USB 之 STM32 基础（六）

来源：公众号【鱼鹰谈单片机】

作者：鱼鹰Osprey

ID ：emOsprey

本篇笔记主要介绍 STM32 相关的知识点，毕竟之后的 CDC 教程是用 STM32开发的。

为了写这一篇，鱼鹰把STM32中文参考手册USB相关的从头到尾看了一遍，虽然以前就已经看过了，但这次看，收获又是不同。

不过限于篇幅，鱼鹰不会面面俱到，只介绍和 CDC 相关的一些东西。

要完成 USB 模拟串口（CDC）的实验，STM32 手册是必须细细阅读的，不然代码里面很多操作你是无法看懂的。

其实理解了前面的一些东西，你会发现 STM32 中的 USB 知识和前面的大同小异，毕竟开发芯片的厂家也是按照 USB 标准来实现的，不会差到哪里去。

硬件基础

首先，STM32F103 使用 PA11（USBDM，D-）和PA12（USBDP，D+）完成数据的收发。但看过前面章节的道友应该知道，全速 USB 在 D+ 引脚是需要有一个上拉电阻的，同时两根数据线需要各自串联一个 22 Ω的电阻。

这就是你需要的硬件基础，如果说你的开发板有 USB 接口，但是没有这些条件，那么你的 USB 接口只能用于供电，无法进行数据传输。

当然，STM32F103的速度为全速 12 Mbit，换算成字节为 1.5 MB，除去 USB 协议的开销（令牌、打包等），大概能达到 1 MB/s 速度。

鱼鹰在测试给各位道友的 CDC 例程发现只能达到100 KB 左右，原以为是主机没有及时发送令牌包导致带宽很低，后来发现 USB 设备发出的数据包只有几个字节，而不是最大包 64B，才知道是发送的数据太少了，后来增加发送的数据量（一次往缓冲多写几百个字节），带宽达到了 400~700KB，但离 1MB 还差了点。

通过逻辑分析仪查看才知道，主机发送 IN令牌包时，设备有可能还没准备好，浪费了带宽，不过在看 STM32 资料中发现，对于批量传输（CDC使用批量传输），可以使用双缓冲提高传输量，估计用了双缓冲，传输速率能达到 1MB/s，比串口的 115200 Bit/s 快的多，也稳定的多，毕竟人家可是自带了 CRC 校验和数据重传功能的。

软件基础

现在看一看 STM32F103 的USB有哪些功能

第一点，支持 USB2.0 全速，而不是2.0高速 480Mbit/s。

有 1~8 个（双向）端点，这是能完成组合设备的基础，按照 CDC + DAP 组合设备来说，一共需要 1（控制传输）+ 2（CDC）+1（HID） = 4 个端点的，更不要说再模拟一个 U盘了。

CRC、NRZI编解码，这个可以让你不必关心每一位是什么情况，你只需要处理底层给你的字节数据即可。

支持双缓冲，最大程度的利用 USB的带宽。

支持USB挂起和恢复操作，其实还支持设备远程唤醒操作，即由设备发起唤醒请求（比如鼠标移动后唤醒设备）。

后面有一个注意点，就是 USB 和 CAN 共用 512 字节的缓存，也就是说同一时刻只能有一个外设可以工作，当然你可以通过软件在不同时刻使用不同的外设。

可以看看 USB 设备框图，了解一下 USB 是由哪些结构组成的。

为了实现 USB 通信，有以下基础步骤需要完成：

1、打开 Port A 的外设时钟（PA11和PA12）

2、打开 USB 时钟（其实还需要设置 USB 时钟频率，一般 SystemInit 会替你完成，当USB时钟打开后， PA11 和 PA12 引脚由 USB 接管，不归 GPIO 控制）。

3、打开相应中断（一共有三个中断）

低优先级中断是我们主要关注的，因为USB枚举过程就在这个中断完成，所以这个中断必须开启，其他两个就看需求了。

4、配置 USB 寄存器，使 USB可以正常工作。

5、之后所有的操作都在低优先级中断进行（包括复位、枚举、SOF检测等）。

以上步骤具体可以看鱼鹰提供的例程实现，不再多说。

USB 寄存器

USB 中有三类寄存器：端点寄存器、通用寄存器、缓冲区描述表，再加上和描述表对应的缓冲区（数据收发缓存区，USB所有的数据传输都首先要经过这里），我们要做的就是在合适的时候对这些寄存器进行相应的操作即可。

