STM32F105 USB设备类驱动：7大开发技巧大公开


# 摘要
本文深入探讨了STM32F105微控制器在USB设备类驱动开发中的应用，涵盖了USB协议基础、硬件接口特性、软件架构以及开发与调试技巧。文章首先概述了USB设备类驱动的理论基础，接着详细介绍了STM32F105在不同USB设备类驱动开发中的具体技巧，包括CDC通信类、HID人机接口类以及自定义类驱动的设计与实现。之后，通过实战演练章节，本文提供了实际应用案例，展示了配置、编译和测试各类型USB设备驱动的过程。最后，文章展望了性能优化、调试方法以及未来STM32 USB生态和高级技术的发展方向。本文旨在为工程师提供一个全面的技术参考资料，帮助他们更好地理解和运用STM32F105在USB设备类驱动开发中的潜力。

# 关键字
STM32F105；USB设备驱动；通信类驱动；人机接口驱动；性能优化；高级开发技术

参考资源链接：[STM32F105实现USB-BULK传输详细教程](https://wenku.csdn.net/doc/64607470543f8444888e2325?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. STM32F105 USB设备类驱动概述

随着物联网和嵌入式系统的发展，STM32F105作为一款常用的微控制器，其在USB通信领域的应用日益广泛。本章旨在为读者提供STM32F105 USB设备类驱动的一个全面概览，介绍其功能、应用范围以及开发USB设备类驱动的重要性。

## 1.1 USB设备类驱动的作用

STM32F105 USB设备类驱动是一种软件组件，用于实现USB设备与宿主机之间的通信协议。通过定义一组标准的接口，这些驱动允许STM32F105与其他USB设备（如键盘、鼠标、打印机、通信设备等）进行数据交换。它屏蔽了底层USB通信的复杂性，使得开发者可以专注于应用层的开发。

## 1.2 STM32F105在USB设备中的角色

STM32F105作为USB设备，扮演着多种角色。它既可以作为USB全速设备进行通信，也支持USB高速模式。此外，它还能作为USB设备类的承载者，例如可以实现虚拟串口（VCP），使得STM32F105能与PC等设备进行串口通信。

在接下来的章节中，我们将深入探讨USB设备类驱动的理论基础、开发技巧、实战演练以及性能优化与调试。为读者提供一个全面的开发指南，旨在帮助读者能够快速上手STM32F105 USB设备类驱动的开发与应用。

# 2. USB设备类驱动的理论基础

## 2.1 USB协议和设备类驱动架构

### 2.1.1 USB标准协议解析

USB（Universal Serial Bus）是一种通用串行总线标准，用于将计算机、外围设备和移动设备连接在一起。其特点在于即插即用、热插拔、设备类型丰富、连接方便等。USB协议定义了四种传输类型：控制传输、批量传输、中断传输和同步传输，每种传输类型都有其特定的应用场景。

- **控制传输** 通常用于设备初始化和命令/状态传输，如键盘和鼠标的设备请求。
- **批量传输** 用于大量数据的传输，例如打印机和扫描仪的数据传输。
- **中断传输** 用于小型、定时的数据交换，例如键盘和鼠标的数据交换。
- **同步传输** 主要用于音频、视频等对时间敏感的数据流传输。

USB设备类驱动的工作是在USB协议的基础上，处理好设备和主机之间的通信，并按照设备类的标准来实现具体的数据传输和设备控制功能。

### 2.1.2 设备类驱动的角色和功能

USB设备类驱动是位于USB协议栈和具体设备驱动之间的一层软件，主要角色和功能包括：

- **设备抽象**：隐藏了USB通信的复杂性，为上层应用程序提供简洁的API接口。
- **协议封装**：实现设备特定协议的封装，使得开发者无需深入了解USB协议细节。
- **数据传输管理**：负责管理USB的四种传输类型，并执行数据的发送和接收。
- **设备状态管理**：管理USB设备的配置、挂起/恢复操作以及电源管理。

## 2.2 STM32F105 USB硬件接口特性

### 2.2.1 STM32F105 USB外设概述

STM32F105是ST公司生产的一款基于ARM Cortex-M3内核的高性能微控制器，它集成了全速USB设备/主机/OTG（On-The-Go）接口。USB OTG特性允许STM32F105支持USB设备之间的直接通信，无需通过主机桥接。

USB外设模块的主要功能特性包括：

- USB 2.0全速设备核心功能
- 支持USB设备、USB主机、USB OTG模式
- 支持USB设备类驱动，如HID、CDC、Mass Storage等
- 支持所有USB标准设备请求
- 提供专用的USB中断和缓冲区

### 2.2.2 USB接口的硬件配置

在硬件层面，STM32F105通过其USB接口连接外部USB设备时，需要进行一些基本的硬件配置。这包括：

- 电源管理：提供USB设备所需的5V电源。
- 数据线配置：确保D+和D-数据线连接正确。
- 终端电阻匹配：USB数据线上的终端电阻用于匹配阻抗，减少信号反射。
- 硬件流控制：如果需要，配置USB设备的硬件流控制信号。

