STM32 USB相关知识扫盲

迷南。 2023-01-16 02:44 142阅读 0赞

### STM32 USB相关知识扫盲 ###

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### 目录 ###

*   *   *  STM32 USB相关知识扫盲
         *  1、基础知识
         *  2、电气属性
         *   *  2.1 数据线
             *  2.2 USB主机是如何识别设备是高速设备/全速设备/低速设备？
         *  3、USB设备分类
         *  4、描述符详解
         *   *  4.1 设备描述符
             *  4.2 配置描述符
             *  4.3 接口描述符
             *  4.4 端点描述符
             *  4.5 字符串描述符
             *  4.6 IAD描述符
         *  5、STM32-USB详解
         *  6、STM32-PMA详解

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本篇文章为我个人在学习USB相关知识的整理，可能有不对的地方，欢迎指正！

我学习USB相关知识参考了以下网友的帖子：

[http://www.51hei.com/bbs/dpj-40953-1.html][http_www.51hei.com_bbs_dpj-40953-1.html]

[https://blog.csdn.net/alien75/article/details/4622319][https_blog.csdn.net_alien75_article_details_4622319]

[http://www.usbzh.com/][http_www.usbzh.com]

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### 1、基础知识 ###

**等级划分：**  
![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxMTUzNDcxNTAz_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

**接口类型：**  
![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxMTUzNDcxNTAz_size_16_color_FFFFFF_t_70 1][]

STM32基础型(F1系列)所带的USB是全速。

### 2、电气属性 ###

USB的通信都是由主机发起的，这一点与IIC协议是类似的。

#### 2.1 数据线 ####

USB使用差分传输模式，有两条数据线，分别是：

*  USB数据正信号线，USB Data Positive，即USB-DP线，简写为D+
 *  USB数据负信号线，USB Data Minus， 即USB-DM线，简写为D-

剩下的就是电源线(5V-Vbus)和地线(GND)。

#### 2.2 USB主机是如何识别设备是高速设备/全速设备/低速设备？ ####

主机的D+和D-都接有15K下拉电阻。

*  全速USB设备的数据线D+接有1.5K的上拉电阻，一旦接入主机，主机的D+被拉高
 *  低速USB设备的数据线D-接有1.5K的上拉电阻，一旦接入主机，主机的D-会被拉高

因此，主机就可以根据检测到自己的D+为高还是D-为高，从而判断接入的设备是一个全速还是低速设备。

所以你可以看到STM32板子上的USB口D+有一个上拉电阻，而且是必须有的：  
![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxMTUzNDcxNTAz_size_16_color_FFFFFF_t_70 2][]

### 3、USB设备分类 ###

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxMTUzNDcxNTAz_size_16_color_FFFFFF_t_70 3][]  
类别详细描述在这里：[https://www.usb.org/defined-class-codes][https_www.usb.org_defined-class-codes]。

看一个CDC虚拟串口的设备分类：  
![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxMTUzNDcxNTAz_size_16_color_FFFFFF_t_70 4][]  
在看一个MSC的（模拟U盘）：  
![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxMTUzNDcxNTAz_size_16_color_FFFFFF_t_70 5][]

不同的类有不同的用途；不同的应用场合对应不同的产品形态；不同的产品形态可能会有自己特殊的描述符，比如： HID类有报告描述符、CDC类有ACM、Union描述符等。

### 4、描述符详解 ###

以STM32里的MSC设备为例，MSC类所需要的描述符有：设备描述符+配置描述符+接口描述符(数量由配置描述符里的bNumInterfaces字段决定)+端点描述符(数量由配置描述符里的bNumEndpoints决定)，所以MSC类结构就是这样的：

