STM32F407 USB接口编程：打造高性能USB设备的必学技巧


参考资源链接：[STM32F407中文手册(完全版) 高清完整.pdf](https://wenku.csdn.net/doc/6401aba5cce7214c316e8fc8?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. STM32F407 USB接口编程基础

## 1.1 开发环境与工具链搭建
在本章节中，我们将探讨如何为STM32F407的USB接口编程搭建合适的开发环境和工具链。首先，必须确保安装了以下软件：

- **Keil MDK-ARM**：用于ARM Cortex-M系列微控制器的集成开发环境，非常适合STM32F407。
- **STM32CubeMX**：ST公司提供的图形化配置工具，有助于初始化代码的生成和配置。
- **ST-Link驱动程序**：连接STM32F407与PC，实现代码下载和调试。

硬件方面，你需要一个ST-Link调试器以及一块含有STM32F407微控制器的开发板。

## 1.2 USB协议简介
### 1.2.1 USB的通信原理与架构
USB（通用串行总线）是一种广泛使用的接口，用于连接计算机和各种外围设备。其通信原理基于“主从”架构，其中计算机担任主机（Host），外围设备为从机（Device）。在USB 2.0标准中，它支持四个数据速率：低速（1.5 Mbps）、全速（12 Mbps）、高速（480 Mbps）和超高速（5 Gbps）在USB 3.0中。

架构上，USB系统由几个基本组件构成：USB主机（Host），USB集线器（Hub），以及USB设备（Device）。数据在主机和设备之间双向传输，通过一系列的管道（Pipe）和端点（Endpoint）进行管理。

### 1.2.2 USB标准设备请求与枚举过程
USB设备的通信建立在一套标准设备请求之上，它们定义了一系列用于获取设备信息、设置和获取配置等操作的标准命令。当USB设备首次连接到主机时，系统会启动一个称为“枚举”的过程。枚举是识别、配置新连接设备的过程，包括以下几个步骤：

1. **地址分配**：主机为新设备分配一个唯一的地址。
2. **设备类型确认**：主机查询设备，以确认其类型（如HID、Mass Storage等）。
3. **配置和接口选择**：主机根据设备类型和功能选择合适的配置和接口。
4. **设备驱动加载**：如果需要，主机加载对应的设备驱动。

通过这些步骤，USB设备被正确配置，并准备进行数据交换。

## 1.3 STM32F407的USB接口特性
### 1.3.1 硬件支持与寄存器配置
STM32F407拥有全速和高速的USB设备（FS）和主机（HS）功能，提供了多种端点（包括控制、批量、中断和同步传输端点）来满足不同的USB通信需求。在编程时，需要通过配置特定的寄存器来激活USB功能，并设置端点参数，例如缓冲区大小、传输类型和频率等。

### 1.3.2 芯片固件库与USB核心层
为了简化USB接口编程，STM32F407提供了硬件抽象层（HAL）库和USB核心库。HAL库提供了底层硬件访问的抽象接口，而USB核心库则提供了实现USB设备和主机功能的高层API。使用这些库，开发者可以更加专注于应用层的逻辑实现，而不是底层硬件细节。

在接下来的章节中，我们将深入探讨如何使用STM32F407的USB接口进行设备编程，并实现基本的USB数据传输。

# 2. 深入理解USB协议及其在STM32F407上的实现

## 2.1 USB协议简介

### 2.1.1 USB的通信原理与架构
USB（通用串行总线）是一种在计算机和电子设备间广泛使用的标准接口。其通信原理基于主从架构，其中主机（Host）控制总线上的数据流，设备（Device）响应主机请求。USB的架构设计简化了设备连接和数据交换过程，允许设备热插拔。

USB的协议栈可以分为四个层次：物理层（负责信号的发送和接收）、数据链路层（处理错误检测和纠正）、传输层（管理端点数据传输）和应用层（定义设备类规范，如HID、Mass Storage等）。数据在USB总线上以事务（Transaction）的形式进行传输，每个事务包括令牌包、数据包和握手包三个阶段。

### 2.1.2 USB标准设备请求与枚举过程
当USB设备连接到主机时，主机通过一系列的标准设备请求来枚举（识别和配置）该设备。枚举过程首先由主机发起端点0（默认控制端点）的设备描述符请求开始。设备随后响应，提供其描述符信息。

整个枚举过程包含几个关键步骤：

1. 地址分配：主机分配一个唯一的地址给USB设备。
2. 设备描述符请求：主机请求设备的描述符信息，包括设备类型、支持的配置数量等。
3. 配置描述符请求：获取配置描述符以及与之相关的接口和端点描述符。
4. 设置配置：主机通过发送一个SET_CONFIGURATION请求来激活选定的设备配置。
5. 接口和端点激活：设备上的接口和端点根据配置开始运作。

## 2.2 STM32F407的USB接口特性

### 2.2.1 硬件支持与寄存器配置
STM32F407系列微控制器内置了全速和高速USB OTG（On-The-Go）功能，支持USB主机、设备和OTG模式。USB模块包含专用的SIE（串行接口引擎）用于处理USB协议栈中的底层事务。

在编程时，需要对一系列专用USB寄存器进行配置，以初始化USB接口。这包括：

- 设置USB控制寄存器（USBCR）来指定设备模式或主机模式。
- 配置USB核心的端点寄存器来管理端点缓冲区和传输类型。
- 设置USB中断寄存器（USBINTR）以启用所需的USB中断事件。

