STM32F105 USB开发实战指南：掌握10项核心技能


# 摘要
本文详细介绍了STM32F105微控制器的USB开发流程，涵盖了从基础硬件特性、USB协议概念、开发环境配置到实际功能实现与进阶应用的全面内容。首先概述了STM32F105的基础知识，包括其核心架构、内存映射及引脚定义，以及USB协议的基本概念。接着，文章指导读者如何搭建开发环境，包括开发板和调试器的选择、软件配置及USB驱动程序的安装和调试。在功能开发实践中，探讨了USB设备端与主机端开发、数据传输机制和错误处理。最后，深入探讨了高级USB通信协议，电源管理与USB的集成，以及USB通信的安全特性和加密技术。本文旨在为开发者提供实用的STM32F105 USB开发指南，帮助他们高效地设计和实现稳定可靠的USB应用。

# 关键字
STM32F105；USB开发；内存映射；USB协议；电源管理；数据传输；加密技术

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开发概述

STM32F105系列微控制器，作为ST公司经典产品线中的中高端成员，因其丰富的外设接口、高性能处理能力及灵活的USB功能，深受工程师们的喜爱。在本章节中，我们将简要介绍STM32F105在USB开发领域的应用背景、优势及整体开发流程。通过本章的阅读，读者将对STM32F105系列微控制器在USB开发中的应用有一个初步的认识，并为后续章节的深入学习打下基础。

STM32F105的USB功能是其一大亮点。它集成了全速USB 2.0设备/主机/OTG功能，支持批量、中断和等时传输方式，能够与多种USB设备实现无缝连接，满足多种复杂的通信需求。对于希望为现有设备增加USB接口，或者开发USB相关新产品的工程师来说，STM32F105提供了一个非常实用的硬件平台。

在开始具体开发之前，了解STM32F105系列产品的硬件特性、USB协议的基础知识以及开发环境的搭建是必不可少的准备工作。这将帮助开发者高效地规划项目，并确保开发过程中能够顺利解决遇到的技术问题。接下来的章节将详细介绍这些关键点，为USB开发之旅做好全面的铺垫。

# 2. STM32F105 USB开发的基础知识

## 2.1 STM32F105的硬件特性

### 2.1.1 STM32F105的核心架构

STM32F105系列微控制器是基于ARM Cortex-M3处理器的高性能设备，具备丰富的外设接口和灵活的内存配置。核心架构中包含了系统时钟管理、中断控制器、电源管理以及多路复用I/O端口。Cortex-M3核心是一个32位的RISC处理器，具有出色的实时性能和效率，适合于处理复杂的实时应用。

flowchart LR
    Core[STM32F105核心架构]
    Core --> SysClk[系统时钟管理]
    Core --> IRQCtrl[中断控制器]
    Core --> PwrMgmt[电源管理]
    Core --> MuxIO[多路复用I/O]

该微控制器通过其核心架构，提供了一个用于USB通信的全速和高速功能的硬件支持。当设计USB通信功能时，核心架构的性能直接影响到数据传输的效率和实时性。

### 2.1.2 STM32F105的内存映射和引脚定义

内存映射对于微控制器的软件开发至关重要，STM32F105的内存映射包括了Flash存储器、SRAM以及外设寄存器的映射区域。这允许开发者在编程时能够有效地访问这些区域。

flowchart LR
    MemMap[STM32F105内存映射]
    MemMap --> Flash[Flash存储器]
    MemMap --> SRAM[SRAM]
    MemMap --> PerReg[外设寄存器]

STM32F105引脚定义的灵活性支持了广泛的应用需求，例如，其USB数据线和电源线可以通过特定的引脚进行配置。这使得在设计印刷电路板(PCB)时可以灵活选择布局，以适应不同的物理尺寸和性能要求。

| 引脚编号 | 功能描述       | 类型 | 备注         |
|----------|----------------|------|--------------|
| PA11     | USB_DM         | I/O  | USB数据负线  |
| PA12     | USB_DP         | I/O  | USB数据正线  |
| VDD      | USB电源(5V)    | PWR  | 连接外部电源 |
| GND      | 接地           | PWR  | 接地         |

## 2.2 USB协议的基本概念

### 2.2.1 USB协议简介

USB（通用串行总线）是一种广泛使用的连接标准，它允许连接各种设备，如打印机、键盘、鼠标、存储设备等。USB协议是一个分层的结构，包括设备层、接口层、配置层和端点层，以支持不同类型的数据传输和设备识别。

