STM32 之六 USB IP（USB模块）、官方驱动版本详解

怼烎@ 2022-05-18 01:54 470阅读 0赞

# 模块分类 #

在 STM32 众多系列的 MCU 中，USB模块并不是相同的，官方称呼为USB IP 不同。总的来说可以分文两大类：**USB IP、OTG IP**。这两种 IP又可以进行更进一步的细分，如下图：  
![USB IP][]  
上图中罗列的芯片并不是很全面，某些新系列的芯片可能与上图有出入。各IP的主要区别如下：

*  **USB IP：**
 *  仅可作为全速或低速的USB设备；
 *  符合USB2.0中的全速规范
 *  可用资源：8个双向可配置端点
 *  **512字节** 的专用数据包缓冲存储器SRAM
 *  CRC(循环冗余校验)生成/校验，反向不归零(NRZI)编码/解码和位填充
 *  支持四种传输类型：对于bulk和同步传输，还支持double buffer模式；使得一个buffer用于USB硬件和PC  
    交换数据的同时，另外一个buffer可被MCU使用
 *  支持USB设备的挂起和唤醒操作（写控制寄存器），从而停止设备时钟，以进入低功耗模式  
    ![USB][]  
    F102/103中的USB和CAN共享512字节的专用SRAM来进行数据收发操作，因此两个IP不能同时使用
 *  **USB+ IP：** 是针对USB IP的扩展版本，同样仅可作为全速或低速的USB设备，但是ST针对这部分的USB模块进行了扩展，例如添加了USB低功耗管理等。除了以上USB IP特性外，还有如下：
 *  **1024字节** 的专用数据包缓冲存储器SRAM
 *  同步传输支持
 *  USB 2.0 Link电源管理支持
 *  电池充电规范修订版1.2支持
 *  USB连接/断开功能（USB\_DP线上可控嵌入式上拉电阻）  
    ![USB+][USB 1]
 *  **FS OTG IP：** 可作为全速和低速USB主机；可作为全速USB设备  
    ![USBFS][]
 *  **HS OTG IP：** 可作为高速、全速和低速USB主机；可作为高速和全速USB设备  
    ![USB HS][]  
    无论以上哪种 IP，其全部符合USB 2.0规范。

## Packet buffer的使用 ##

**Packet buffer**存在于**USB IP**和**USB+ IP**中（在 OTG IP中称为FIFO），其用法是一致的。每个双向端点对应两个packet buffer，分别用于发送和接收。软件通过packet buffer interface来访问它们。  
  这些packet buffer的位置和大小都可配置，由\*\*\*buffer描述表\*\*\*指定 ，Buffer描述表本身也在这块memory里，它自己的地址是由`USB_BTABLE寄存器`指定的。Table里每个entry由4个半字组成（分别表示双向EP的接收packet和发送packet的位置和大小） 因此\*\*\*该table的位置本身必须以8字节对齐\*\*\*，即USB\_BTABLE的低三位全部为0。  
  USB外设硬件不会把本EP的数据溢出到与其相邻的其他packet 如果收到的数据多于buffer的长度，则只把前length个数据放到该EP对应的Packet buffer中。  
![Packet buffer][]  
在ST给出的驱动中，各端点的初始化情况如下：

*  硬件发送缓冲区
 *  在初始化时设定各个EP硬件发送缓冲区的起始地址 @ADDRn\_TX@硬件缓冲描述表
 *  在准备好要发送的数据后，设置发送长度@COUNTn\_TX@硬件缓冲描述表
 *  硬件接收缓冲区
 *  在初始化时设定各个EP硬件接收缓冲区的起始地址 @ADDRn\_RX@硬件缓冲描述表
 *  在初始化时设定各个EP硬件接收缓冲区的长度 @COUNTn\_RX的高位@硬件缓冲描述表，以允许接收缓冲区的溢出检测；一般都是接收EP的最大包长
 *  在收到数据并产生ISR中，从硬件接收缓存读取数据之前先要看收到了多少数据（实际收到的数据不一定填满接收缓存的）