配置描述符
    { 
    	接口描述符1
    	{ 
    		端点描述符1
    		{ 
    			
    		}
    		端点描述符2
    		{ 
    			
    		}
    	}
    }

而CDC类是这样的：

配置描述符
    { 
    	接口描述符1（通信接口）
    	{ 
    		其他描述符（特殊描述符）
    		{ 
    			/*Header Functional Descriptor*/
    			/*Call Management Functional Descriptor*/
    			/*ACM Functional Descriptor*/
    			/*Union Functional Descriptor*/
    		}
    		端点描述符(命令端点)
    		{ 
    			
    		}
    	}
    	接口描述符2（数据接口）
    	{ 
    		端点描述符1（输出端口）
    		{ 
    			
    		}
    		端点描述符2（输入端口）
    		{ 
    			
    		}
    	}
    }

#### 4.1 设备描述符 ####

每个USB设备都必须且只有一个设备描述符，摘取一下STM32的MSC设备里的实例代码：  
![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxMTUzNDcxNTAz_size_16_color_FFFFFF_t_70 6][]  
**每个字段的含义：**

*  bLength：描述符大小．固定为0x12；
 *  bDescriptorType：设备描述符类型．固定为0x01；
 *  bcdUSB：USB 规范发布号．表示了本设备能适用于那种协议，如2.0=0200，1.1=0110；
 *  bDeviceClass：类型代码（由USB指定）。当它的值是0时，表示所有接口在配置描述符里，并且所有接口是独立的。当它的值是1到FEH时，表示不同的接口关联的。当它的值是FFH时，它是厂商自己定义的；
 *  bDeviceSubClass：子类型代码（由USB分配），如果 bDeviceClass值是0，一定要设置为0。其它情况就跟据USB-IF组织定义的编码；
 *  bDeviceProtocol：协议代码（由USB分配），如果使用USB-IF组织定义的协议，就需要设置这里的值，否则直接设置为0。如果厂商自己定义的可以设置为FFH；
 *  bMaxPacketSize0：端点０最大分组大小（只有8,16,32,64有效）；
 *  idVendor：供应商ID（由USB分配）；
 *  idProduct ： 产品ID（由厂商分配)，由供应商ID和产品ID，就可以让操作系统加载不同的驱动程序
 *  bcdDevice ：设备出产编码．由厂家自行设置；
 *  iManufacturer ：厂商描述符字符串索引．索引到对应的字符串描述符． 为０则表示没有；
 *  iProduct ：产品描述符字符串索引．同上；
 *  iSerialNumber：设备序列号字符串索引．同上；
 *  bNumConfigurations ：可能的配置数．指配置字符串的个数。

#### 4.2 配置描述符 ####

配置描述符定义了设备的配置信息，一个设备可以有多个配置描述符。摘一个STM32的MSC设备的配置描述符：  
![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxMTUzNDcxNTAz_size_16_color_FFFFFF_t_70 7][]  
用C语言组合就是这样的一个结构：

typedef struct _USB_CONFIGURATION_DESCRIPTOR_
    { 
        BYTE      bLength,
        BYTE      bDescriptorType,
        uint16_t  wTotalLength,
        BYTE      bNumInterfaces,
        BYTE      bConfigurationValue,
        BYTE      iConfiguration,
        BYTE      bmAttributes,
        BYTE      MaxPower
    }USB_CONFIGURATION_DESCRIPTOR;

**每个字段含义如下：**

*  bLength：描述符大小，固定为0x09．
 *  bDescriptorType：配置描述符类型，固定为0x02．
 *  wTotalLength：返回整个数据的长度，指此配置返回的配置描述符，接口描述符以及端点描述符的全部大小
 *  bNumInterfaces：配置所支持的接口数。指该配置配备的接口数量也表示该配置下接口描述符数量
 *  bConfigurationValue：作为Set Configuration的一个参数选择配置值
 *  iConfiguration：用于描述该配置字符串描述符的索引
 *  bmAttributes：供电模式选择，Bit4-0保留，D7:总线供电，D6:自供电，D5:远程唤醒
 *  MaxPower：总线供电的USB设备的最大消耗电流．以2mA为单位