在软件层面，STM32F105使用其内置的固件库来简化USB设备的配置和编程。用户需要进行的配置包括：

- USB设备枚举过程中的处理，包括设备速度的检测、设备类的选择等。
- USB标准设备请求的处理，如设备的获取和设置描述符、设置配置、端点的打开和关闭等。
- 用户定义的设备请求处理，通过在固件库中注册回调函数来实现。

// 示例代码：初始化USB硬件
void USB Device_Init(void)
{
    // 代码逻辑...
    // 1. 初始化USB设备核心
    // 2. 配置USB设备时钟
    // 3. 配置USB设备中断
    // 4. 配置端点
    // 5. 启动USB设备枚举过程
}

## 2.3 USB设备类驱动的软件架构

### 2.3.1 STM32F105固件库的USB模块

STM32F105的固件库为开发者提供了丰富的USB设备类驱动代码，简化了设备开发过程。软件架构中，USB模块是一个关键部分，包括了如下子模块：

- USB核心层（Core）：负责与USB硬件接口的交互，实现标准的USB设备请求处理。
- 设备类层（Class）：提供了一系列设备类驱动框架，如HID、CDC、Mass Storage等。
- 用户定义层（User）：允许用户添加自定义的设备请求处理逻辑和类驱动实现。

### 2.3.2 USB设备类驱动的软件层次结构

USB设备类驱动的软件层次结构可以划分为以下几层：

- **设备层**：与硬件接口最接近的一层，负责端点的配置、USB请求的响应、设备状态的管理等。
- **类驱动层**：根据USB设备类规范实现的功能层，如HID类提供键盘、鼠标等功能；CDC类实现串口通信等。
- **应用层**：与用户程序接口的一层，提供了更加面向应用的API，用于数据传输和设备控制。

// USB设备类驱动层次结构的示例代码
typedef struct
{
    USB_Class_cb   USB_ClassCb;    // 类驱动的回调函数
    USB_App_cb     USB_AppCb;      // 应用层的回调函数
    void*          pClassData;     // 类驱动专用数据区
    void*          pAppData;       // 应用专用数据区
} USB_Class_t;

以上代码结构定义了USB类驱动的核心结构体，其中包含了类驱动的回调函数和应用层的回调函数以及各自的数据区。回调函数允许类驱动和应用层处理各种USB事件和数据传输。

# 3. STM32F105 USB设备类驱动开发技巧

## 3.1 驱动开发的准备工作

### 3.1.1 环境搭建和工具链选择

在开始STM32F105 USB设备类驱动的开发之前，首先需要对开发环境和工具链进行选择和搭建。一套适合的开发环境和工具链对于保证开发效率和代码质量至关重要。

首先，推荐使用Keil MDK-ARM作为开发IDE。Keil MDK是针对ARM处理器的业界领先开发环境，提供了强大的调试和分析工具，且对STM32系列微控制器有着完美的支持。

接下来，确保安装有STM32F105系列的固件库。固件库为开发者提供了一系列的函数和宏定义，有助于简化USB通信的处理过程，同时增强了代码的可移植性和可维护性。

此外，开发者还需选择合适的编译器。GCC编译器是一个不错的选择，特别是在开源和跨平台项目中，GCC的稳定性和兼容性都非常优秀。

最后，安装并配置好串口调试助手和USB分析仪，这些硬件工具对于进行设备调试和数据监测至关重要。

### 3.1.2 USB描述符和设备请求解析

理解USB设备的描述符以及如何解析设备请求是开发USB设备类驱动的基础。USB描述符是一个数据结构，用于描述USB设备的特性，如设备类、协议等。每个USB设备都至少有一个设备描述符，此外还可能包括配置描述符、接口描述符、端点描述符等。

设备请求（Device Request）是USB主机发给设备的一组标准请求，用于获取设备信息、配置设备和管理设备行为。开发时需要对这些请求进行解析，以便正确处理。

在STM32F105 USB设备类驱动开发中，需要通过固件库提供的API来解析这些描述符和请求。例如，使用`USB_GetDescriptor()`函数来获取描述符，使用`USB_StandardDeviceRequest()`函数来处理标准设备请求。

解析这些描述符和请求时，开发者需要熟悉USB标准协议，这样才能正确处理不同类型的描述符以及对设备的不同请求做出正确的响应。

// 示例代码：获取设备描述符
uint8_t devDescr[18]; // 设备描述符的最大长度为18字节
USB_GetDescriptor(USB_REQ_TYPE_STANDARD | USB_REQ_TYPE_DEVICE, 
                  USB_REQ_TOKEN_IN, USB_DESCR_DEVICE, 0, 0, devDescr, 18);
// 解析获取到的设备描述符
// ...

在上述代码示例中，通过`USB_GetDes