### 2.2.2 芯片固件库与USB核心层
为了简化USB编程，STM32提供了丰富的固件库，包括USB核心层的实现。核心层抽象了复杂的USB协议细节，提供了一组高级API来处理标准设备请求和数据传输。

开发者可以使用这些API来注册回调函数，响应USB事件，如设备连接、断开或数据传输。例如，注册一个回调来处理USB设备的配置完成事件：

void OTG_ABCallback(void *pPrivateInfrastructure, OTG_EVENT Event, void *pArg) {
    switch (Event) {
        case OTG_EVENT_ENUM_DONE:
            // 设备已成功枚举，现在可以开始数据传输
            break;
        // 其他事件处理
    }
}

## 2.3 USB设备模式与类驱动

### 2.3.1 设备模式下的端点与数据传输
在USB设备模式中，STM32F407可以配置多达16个端点，其中端点0用作控制传输，其他端点用于数据传输。端点可以根据传输需求配置为批量、中断或同步类型。

数据传输涉及以下几个步骤：

1. 端点初始化：根据所需的数据传输速率和类型配置端点。
2. 缓冲区管理：分配和管理数据缓冲区，以适应端点传输需求。
3. 数据包处理：构建和解析USB数据包，确保数据的正确性和完整性。
4. 数据传输：在端点上执行数据传输，并处理主机的传输请求。

### 2.3.2 USB类驱动概述及常用类驱动实例
USB类驱动是实现特定USB设备类功能的软件组件。STM32F407的固件库提供了多个常用的类驱动，例如HID类、大容量存储类等。

以HID类驱动为例，这是实现键盘、鼠标等输入设备的关键。它定义了标准的HID描述符，并实现了与主机通信的协议。当编写HID类驱动程序时，需要关注以下几个关键部分：

1. HID描述符的构建和配置。
2. 报告的生成和解析。
3. USB事件和HID事件的处理。
4. 与主机的交互逻辑，例如传输状态改变的通知。

以下是构建HID类设备的代码段：

// HID设备类初始化
HID_desc_t HID_desc = {
    .bLength = USB_HID_DESCSIZE,
    .bDescriptorType = USB_DESC_TYPE_HID,
    .bcdHID = 0x0111,
    .bCountryCode = 0x00,
    .bNumDescriptors = 1,
    .bDescriptorType_1 = USB_DESC_TYPE_HID_REPORT,
    .wDescriptorLength = REPORT_DESC_LENGTH
};

// 初始化并注册HID类驱动
USB_DeviceHidRegister(&HID_desc);

以上代码段展示了如何定义HID描述符并进行注册，为HID类设备的开发打下基础。

在本章节中，我们深入了解了USB协议的基本原理和架构，以及STM32F407微控制器上USB接口的硬件和软件特性。我们也探讨了设备模式下的端点配置和数据传输方法，以及如何利用STM32提供的固件库实现USB类驱动。这些知识点为后续章节中编写USB设备固件提供了坚实的基础。

# 3. STM32F407 USB设备编程实践

## 3.1 开发环境与工具链搭建

### 3.1.1 必备的软件和硬件工具

对于STM32F407的USB设备编程，合适的软件和硬件工具是进行有效开发的前提。硬件工具包括但不限于STM32F407开发板、USB线以及一些基础的电子测试仪器，如数字万用表和逻辑分析仪。这些硬件工具对于调试和测试USB设备的硬件连接至关重要。

在软件方面，首先需要安装的是Keil MDK-ARM，这是开发ARM Cortex-M微控制器的专用集成开发环境（IDE）。Keil提供了代码编辑器、编译器、调试器等工具，支持STM32F407的全系列芯片。其次，我们还需要安装STM32CubeMX软件，它是一个图形化工具，用于配置STM32微控制器的初始化代码，大大简化了开发者的配置任务。最后，为了编写USB通信相关的代码，开发者还需要安装USB协议栈，例如STM32Cube库中提供的USB Device 库，它包含了多个USB设备类的实现，能大幅减少开发周期。

安装并配置好这些软件后，开发者就可以开始编写USB设备固件，并将其烧录到STM32F407开发板中进行测试了。

### 3.1.2 使用STM32CubeMX进行配置初始化

STM32CubeMX是一个图形化配置工具，可以帮助开发者快速设置STM32的外设和系统配置。在进行USB设备编程时，可以利用此工具来配置相关的USB参数。具体步骤如下：

1. 打开STM32CubeMX，创建一个新项目，并选择相应的STM32F407微控制器型号。
2. 在“Pinout & Configuration”选项卡中，找到USB接口相关的引脚，将它们配置为USB接口功能。
3. 转到“Middleware”选项卡，选择需要的USB类驱动（例如HID、Mass Storage等），STM32CubeMX会自动添加相关的库文件和必要的初始化代码。
4. 配置完成后，点击“Project”菜单，设置项目名称、选择IDE（例如Keil uVision），并设置项目路径。
5. 点击“GENERATE CODE”，STM32CubeMX会在指定路径下生成初始化代码和项目文件。

通过上述步骤，开发者可以非常快速地设置好USB通信所需的硬件和软件环境，为后续的编程工作打下基础。

## 3.2 编写USB设备固件基础

### 3.2.1 初始化USB设备与描述符管理

编写USB设备固件的首要任务是初始化USB设备，并设置好所需的描述符。在STM32F407上，这通常包括设备描述符、配置描述符、接口描述符和端点描述符等。STM32CubeMX工具已经提供了初始化代码，但我们需要了解这些代码的工作原理，以便在需要时手动调整。

/* USB Device Core handle declaration. */
USBD_HandleTypeDef hUsbDeviceFS;

/* USB Standard Device Descriptor */
__ALIGN_BEGIN static uint8_t USBD_FS_DeviceDesc[USB_LEN_DEV_DESC] __ALI