#### 4.3 接口描述符 ####

接口描述符说明了接口所提供的配置，一个配置所拥有的接口数量通过配置描述符的bNumInterfaces决定，摘取STM32的MSC设备类的接口描述符：  
![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxMTUzNDcxNTAz_size_16_color_FFFFFF_t_70 8][]  
用C语言组合就是这样的一个结构：

typedef struct _USB_INTERFACE_DESCRIPTOR_
    { 
        BYTE      bLength,
        BYTE      bDescriptorType,
        BYTE      bInterfaceNumber,
        BYTE      bAlternateSetting,
        BYTE      bNumEndpoint,
        BYTE      bInterfaceClass,
        BYTE      bInterfaceSubClass,
        BYTE      bInterfaceProtocol,
        BYTE      iInterface
    }USB_INTERFACE_DESCRIPTOR;

**每个字段含义如下：**

*  bLength : 描述符大小．固定为0x09．
 *  bDescriptorType : 接口描述符类型．固定为0x04．
 *  bInterfaceNumber: 该接口的编号．
 *  bAlternateSetting : 用于为上一个字段选择可供替换的位置．即备用的接口描述符标号．
 *  bNumEndpoint : 使用的端点数目．端点０除外．
 *  bInterfaceClass : 类型代码（由USB分配）．
 *  bInterfaceSubClass : 子类型代码（由USB分配）．
 *  bInterfaceProtocol : 协议代码（由USB分配）．
 *  iInterface : 字符串描述符的索引

#### 4.4 端点描述符 ####

USB设备中的每个端点都有自己的端点描述符，由接口描述符中的bNumEndpoint决定其数量。摘取STM32的MSC设备类的端口描述符：  
![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxMTUzNDcxNTAz_size_16_color_FFFFFF_t_70 9][]  
用C语言组合就是这样的一个结构：

typedef struct _USB_ENDPOINT_DESCRIPTOR_
    { 
        BYTE        bLength,
        BYTE        bDescriptorType,
        BYTE        bEndpointAddress,
        BYTE        bmAttributes,
        uint16_t    wMaxPacketSize,
        BYTE        bInterval
    }USB_ENDPOINT_DESCRIPTOR;

**每个字段含义如下：**

*  bLength : 描述符大小．固定为0x07
 *  bDescriptorType : 接口描述符类型．固定为0x05
 *  bEndpointType : USB设备的端点地址．Bit7决定方向，1为IN端点，0为OUT端点，对于控制端点可以忽略；Bit6-4，保留；BIt3-0：端点号
 *  bmAttributes : 端点属性．Bit7-2，保留．BIt1-0：00控制，01同步，02批量，03中断
 *  wMaxPacketSize : 本端点接收或发送的最大信息包大小
 *  bInterval : 轮训数据传送端点的时间间隔．对于批量传送和控制传送的端点忽略．对于同步传送的端点，必须为１，对于中断传送的端点，范围为1-255

#### 4.5 字符串描述符 ####

字符串描述符是可选的，如果不支持字符串描述符，其设备描述符、配置描述符、接口描述符内的所有字符串描述符索引都必须为0。

字符串描述符结构如下：

typedef struct _USB_STRING_DESCRIPTION_
    { 
        BYTE      bLength,
        BYTE      bDescriptionType,
        BYTE      bString[1];
    }USB_STRING_DESCRIPTION;

**各个字段含义：**

*  bLength : 描述符大小．由整个字符串的长度加上bLength和bDescriptorType的长度决定．
 *  bDescriptorType : 接口描述符类型，固定为0x03．
 *  bString\[1\] : Unicode编码字符串

