STM32F103ZET6 USB通信全解


参考资源链接：[STM32F103ZET6原理图](https://wenku.csdn.net/doc/646c29ead12cbe7ec3e3a640?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. STM32F103ZET6基础介绍

STM32F103ZET6是ST公司生产的一款高性能微控制器（MCU），基于ARM Cortex-M3内核，广泛应用于嵌入式系统开发领域。这款芯片具有丰富的外设接口，如USB、USART、CAN等，使其成为实现复杂应用的理想选择。在深入探讨其USB通信功能前，了解其基本特性是必不可少的。

## 1.1 STM32F103ZET6概述

STM32F103ZET6以其高运算速度、低功耗以及丰富的集成资源在市场上备受欢迎。其工作频率可达72MHz，具备高达512KB的闪存和64KB的RAM，支持广泛的应用场景。

## 1.2 核心特性

核心特性包括：

- ARM Cortex-M3 32位RISC内核，运行频率为72MHz。
- 提供多达112个I/O端口，支持复用功能。
- 内置高达2MB的闪存，以及高达128KB的SRAM。

了解这些基础信息后，我们可以进一步深入探讨STM32F103ZET6在USB通信方面的独特应用和配置。

# 2. STM32F103ZET6 USB通信理论基础

### 2.1 USB通信标准概述
#### 2.1.1 USB的历史和版本发展

通用串行总线（USB）技术自20世纪90年代中期问世以来，已经成为个人电脑和消费电子设备间连接的事实标准。它的初始设计目标是为了简化连接器和电缆的复杂性，同时提高传输速度。USB经历了多个版本的迭代，每个新版本都带来了速度的提升和功能的增强。

- USB 1.0和1.1：初始版本，支持1.5 Mbps和12 Mbps的数据传输速率。
- USB 2.0：增加了高速模式，最高传输速率达480 Mbps。
- USB 3.0：也称为USB SuperSpeed，传输速率提升至5 Gbps。
- USB 3.1：进一步提升速度至10 Gbps，被称为USB SuperSpeed+。
- USB4：最高传输速率可达40 Gbps，并且支持多种数据和显示协议。

#### 2.1.2 USB通信协议的基本原理

USB协议是一系列标准的集合，用以规定如何通过USB接口进行通信。它涉及了硬件设计、电气特性、数据传输协议和接口定义等多个方面。USB通信协议基于主机-设备架构，其中主机负责管理数据流，设备则响应主机请求。

协议中关键概念包括：
- **端点（Endpoint）**：设备上的一个通信通道，可以是输入或输出。
- **管道（Pipe）**：主机和特定端点之间的逻辑连接，用于数据传输。
- **事务（Transaction）**：完成特定数据传输的单位，包括令牌包、数据包和握手包。
- **事务类型**：分为控制传输、批量传输、中断传输和同步传输（Isochronous）。

### 2.2 STM32F103ZET6的USB硬件特性

#### 2.2.1 STM32F103ZET6的USB模块架构

STM32F103ZET6的USB模块提供了USB 2.0全速接口，可用于设备和主机通信。该模块集成了必要的硬件电路，如收发器和串行接口引擎（SIE），使其能够以硬件加速的方式处理USB协议的数据包。STM32的USB模块通过其外设总线进行控制和数据交换，增强了处理效率。

关键特性包括：
- 兼容USB 2.0全速规范。
- 支持设备和主机模式。
- 内置RAM用于USB缓冲区。
- 支持全速和低速传输。
- 支持多种USB类，例如HID、Mass Storage、CDC等。

#### 2.2.2 USB设备与主机模式的区别与选择

STM32F103ZET6支持的USB通信可以是设备模式、主机模式或者双模模式（OTG），用户可以根据应用场景选择最合适的模式：

- **设备模式**：STM32作为从设备，通过USB线连接到主机（比如PC），并响应主机的请求。
- **主机模式**：STM32作为主设备，能够枚举连接的USB设备，并发起数据传输。
- **OTG模式**：允许两个USB设备如PC和STM32之间直接通信。

通常，选择哪一种模式取决于你的应用需求。如果你需要将STM32F103ZET6连接到PC并进行数据交换，设备模式更为合适。如果你需要让STM32F103ZET6作为中心控制器，管理多个USB设备之间的通信，则应选择主机模式。