## FIFO的使用 ##

存在于 OTG IP中。使用相对来说要复杂不少。

# 驱动程序 #

在实际使用中，发现USB驱动有许多bug，需要特殊注意！关于这部分请参考针对USB部分的独立博文。无论是标准外设库版还是HAL库版，ST官方有针对各BUG的独立说明文档，这个在做具体移植时需要特殊注意。

## 标准外设库版（官方培训文档称为 ***Legacy library*** ） ##

针对不同的芯片有不同的独立版本驱动（主要是USB IP是有区别的）。目前有如下几个：

**STSW-STM32046：** 主要是针对STM32F105/7, STM32F2 and STM32F4 USB on-the-go Host and device library，对应的说明文档为UM1021。下载地址为 [https://www.st.com/content/st\_com/en/products/embedded-software/mcus-embedded-software/stm32-embedded-software/stm32-standard-peripheral-library-expansion/stsw-stm32046.html][https_www.st.com_content_st_com_en_products_embedded-software_mcus-embedded-software_stm32-embedded-software_stm32-standard-peripheral-library-expansion_stsw-stm32046.html] ，该版本的驱动 ***最新版本为 2.2.1*** 。  
  实现的设备例程：AUDIO、DFU、HID、MSC、VCP、Dual Core（FS IP和HS IP同时工作，分别实现MSC和HID设备）  
  实现的主机例程：MSC、HID、Dual Core（FS IP和HS IP同时工作，分别实现MSC和HID主机功能）  
  实现的双角色例程：DRD（根据插入电缆的不同，分别作MSC主机和MSC设备功能）  
**STSW-STM32121：** 主要是针对STM32F10x, STM32L1xx and STM32F3xx USB full speed device library，对应的说明文档为UM0424。  
下载地址为 [https://www.st.com/content/st\_com/en/products/embedded-software/mcus-embedded-software/stm32-embedded-software/stm32-standard-peripheral-library-expansion/stsw-stm32121.html][https_www.st.com_content_st_com_en_products_embedded-software_mcus-embedded-software_stm32-embedded-software_stm32-standard-peripheral-library-expansion_stsw-stm32121.html] ，该版本的驱动 ***最新版本为 4.1.0*** 。  
  实现的例程（只能是Device）：Audio\_Speaker、DFU、MSC、Joystick、Custom\_HID、VCP、MSC+HID 复合设备  
**STSW-STM32092：** 主要是针对STM32F0x2xx USB FS device library，对应的说明为UM1717。下载地址为 [https://www.st.com/content/st\_com/en/products/embedded-software/mcus-embedded-software/stm32-embedded-software/stm32-standard-peripheral-library-expansion/stsw-stm32092.html，][https_www.st.com_content_st_com_en_products_embedded-software_mcus-embedded-software_stm32-embedded-software_stm32-standard-peripheral-library-expansion_stsw-stm32092.html] 该版本驱动的 ***最新版本为 1.0.0*** 。*这里需要注意，该驱动是针对STM32F0x2xx的，但是可以非常方便的移植到STM32F0xx系列得MCU中。* 需要根据具体芯片的时钟，修改驱动的usb\_conf.h和usb\_bsp.c。关于具体的移植可参考网友的该文章USB库STM32F0x2移植到STM32F070笔记  
  实现的例程（只能是Device）：Audio\_Speaker、CCID、MSC、Custom\_HID、HID、HID\_LPM\_test、DFU、Virtual\_COM\_Port、CDC+HID复合设备、MSC+HID复合设备

***该版本的驱动不但可以非常方便的与之前的标准外设库一同使用，而且可以非常方便的与 HAL 库一起使用。*** 博文[STM32之标准外设版USB驱动+MSC(Host)+Fatfs移植][STM32_USB_MSC_Host_Fatfs] 就是使用的HAL外设库+标准外设库版的USB驱动的移植。使用标准外设库版版USB库的主要原因是，该版本的USB库经过多年验证，相对稳定！而在使用HAL版USB库时，发现了许多BUG。  
  以上这些驱动在ST官网一次次改版之后，已经非常难找到！我记得在之前都不需要登陆就可以下载，现在还必须登陆才可以下载！

