连接外部世界STM32单片机USB通信：数据交互的桥梁

# 1. STM32单片机USB通信概述

STM32单片机内置USB外设，支持USB通信功能。USB（通用串行总线）是一种广泛使用的通信协议，用于连接计算机、外围设备和嵌入式系统。STM32单片机USB通信具有以下特点：

- **高带宽：**USB 2.0支持高达480Mbps的数据传输速率。
- **即插即用：**设备可以轻松连接和断开，无需重新启动系统。
- **低功耗：**USB设备可以从总线获取电源，降低功耗。

# 2. USB通信理论基础

### 2.1 USB协议详解

#### 2.1.1 USB总线架构

USB（通用串行总线）是一种串行通信总线，用于在计算机和外围设备之间传输数据。USB总线采用星形拓扑结构，其中一个主机控制器连接到多个设备。

**USB总线架构图：**

graph LR
subgraph 主机控制器
    A[主机控制器]
end
subgraph 设备
    B[设备 1]
    C[设备 2]
    D[设备 3]
end
A --> B
A --> C
A --> D

**主机控制器：**
* 控制USB总线上的数据流
* 为设备提供电源和时钟信号

**设备：**
* 连接到主机控制器
* 可以是键盘、鼠标、打印机等各种外围设备

#### 2.1.2 USB数据传输模式

USB总线支持以下三种数据传输模式：

| 模式 | 描述 |
|---|---|
| 控制传输 | 用于设备枚举、配置和控制 |
| 批量传输 | 用于大数据块的传输，提供可靠性保证 |
| 中断传输 | 用于传输少量数据，具有低延迟 |
| 同步传输 | 用于传输需要保证时序的数据，如音频和视频 |

### 2.2 STM32单片机USB外设介绍

#### 2.2.1 USB外设寄存器结构

STM32单片机USB外设包括以下主要寄存器：

| 寄存器 | 描述 |
|---|---|
| USB_CNTR | USB控制器寄存器 |
| USB_ISTR | USB中断状态寄存器 |
| USB_FNR | USB帧号寄存器 |
| USB_DADDR | USB设备地址寄存器 |
| USB_BTABLE | USB缓冲表寄存器 |
| USB_EPxR | USB端点寄存器（x = 0-15） |

#### 2.2.2 USB外设中断机制

USB外设支持以下中断：

| 中断 | 描述 |
|---|---|
| USB_IRQ_EPx_RX | 端点 x 接收中断 |
| USB_IRQ_EPx_TX | 端点 x 发送中断 |
| USB_IRQ_CTR | 控制传输中断 |
| USB_IRQ_SOF | 帧开始中断 |
| USB_IRQ_WKUP | 唤醒中断 |
| USB_IRQ_SUSP | 挂起中断 |
| USB_IRQ_RST | 复位中断 |

# 3. USB通信实践应用

### 3.1 USB设备驱动开发

#### 3.1.1 USB设备描述符

USB设备描述符是描述USB设备的基本信息，包括：

- **设备描述符：**描述设备的通用信息，如供应商ID、产品ID、设备版本等。
- **配置描述符：**描述设备支持的配置，包括端点配置。
- **接口描述符：**描述设备的接口，包括端点配置。
- **端点描述符：**描述设备的端点，包括端点类型、传输类型、最大数据包大小等。

#### 3.1.2 USB设备端点配置

USB设备端点是设备与主机通信的通道，可以分为以下类型：

- **控制端点：**用于设备与主机进行控制传输，如枚举、配置等。
- **中断端点：**用于设备周期性向主机发送数据，如键盘输入。
- **批量端点：**用于设备与主机进行批量数据传输，如文件传输。
- **同步端点：**用于设备与主机进行同步数据传输，如音频或视频流。

设备端点配置包括：

- **端点地址：**指定端点的方向和编号。
- **端点类型：**指定端点的类型。
- **最大数据包大小：**指定端点一次传输的最大数据量。
- **轮询间隔：**指定中断端点发送数据的频率。

### 3.2 USB主机驱动开发

#### 3.2.1 USB主机枚举过程

USB主机枚举过程是主机识别和配置USB设备的过程，包括以下步骤：

- **设备检测：**主机检测到有新设备连接。
- **设备复位：**主机向设备发送复位信号。
- **设备枚举：**主机向设备发送枚举请求，获取设备描述符。
- **设备配置：**主机根据设备描述符配置设备，包括选择配置、设置端点等。

#### 3.2.2 USB主机数据传输

USB主机数据传输可以通过以下方式进行：

- **控制传输：**用于设备与主机进行控制传输，如枚举、配置等。
- **中断传输：**用于主机从设备接收数据，如键盘输入。
- **批量传输：**用于主机与设备进行批量数据传输，如文件传输。
- **同步传输：**用于主机与设备进行同步数据传输，如音频或视频流。

主机数据传输配置包括：

- **端点地址：**指定端点的方向和编号。
- **传输类型：**指定传输的类型。
- **数据包大小：**指定一次传输的数据量。
- **传输间隔：**指定中断传输的频率。

# 4. USB通信高级应用

### 4.1 USB复合设备开发

**4.1.1 复合设备描述符**

复合