#### 4.6 IAD描述符 ####

USB组合设备一般用Interface Association Descriptor（IAD）实现，就是在要合并的接口前加上IAD描述符。例如你想用一个硬件USB接口实现两个功能，又能到U盘又能当虚拟串口，那么在USB配置描述符中就需要加上IAD描述符来指明。

typedef struct _USBInterfaceAssociationDescriptor 
    { 
        BYTE  bLength:                  0x08        //描述符大小，固定
        BYTE  bDescriptorType:          0x0B        //IAD描述符类型，固定
        BYTE  bFirstInterface:          0x00        //起始接口编号
        BYTE  bInterfaceCount:          0x02        //本个IAD下设备类的接口数量
        BYTE  bFunctionClass:           0x0E        //类型代码，本个IAD指示的是什么类型的设备，例如CDC是0X02，MSC是0X08
        BYTE  bFunctionSubClass:        0x03        //子类型代码
        BYTE  bFunctionProtocol:        0x00        //协议代码
        BYTE  iFunction:                0x04        //描述字符串索引
    }

以MSC+CDC为例，他的配置描述符结构就是这样的：

配置描述符
    { 
    	IAD描述符1（CDC）
    	{ 
    		接口描述符1（通信接口）
    		{ 
    			其他描述符（特殊描述符）
    			{ 
    				/*Header Functional Descriptor*/
    				/*Call Management Functional Descriptor*/
    				/*ACM Functional Descriptor*/
    				/*Union Functional Descriptor*/
    			}
    			端点描述符(命令端点)
    			{ 
    				
    			}
    		}
    		接口描述符2（数据接口）
    		{ 
    			端点描述符1（输出端口）
    			{ 
    				
    			}
    			端点描述符2（输入端口）
    			{ 
    				
    			}
    		}
    	}
    
    	IAD描述符(MSC)
    	{ 
    		接口描述符1
    		{ 
    			端点描述符1
    			{ 
    				
    			}
    			端点描述符2
    			{ 
    				
    			}
    		}
    	}
    }

### 5、STM32-USB详解 ###

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxMTUzNDcxNTAz_size_16_color_FFFFFF_t_70 10][]

**这个512字节SRAM叫做`Packet Buffer Memory Area(简称PMA)`，这个很重要，后面会详细讲解。**

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxMTUzNDcxNTAz_size_16_color_FFFFFF_t_70 11]  
根据描述可以，一共有8个端点，16个寄存器，一个端点关联两个寄存器，所以我们可以将他们规划为8个输入端点(0x80-0X87)+8个输出端点(0X00-0X07)。

### 6、STM32-PMA详解 ###

先说一下USB的数据包大小，全速设备的最大包大小为64字节，高速最大为1024字节。

Packet Buffer Memory Area(简称PMA)

STM32F1/F3/L1系列都有且结构相同(其他系列暂未考证)，译过来就是包数据缓存区，大小为512字节，按2字节进行寻址。

这个PMA的作用就是USB设备模块用来实现MCU与主机进行数据通信的一个专门的数据缓冲区，我们称之为USB硬件缓冲区。

说得具体点就是**USB模块把来自主机的数据接收进来后先放到PMA，然后再被拷贝到用户数据缓存区**；或者**MCU要发送到主机的数据，先从用户数据缓存区拷贝进PMA，再通过USB模块负责发送给主机**。

很多人利用ST官方的USB库修改自己的USB应用时候卡住，获取改完之后懵懵懂懂出现错误，估计大多数原因就在此处的修改！

摘取一下STM32F1参考手册里的PMA描述表：  
![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxMTUzNDcxNTAz_size_16_color_FFFFFF_t_70 12][]  
名称含义：

ADDR0\_TX：输出端点0发送缓冲区地址  
COUNT0\_TX：输出端点0发送缓冲区大小  
ADDR0\_RX：输入端点0发送缓冲区地址  
COUNT0\_RX：输入端点0发送缓冲区大小

可以看到一个完整的端点描述包括：缓冲区地址+缓冲区大小。

PMA的头部为端点的描述，每个端点占8个字节，实际使用了几个端点就有几个描述头，例如使用了0、1、2这三个连续端点（**这里注意是连续端点**），那么PMA头部的3x8=24(十六进制的0X18)字节就是描述，倘若你使用的是0、1、3这三个端点，其中编号为2的端点虽然没使用但是占用空间，那么PMA头部的端点描述就是4x8=32字节，编号为2的端点8字节的空间就浪费了(严格来说没浪费，就是不方便使用)。