USB协议定义了四种不同的传输类型：

- 控制传输（Control Transfer）：用于设备的初始化和状态查询。
- 批量传输（Bulk Transfer）：用于大量的数据传输，如打印机和扫描仪。
- 中断传输（Interrupt Transfer）：用于周期性的少量数据传输，如键盘和游戏控制器。
- 实时传输（Isochronous Transfer）：用于实时数据流，如音频和视频。

### 2.2.2 USB通信模型和端点类型

USB通信模型基于主机和设备的交互模式。主机负责设备的枚举和管理，而设备则响应主机的请求。

USB设备通过端点进行通信，端点0是特殊端点，用于控制传输，用于设备的枚举过程。其他端点可以用于批量、中断或实时传输。

graph LR
    Host[主机]
    Dev[USB设备]
    Endp0[端点0]
    EndpX[端点X]

    Host -->|控制传输| Endp0
    Host -->|批量/中断/实时传输| EndpX
    Dev -->|响应控制传输| Endp0
    Dev -->|进行数据传输| EndpX

## 2.3 STM32F105的USB库和工具链

### 2.3.1 STM32 USB库的安装和配置

STM32的USB库是一个软件层，它简化了USB协议栈的实现。库的安装通常包括下载固件库文件、集成开发环境(IDE)的配置以及特定于USB的库文件。

1. 从ST官网下载最新的STM32 USB库。
2. 在你的IDE中，例如Keil uVision，创建一个新的工程。
3. 导入下载的USB库文件到你的工程目录。
4. 配置工程属性，确保包含了USB库的路径。

### 2.3.2 交叉编译工具链的选择和使用

交叉编译工具链是用来生成特定目标平台代码的编译器集合。对于STM32F105，常用的交叉编译工具链包括ARM Keil MDK、IAR Embedded Workbench以及开源工具链如GNU ARM Embedded Toolchain。

选择合适的工具链要考虑支持库的兼容性、性能优化以及开发者的熟悉程度。配置交叉编译环境时，需要设置编译器路径、链接器脚本和包含库路径。

1. 下载并安装ARM Keil MDK。
2. 配置工程设置，指定工具链路径。
3. 在工程中包含STM32 USB库头文件。
4. 设置链接脚本和优化选项。

正确安装和配置USB库及交叉编译工具链是开发STM32F105 USB通信应用的关键步骤。这将直接影响开发效率和最终产品的性能表现。

# 3. STM32F105 USB开发环境搭建

## 3.1 开发板和调试器选择

### 3.1.1 常用开发板和性能对比

在开始STM32F105的USB开发前，选择合适的开发板是基础。选择时需要考虑的因素包括：

- **处理器核心**：STM32F105系列微控制器基于Cortex-M3内核，因此开发板应支持此内核。
- **内存容量**：对于USB功能开发，足够的RAM和Flash存储是必要的，以便支持USB协议栈以及USB通信。
- **外设支持**：要进行USB开发，开发板必须提供USB接口。
- **扩展能力**：能够连接额外的传感器和模块以进行更复杂的开发。

市面上一些知名的STM32开发板包括：

- **STM32F105 Discovery**：提供了丰富的外设支持，包括USB接口，并且拥有一个模块化的硬件和软件生态系统。
- **Nucleo-F105RE**：它是由ST官方提供的中高端开发板，具有丰富的接口和Arduino兼容的扩展插槽。

### 3.1.2 调试器的安装和配置

调试器的选择也非常关键，因为它决定了开发的效率。最常用的调试器是ST-LINK，它可以通过USB直接连接到计算机。

安装ST-LINK调试器的过程通常包括：

1. 连接调试器到PC的USB端口。
2. 安装ST-LINK驱动程序。
3. 连接调试器和开发板。

对于ST-LINK驱动程序的安装，你可以从ST的官方网站下载最新的驱动安装包。根据你的操作系统（Windows、Linux或macOS）选择相应的安装包。

# 示例：在Windows下安装ST-LINK驱动的命令行
# 这个命令行是假定你已经下载了stlink驱动的安装程序并命名为"stlink_installer.exe"
stlink_installer.exe

安装完成后，你需要验证安装是否成功。可以在设备管理器中检查是否有ST-LINK的设备列出，并尝试连接到开发板进行通信。

## 3.2 开发环境的搭建

### 3.2.1 STM32CubeMX工具的使用

STM32CubeMX是一个图形化配置工具，它允许开发者通过图形界面配置MCU的硬件特性，并生成初始化代码。对于STM32F105 USB开发，CubeMX尤为重要，因为它简化了USB协议栈的配置过程。