### 2.3 USB通信的软件层设计

#### 2.3.1 USB驱动程序的作用和层次结构

在USB通信中，驱动程序扮演着至关重要的角色。它的主要作用是作为硬件和操作系统之间的一座桥梁，负责管理USB设备的枚举、配置、数据传输和错误处理。

USB驱动程序通常分为几个层次，包括：

- **USB核心**：负责管理USB总线上的所有通信，实现通用的USB协议。
- **USB类驱动**：如HID、Mass Storage类，处理特定类设备的数据交换。
- **USB函数驱动**：管理特定的USB设备或USB控制器硬件。

这种分层结构使得USB驱动的开发更为模块化和可维护。STM32F103ZET6的USB库和固件框架按照这种分层结构设计，简化了开发过程。

#### 2.3.2 STM32F103ZET6的USB库和固件框架

STM32F103ZET6的固件库（Standard Peripheral Libraries）和硬件抽象层库（HAL）为USB通信提供了丰富的API和示例代码。开发者可以利用这些库函数轻松实现USB设备或主机的功能。

- **固件库**：提供直接访问硬件寄存器的底层接口，适合对性能要求极高的应用。
- **HAL库**：提供硬件抽象层，更简洁、易于维护，适合大多数应用。

以设备模式为例，库函数可以处理USB设备的初始化、描述符配置、端点初始化、数据传输等功能。通过调用这些API，开发者无需深入理解USB协议的复杂细节，就能快速实现USB通信功能。

/* 初始化USB设备库，准备设备模式的使用 */
USBD_Init(&hUsbDeviceFS, &FS_Desc, DEVICE_FS);

/* 配置USB设备的端点 */
USBD_RegisterClass(&hUsbDeviceFS, &USBD_HID);

/* 启动USB设备 */
USBD_Start(&hUsbDeviceFS);

上述代码示例展示了如何使用STM32的USB库初始化设备并注册HID类驱动。每行代码都对应了初始化过程中的一个步骤，详细注释说明了每一行代码的执行逻辑和目的。

# 3. STM32F103ZET6 USB通信实践开发

## 3.1 USB通信开发环境搭建

### 3.1.1 开发工具和软件准备

在进行STM32F103ZET6的USB通信实践开发之前，开发环境的搭建是首要任务。首先，需要准备好一系列的软件工具，它们是完成USB通信项目的基础。这些工具包括但不限于：

- **Keil MDK-ARM**：用于编写、编译和调试STM32F103ZET6项目的集成开发环境（IDE）。Keil MDK-ARM提供了丰富的库文件和丰富的调试功能，非常适合进行嵌入式系统的开发。
- **STM32CubeMX**：一个图形化配置工具，能够根据用户的选择生成初始化代码。它能够大大减少配置微控制器的复杂性，加速开发过程。
- **STM32 USB-FS-Device** 和 **STM32 USB-FS-Host** 固件库：这些库为USB设备和主机模式下的通信提供了必要的函数和数据结构。它们是与USB硬件模块交互的关键。
- **驱动程序**：对于USB通信，可能需要安装特定的USB驱动程序，以便微控制器能够被识别为USB设备或主机。

此外，确保操作系统具有最新的更新，以及所有相关软件都是最新版本，这样可以避免兼容性问题。

### 3.1.2 硬件连接和调试工具配置

除了软件准备之外，还需要准备好硬件工具，这包括：

- **STM32F103ZET6开发板**：这是实践USB通信的基础硬件平台。
- **USB线缆**：用于连接开发板与主机计算机，实现设备端与PC之间的通信。
- **调试器/编程器**：例如ST-Link，用于将程序下载到开发板以及调试。

在硬件连接方面，确保所有连接正确无误，尤其是USB的连接，不同模式下（设备模式或主机模式）的连接方式可能不同。调试器应与计算机正确连接，并且在Keil MDK-ARM中正确配置。

接下来配置Keil MDK-ARM中的调试器和编程器设置，确保能够正确地与微控制器通信。

## 3.2 STM32F103ZET6 USB设备端程序实现

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