地址 0x 0x4000 5C00 开始为端点寄存器，因为有8个（双向）端点，所以有8个寄存器管理。

之后的寄存器为通用寄存器，用于管理整个 USB 模块的，具体可查看参考手册。

以上寄存器有些位很特殊，比如可能写0有效，写 1 无效，所以有如下要求：

所以以往的读-改-写不能在这里使用，不然你这边读回了0，但是硬件修改了变成1，如果往回写 0 ，那么就把硬件设置的1 清除了，肯定会有影响，所以针对这种位，需要对不操作的位设置为 1 ，这样就不会意外修改了。

还有可能写1翻转，写0无效，这时你会发现代码中使用异或（^）来设置需要的位，非常巧妙。

总之，在学习 USB 过程中，可以锻炼你的位操作能力。

上述两类寄存器在参考手册其实是比较详尽的，但缓冲区描述表（描述表的作用就是描述端点发送和接收缓存区的地址和大小）就显得晦涩难懂了，所以这里详细说一下缓冲区描述表（以下表述可能有问题，需要各位自行验证）。

首先，描述表的地址在0x4000 6000，也就是说前面所说的 512 Byte 的基地址。但是按照参考手册中的描述来看，这个空间大小应该是 512 Byte * 2，这是因为 USB模块寻址采用 16 位寻址的，而应用程序使用 32位寻址，也就是说，按照我们的软件角度，空间分布应该是这样的：

低地址的两个字节可以被我们访问（有颜色部分），高地址的两个字节不可访问（但是按照双缓冲描述来看，好像可以访问到，以后在验证一下）。

所以地址范围应该有 1 KB的空间，但只有一半是可以使用的。

还有一点就是这块空间不仅用于存放 USB 传输的数据，还用来存放缓存区描述表，这个缓冲区描述表可以在这块空间的任何一个位置（上图在缓冲区的最开始位置），只要满足 8 字节对齐即可，毕竟一个端点需要 16 字节记录（这里可能会感到疑惑，为什么一个端点16字节，但却是 8 字节对齐，这就是 16 位和 32 访问的区别，在USB寄存器中，USB模块通过 16 位访问，所以寄存器里面的值都是按照 16 位来保存偏移的）。

这个表的基地址存放在 USB_BTABLE 寄存器中，一般设置为 0，表示这个表放在上述空间的开始处。

根据需要，依次安排描述表。比如 CDC 有三个端点，前 16 个字节安排端点 0，负责描述发送缓存区的地址和大小，接收缓存区的地址和大小（防止接收时溢出）

端点 1 和端点 2 供 CDC 使用，占用32 字节。所以前48字节被描述表占用了，剩下的（1024 – 48）/ 2 就是数据缓冲区了。比如将端点 0 的发送缓冲区地址指向 0x18（相对地址0x4000 6000偏移，16位访问），大小为 64字节，端点0的接收缓存区指向 0x58（寄存器USB_ADDR0_RX写入的值，16位访问），大小为 64 字节（注意这里的值为 16位寻址，即 USB 模块的寻址，和应用层32位寻址不同，两者之间需要转化）。

按理应该像上面分布空间的，但实际上你会发现分布如下：

那么是否可以将端点 0 的缓存地址安排在 0x40006030 位置（即USB_ADDR0_TX值为 0x18 而不是上图的0x30呢），而不是 0x40006060 呢，这样就不会浪费那些空间了。

因为这个改动会较大，感兴趣的可以尝试一下。

当USB 模块写入端点 0 的数据时，首先根据 USB_BTABLE 的值找到描述表的位置，然后再根据描述表第一个表项的 USB_ADDR0_RX 找到接收缓冲区的地址，最后写入数据（写入过程中会判断是否超出限制，防止破坏其他缓冲区，这个通过 USB_COUNT0_Rx 判断），

当应用程序进行读取上述地址的数据时，因为采用了 32 位访问，所以对USB_BTABLE 和 USB_ADDR0_RX偏移地址x2，这样就可以找到我们需要的缓存地址，从而读取到主机发给设备的数据，然后进行相应的处理。

设备发送同理。

具体实现可参考鱼鹰给出的源代码。

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