使用STM32CubeMX的步骤如下：

1. 打开STM32CubeMX，选择"New Project"。
2. 在MCU/MPU Selector中选择你的STM32F105系列的MCU型号。
3. 配置所需的外设，对于USB，确保选择了USB Device或USB Host相关的选项。
4. 点击"Project"菜单，填写项目名称，选择项目路径和IDE（如Keil uVision、IAR等）。
5. 点击"Generate Code"，STM32CubeMX将根据你的配置生成代码。

使用STM32CubeMX的一个关键好处是它极大地减少了手动编写初始化代码的需要，从而加快了开发流程。

### 3.2.2 IDE的选择和配置（例如Keil uVision、IAR）

IDE（集成开发环境）是进行STM32F105 USB开发的重要工具。Keil uVision和IAR Embedded Workbench是STM32开发中常用的两个IDE。

配置IDE的步骤可能如下：

1. 安装IDE（假设已安装）。
2. 打开IDE，新建一个项目，并导入STM32CubeMX生成的代码。
3. 在IDE中配置项目设置，比如添加必要的库文件和路径。
4. 配置编译器选项，如优化级别和调试信息。
5. 选择并配置调试器，例如ST-LINK。

在Keil uVision中，配置过程可能看起来像这样：

1. 打开Keil uVision。
2. 选择"Project" > "New uVision Project..."。
3. 选择项目路径和名称，然后点击"Save"。
4. 在弹出的Device Database中选择你的STM32F105设备，然后点击"OK"。
5. 右键点击Project视图中的"Target 1"，选择"Options for Target"。
6. 在弹出的对话框中进行配置，确保选择正确的Flash算法和调试器设置。

每个IDE都有自己的用户界面和配置方法，但配置的基本理念相似，目的是为STM32F105的USB开发准备一个合适的工作环境。

## 3.3 USB驱动程序的安装和调试

### 3.3.1 Windows下的驱动安装流程

在Windows系统下进行STM32F105的USB开发，需要安装相应的驱动程序以保证USB设备能够被系统识别和通信。

安装驱动的流程如下：

1. 连接你的开发板到PC的USB端口。
2. Windows可能会自动检测到硬件并尝试安装驱动。
3. 如果自动安装失败，你需要手动指定驱动程序的位置。
4. 导航到STM32F105的SDK安装目录下的驱动文件夹。
5. 选择合适的驱动文件（通常是 INF文件），并指定给Windows。

下面是一个代码块示例，展示了如何使用命令行工具 `devcon` 来安装驱动，尽管这通常用于驱动开发和调试，但它说明了驱动安装的底层逻辑：

# 使用 devcon 工具在命令行中安装驱动程序
devcon install "C:\path\to\driver.inf" STM32F105

### 3.3.2 Linux下的驱动安装和配置

在Linux系统中，STM32F105的驱动程序安装通常不需要手动干预。大多数Linux发行版都使用USB CDC类驱动程序来识别STM32F105的USB设备模式。如果需要特定的驱动程序，你需要从STM32的开发工具包中获取它，或者使用社区提供的驱动。

在Linux中安装自定义驱动的一般步骤为：

1. 下载并解压STM32的USB驱动程序包。
2. 在源代码目录中执行构建脚本，编译驱动模块。
3. 安装驱动模块到内核中，使用`insmod`命令。

# 示例：在Linux中使用 insmod 安装驱动模块
sudo insmod ./stm32f10x_usb.cat

一旦驱动安装完成，你可以使用`dmesg`命令来查看驱动的加载情况和设备的连接信息：

# 查看驱动加载信息和设备连接情况
dmesg | tail

在Linux下，确保你的用户账户有权限操作USB设备。你可能需要将用户添加到`plugdev`或`usb`用户组，具体取决于你的Linux发行版和配置。

在本节中，我们从选择开发板和调试器的硬件层面，到安装和配置开发环境和驱动程序的软件层面，深入探讨了STM32F105 USB开发环境搭建的每个细节。无论你是刚开始STM32 USB开发的新手，还是希望进一步优化和升级现有环境的资深开发者，本节的指导都可作为参考。

