定USB设备接入后，主控器会给它分配一个 7 位的设备地址，以后就使用该地址进行通讯，所以使用 USB 集线器能扩展接口，但无法扩展主控器可支持设备数目的上限。

注：STM32F103系列芯片的USB控制器外设仅可以作为USB设备的控制器，而不能用于USB主机控制器。在STM32F105、STM32F107系列芯片中的 USB 控制器称为“USB OTG全速控制器(OTG FS)”，它带有OTG(on the go)功能。OTG是 USB2.0协议中规定的双重角色功能，这种控制器仅可作为USB 的主机端，也可以作为 USB 通讯中的设备端。

4、USB传输类型

控制传输类型(Control Transfers)：突发、非周期的传输，主要用于传输命令和状态消息。端点0一般就被配置为控制传输。

同步传输类型(Isochronous Transfers)：周期性、持续的传输，常用于与时间相关的事件、信息的传送。例如音频设备中的音频数据。

中断传输类型(Interrupt Transfers)：传输频率低、数据量小的传输。如鼠标、键盘设备的控制信息。

批量传输类型(Bulk Transfers)：非周期性的，大数据量的传输。例如如 USB 存储器。

5、USB枚举

(1) 为了获得设备描述符，主机首先使用地址0，向接入的设备发送 USB 标准请求：Get Device Descriptor(获取设备描述符)。正常时，设备会给主机返回它自己的设备描述符，但由于第一次通讯不知道端点0支持数据包的最大长度，所以主机只能通过设备描述符中的第8个字节了解设备端点0的最大数据包长度，这8个字节以外的信息还没法了解。

(2) 主机为设备分配一个新地址，把这个地址存放到标准请求Set Address(设置地址)中，发送这个请求给设备，设备保存该地址，以后的通讯就使用这个新地址。

(3) 主机重新向设备发送Get Device Descriptor(获取设备描述符) 请求，这次主机会完全读取设备返回的设备描述符，了解设备的信息。

(4) 主机向循环设备发送Get Device Configuration(获取配置描述符)请求，获得设备的配置描述符、接口描述符、类特殊描述符、端点描述符。

(5) 主机发送Get Device String(描述字符集) 获取厂商 ID、产品描述、型号等信息。

(6) 若 USB 能提供该设备的驱动，主机向设备发送Set Configuration(选择设备配置)请求设备进入某个配置状态。

(7) 建立通讯。

6、USB固件库说明

注：1-3属于底层文件，4-6属于中层文件，这些文件用户是不需要进行改动的。在不同的 USB 应用中，用户可能需要对 USB 固件库的上层部分文件配置进行修改(主要为 usb_prop.c和 usb_endp.c文件)。

(1)usb_int.c，本文件包含两个中断服务函数 CTR_LP()和 CTR_HP()，在接收发送中断时使用这两个函数进行处理，这两个函数主要又调用各个 USB 端点的处理函数，端点处理函数由用户根据自己的需要自定义。

(2)usb_regs.c，本文件是硬件抽象层。它含有各种用于读取或设置 USB 寄存器的函数，相当于对寄存器操作方法的封装。

(3)usb_mem.c，本文件主要负责进行数据传输处理。它的函数主要负责数据在用户区域(内存)或 USB 数据包缓冲区的互相转移。

(4)usb_core.c，本文件主要负责 USB 协议管理，如 USB 标准请求、各种端点 0 的控制信息处理。

(5)usb_init.c，本文件主要包含了 USB 初始化的函数。

(6)usb_sil.c，本文件包含精简接口的初始化或向端点读写的操作函数。

(7)usb_pwr.c，该文件中包含处理上电、调电、挂起和恢复事件的函数。

(8)usb_istr.c，该文件中只有一个函数，即 USB 中断的 USB_Istr 函数，该函数对各类引起 USB 中断的事件作轮询处理。

(9)hw_config.c(usb_conf.c)，该文件中包含系统配置的函数，包含基本的时钟配置、中断配置和存储器初始化函数。

(10)usb_desc.c，该文件包含一些与 USB 相关的设备描述符、配置描述符等，以数组形式存储，在 USB 主机请求的时候，这些信息会发送给主机。

(11)usb_prop.c，该文件用于实现相关设备的 USB 协议，例如初始化、SETUP 包、IN包、OUT 包等等。

(12)usb_endp.c，本文件包含端点收、发送的处理函数，由用户根据不同的 USB 设备进行不同的定义。

 

图表 1 USB固件库文件关系图

7、USB时钟

调用库函数RCC_USBCLKConfig()把 USB 的时钟预分频设置为 1.5，USB的时钟是由PLLCLK分频得来的，我们实验配置的PLLCLK为72MHz，1.5分频后正好为 48MHz 作为 USB 外设的时钟。调用 RCC_APB1PeriphClockCmd()函数使能 USB 外设的时钟，这时 USB 外设就运行起来了。

8、USB 的中断映射单元

1、USB 低优先级中断(通道 20)：可由所有 USB 事件触发(正确传输，USB 复位等)。固件在处理中断前应当首先确定中断源。

2、USB 高优先级中断(通道 19)：仅能由同步和双缓冲批量传输的正确传输事件触发，目的是保证最大的传输速率。

3、USB 唤醒中断(通道 42)：由 USB 挂起模式的唤醒事件触发。

 

图表 2  USB设备框图

9、BOT协议

BOT (Bulk Only Transport)，译为仅批量传输协议，它是 USB 的子类协议。它只使用USB 传输模式中的批量传输通道进行命令、状态、数据的传输，没有中断和控制通道。建立了传输后(即枚举后)，默认的端点 0 只用于清除批量管道的状态和发送 Mass Storage 复位、Get Max Lun 这两个请求。

在 BOT 协议中使用 CBW 格式发送命令，用 CSW 格式发送命令状态。