头部的端点描述之后就是各个端点的缓冲区了，例如使用了0、1、2三个端点，占用了PMA头部3x8=24字节的空间，那么这三个端点的缓冲区地址就是从PMA偏移24字节开始的，当然只要是大于24就都可以，这里就是最关键的地方了，很多人修改ST官方库实现自己USB应用时候就是没改这里的地址，导致缓冲区的使用覆盖了PMA头部的端点描述从而出错！

下面摘取一个STM32官方MSC设备的实例进行分析：  
![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxMTUzNDcxNTAz_size_16_color_FFFFFF_t_70 13][]  
可以看到一共用到了4个端点，分别是输入端点0X80和0X81，输出端点0X00和0X01，其中0X00端点和0X80端点是供USB使用必须有的，0X81和0X01端点则是MSC设备输入输出端点。

那么一共使用了4个端点，按理来说PMA头部的端点描述大小应该是4X8=32(十六进制的0X20)字节，0X20之后的才是各个端点缓冲区，但是ST这里的却是从0X18开始，也就是说使用了三个端点，这个地方我还没有搞明白为什么，**欢迎各位补充！**

至于为什么0X18之后是0X58，是因为USB全速设备的最大包是64字节(十进制的0X40)，所以这里PMA的划分就是：

*  头部0X18字节为各个端点的描述
 *  0X18地址开始的64字节为输出端点0的缓冲区
 *  0X58地址开始的64字节为输入端点0的缓冲区
 *  0X98地址开始的64字节为输出端点1的缓冲区
 *  0XD8地址开始的64字节为输入端点1的缓冲区

这里注意一点，缓冲区分配好之后访问是不会溢出的，也就是说缓冲区之间完全隔离。

[http_www.51hei.com_bbs_dpj-40953-1.html]: http://www.51hei.com/bbs/dpj-40953-1.html
[https_blog.csdn.net_alien75_article_details_4622319]: https://blog.csdn.net/alien75/article/details/4622319
[http_www.usbzh.com]: http://www.usbzh.com/
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxMTUzNDcxNTAz_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20221022/85fbfff6e9f84cbf85428d51f0bfb611.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxMTUzNDcxNTAz_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]: /images/20221022/b4ebc8afb007435a9bcd15a43ede1fc4.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxMTUzNDcxNTAz_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]: /images/20221022/dc6408057d9341aaac3e4389ab5de57e.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxMTUzNDcxNTAz_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]: /images/20221022/c81e740aec4e4c42880ffb3486eeac40.png
[https_www.usb.org_defined-class-codes]: https://www.usb.org/defined-class-codes
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxMTUzNDcxNTAz_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]: /images/20221022/4922a9cd39aa488ea65eac74730320a8.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxMTUzNDcxNTAz_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]: /images/20221022/b975a006e842492bbe3611c6c09121da.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxMTUzNDcxNTAz_size_16_color_FFFFFF_t_70 6]: /images/20221022/32d8a788e4674e0a83654a78a0824cad.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxMTUzNDcxNTAz_size_16_color_FFFFFF_t_70 7]: /images/20221022/cfa0f1ab860d432ab99d8534ec89b17d.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxMTUzNDcxNTAz_size_16_color_FFFFFF_t_70 8]: /images/20221022/7b94c697b49c41838189059d86ebffa5.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxMTUzNDcxNTAz_size_16_color_FFFFFF_t_70 9]: /images/20221022/fff66f6357be4fabbd83641bcb72a5e3.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxMTUzNDcxNTAz_size_16_color_FFFFFF_t_70 10]: /images/20221022/df435a4d78274005b42afa175fd15ff7.png
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