# 4. STM32F105 USB功能开发实践

## 4.1 USB设备端开发

### 4.1.1 USB设备类和子类的理解

USB设备通过设备类（Class）来标识其功能和用途，便于操作系统识别和安装适当的驱动程序。每个设备类都有相应的规范，定义了设备的通用行为和通信协议。子类则是对设备类的进一步细分，提供了更具体的设备功能描述。

要开发STM32F105的USB设备端，开发者需要选择合适的设备类，例如HID（人机接口设备）、Mass Storage（大容量存储设备）或CDC（通信设备类）等。子类则根据具体的应用场景来选择，例如HID类中的虚拟串口子类。

### 4.1.2 实现一个自定义的USB设备类

实现自定义的USB设备类涉及编写设备的类和子类描述符、处理标准USB请求以及定义特定于应用的数据传输格式。STM32F105的固件库提供了USB设备开发所需的API，可以大大简化开发流程。

以下是一个简单的代码示例，展示如何定义一个自定义的USB设备类：

#include "usbd_def.h"
#include "usbd_core.h"
#include "usbd_desc.h"
#include "usbd_conf.h"

// 设备描述符
static const uint8_t CustomUSBDeviceDescriptor[] = {
  // USB设备描述符长度，设备类别，子类别，协议，缓冲区大小等
  // 具体字段需要根据USB规范和设备需求进行设置
};

// 类描述符
static const uint8_t CustomUSBClassDescriptor[] = {
  // 类描述符的内容，根据自定义设备类的需求定义
};

USBD_HandleTypeDef hUSBDDevice;

void CustomUSBDevice_Init(void) {
  // 初始化USBD库
  USBD_Init(&hUSBDDevice, &FS_Desc, DEVICE_FS);
  // 注册类接口
  USBD_RegisterClass(&hUSBDDevice, &USBD_CDC);
  // 添加自定义的设备类描述符
  USBD_CDC_RegisterInterface(&hUSBDDevice, CustomUSBDeviceDescriptor);
  // 启动设备
  USBD_Start(&hUSBDDevice);
}

int main(void) {
  // 硬件初始化代码
  // ...
  // 初始化USB设备
  CustomUSBDevice_Init();
  // 主循环
  while (1) {
    // USB设备任务处理
    USBD_Process(&hUSBDDevice);
  }
}

在上述代码中，`CustomUSBDeviceDescriptor`和`CustomUSBClassDescriptor`分别代表设备和类描述符，它们需要根据USB规范以及应用需求进行定义。此外，`CustomUSBDevice_Init`函数负责初始化USB设备，并注册自定义类接口。

在开发过程中，需要严格遵循USB协议，处理设备连接、断开、配置等事件，并根据需要实现数据的传输逻辑。

## 4.2 USB主机端开发

### 4.2.1 主机端通信模式和协议

在USB主机端开发中，我们需要了解USB主机端通信的模式和协议，以便与USB设备进行有效通信。USB主机端的通信模式主要包括控制传输、中断传输、批量传输和同步传输等。

- 控制传输：用于传输主机与设备之间的命令和状态信息。
- 中断传输：适用于需要小量数据但响应时间要求高的设备。
- 批量传输：用于传输大量数据且对传输时间没有严格要求的设备。
- 同步传输：常用于对时间敏感的数据传输，如音频和视频。

为了实现USB主机端的通信，STM32F105提供了相应的库函数来处理这些传输模式。开发者需要根据具体的设备类和应用场景来选择合适的传输类型。

### 4.2.2 编写USB主机端通信软件

编写USB主机端通信软件包括初始化USB主机硬件、搜索USB设备、处理设备枚举过程、以及实现数据传输逻辑等步骤。以下是一个简化的代码示例，演示如何初始化USB主机端并搜索设备：

#include "usbd_core.h"
#include "usbd_desc.h"
#include "usbd_conf.h"

USBD_HandleTypeDef hUSBDDevice;

void USBHost_Init(void) {
  // 初始化USB主机控制器
  // ...

  // 初始化USBD库
  USBD_Init(&hUSBDDevice, &FS_Desc, HOST_FS);

  // 启动USB主机模式
  USBD_Start(&hUSBDDevice);
}

int main(void) {
  // 硬件初始化代码
  // ...

