STM32 USB相关知识扫盲

STM32 USB相关知识扫盲

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

https://blog.csdn.net/alien75/article/details/4622319

http://www.usbzh.com/

1、基础知识

等级划分：

接口类型：

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：

3、USB设备分类

类别详细描述在这里：https://www.usb.org/defined-class-codes。

看一个CDC虚拟串口的设备分类：

在看一个MSC的（模拟U盘）：

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：

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：

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：

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：

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

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。

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：

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：

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。

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