## HAL库版（官方培训文档称为 ***Cube library*** ） ##

***从目前的情况来看，ST已经彻底放弃了之前用了很久的标准外设库，全面转投 STM32CubeTM。在驱动程序方面，标准外设库也基本不再维护更新！***  
  STM32CubeTM系列的驱动相比较标准外设库来说更将全面，同样USB驱动也比标准外设库更加全面。这部分驱动一般很少手动来移植处理，直接使用STM32CubeMX工具来处理。  
  不同芯片的USB驱动均包含在针对各芯片的独立Cube驱动包中。其中的USB驱动或多好少回有点区别，也可能没有区别。具体可直接查看Cube驱动包的驱动说明。总结一下：  
![CubeUSB][]  
上图由于比较早，其中部分芯片没有列出。

# 配套工具 #

ST为开发者提供了一些常用的工具，具体如下：

*  **PC端VCP驱动（STSW-STM32102）：** [http://www.st.com/web/catalog/tools/FM147/CL1794/SC961/SS1533/PF257938][http_www.st.com_web_catalog_tools_FM147_CL1794_SC961_SS1533_PF257938]
 *  **DFU PC端程序（STSW-STM32080）：** [http://www.st.com/web/catalog/tools/FM147/CL1794/SC961/SS1533/PF257916][http_www.st.com_web_catalog_tools_FM147_CL1794_SC961_SS1533_PF257916]
 *  **HID PC端程序（STSW-STM32084）：** [http://www.st.com/web/catalog/tools/FM147/CL1794/SC961/SS1533/PF257920][http_www.st.com_web_catalog_tools_FM147_CL1794_SC961_SS1533_PF257920]

# 参考 #

ST 的各种培训资料

[USB IP]: /images/20220518/44f2d0833488431b96a01196e0f827f7.png
[USB]: /images/20220518/b3591c0fd1dd418b9207a57980382b15.png
[USB 1]: /images/20220518/c8d661e46b054fa191464fc2a1d17cad.png
[USBFS]: /images/20220518/4805ed0267af41c0bd95f80b18f65e50.png
[USB HS]: /images/20220518/d9dd5e949b5a443a8cb393590876b7b8.png
[Packet buffer]: /images/20220518/61ccf3e935264fd1bc0ae5dbffcbf6cd.png
[https_www.st.com_content_st_com_en_products_embedded-software_mcus-embedded-software_stm32-embedded-software_stm32-standard-peripheral-library-expansion_stsw-stm32046.html]: https://www.st.com/content/st_com/en/products/embedded-software/mcus-embedded-software/stm32-embedded-software/stm32-standard-peripheral-library-expansion/stsw-stm32046.html
[https_www.st.com_content_st_com_en_products_embedded-software_mcus-embedded-software_stm32-embedded-software_stm32-standard-peripheral-library-expansion_stsw-stm32121.html]: https://www.st.com/content/st_com/en/products/embedded-software/mcus-embedded-software/stm32-embedded-software/stm32-standard-peripheral-library-expansion/stsw-stm32121.html
[https_www.st.com_content_st_com_en_products_embedded-software_mcus-embedded-software_stm32-embedded-software_stm32-standard-peripheral-library-expansion_stsw-stm32092.html]: https://www.st.com/content/st_com/en/products/embedded-software/mcus-embedded-software/stm32-embedded-software/stm32-standard-peripheral-library-expansion/stsw-stm32092.html%EF%BC%8C
[STM32_USB_MSC_Host_Fatfs]: https://blog.csdn.net/zcshoucsdn/article/details/78944536
[CubeUSB]: /images/20220518/34013a5af63b44f8881d3918b25c027c.png
[http_www.st.com_web_catalog_tools_FM147_CL1794_SC961_SS1533_PF257938]: http://www.st.com/web/catalog/tools/FM147/CL1794/SC961/SS1533/PF257938
[http_www.st.com_web_catalog_tools_FM147_CL1794_SC961_SS1533_PF257916]: http://www.st.com/web/catalog/tools/FM147/CL1794/SC961/SS1533/PF257916
[http_www.st.com_web_catalog_tools_FM147_CL1794_SC961_SS1533_PF257920]: http://www.st.com/web/catalog/tools/FM147/CL1794/SC961/SS1533/PF257920