  // 初始化USB主机
  USBHost_Init();
  // 主循环
  while (1) {
    // 处理USB主机端任务
    // ...
  }
}

在该示例中，`USBHost_Init`函数初始化USB主机控制器，并启动USBD库。在主循环中，需要不断轮询并检查USB设备状态，处理设备枚举过程，并在设备连接后根据需要实现数据传输逻辑。

## 4.3 USB数据传输和错误处理

### 4.3.1 数据传输机制和优化方法

STM32F105支持不同的USB数据传输模式，每种模式都有其特点和适用场景。在实现数据传输时，需要考虑数据包的大小、传输频率和传输可靠性等因素。

数据传输优化的方法包括：

- 使用合适的缓冲区大小来减少数据传输的次数。
- 采用DMA（直接内存访问）来减少CPU的负担。
- 对于大量数据传输，使用批量传输模式以提高传输效率。
- 对于实时性强的数据，使用同步传输模式。

### 4.3.2 USB通信中的常见错误和调试技巧

在USB通信过程中，可能会遇到各种错误，如设备未响应、数据校验错误等。调试时可以采取以下策略：

- 查看USB主机和设备的日志输出，了解错误发生的具体时机。
- 使用示波器检查USB数据线上的信号质量。
- 确保设备固件和主机软件版本兼容。
- 在固件中实现错误处理机制，如重试逻辑和错误报告。

通过细致的调试和测试，可以有效发现并解决USB通信中的问题，确保数据传输的可靠性。

以上就是关于STM32F105 USB功能开发实践的内容。实践过程中，开发者需要不断熟悉STM32F105的USB库和API，同时深入理解USB协议的细节，才能高效地开发出稳定可靠的USB通信应用。

# 5. STM32F105 USB开发进阶应用

## 5.1 高级USB通信协议

### 5.1.1 USB高速和全速通信的差异

在USB开发中，高速（High-Speed，HS）和全速（Full-Speed，FS）通信模式的区别对性能有直接影响。高速模式下，USB 2.0设备的数据传输速率可达到480Mbps，而全速模式下的速度为12Mbps。这一差异对数据密集型应用至关重要。

**要点分析：**

- **数据速率差异：** 高速模式比全速模式有更高的数据传输速率。
- **时序要求：** 高速模式需要更严格的时序控制，以满足高速数据传输的需求。
- **硬件支持：** 高速通信需要硬件和固件都支持相应的USB 2.0高速协议。

### 5.1.2 USB OTG（On-The-Go）的应用和实现

USB OTG技术使得移动设备能够在没有主机PC的情况下直接通信。这使得STM32F105等微控制器能够直接与支持OTG的USB设备进行连接和通信。

**实现USB OTG的要点：**

- **角色切换：** USB OTG设备能够作为主机（Host）或设备（Device）运行。
- **引脚和硬件支持：** 需要特定的引脚支持（如ID引脚）和硬件设计来实现OTG功能。
- **软件配置：** 固件需要配置以支持不同的OTG角色，并处理相应的事件和通信协议。

### 5.2 STM32F105的电源管理与USB

电源管理是嵌入式系统设计中的一个关键方面，特别是当USB接口用于数据传输和设备供电时。

### 5.2.1 电源管理策略和USB供电分析

STM32F105通过USB接口供电时，电源管理策略非常关键。需要考虑设备在USB suspend和resume时的电流消耗。

**策略和分析的要点：**

- **USB供电检测：** 设备需要检测USB电压并根据状态切换电源模式。
- **低功耗模式：** 在USB不活动时进入低功耗模式以节省能源。
- **电流限制和检测：** 实现电流检测逻辑以符合USB电源管理规范。

### 5.2.2 低功耗模式下的USB通信实现

在低功耗模式下保持USB通信，需要特殊的固件编程技巧。

**实现要点：**

- **唤醒策略：** 实现从USB suspend状态的快速唤醒机制。
- **通信保持：** 在低功耗状态下维持必要的通信活动，比如响应USB主机的远程唤醒（Remote Wakeup）信号。
- **省电优化：** 优化代码和硬件使用，减少功耗。

### 5.3 安全特性和加密技术

在越来越多的敏感数据通过USB接口传输的今天，数据安全性变得尤为重要。

### 5.3.1 USB通信加密的必要性

USB通信加密可以防止数据在传输过程中被截获或篡改。

**加密的必要性分析：**

- **数据隐私保护：** 加密保证只有授权方可以解读传输的数据。
- **防止数据篡改：** 数据在传输过程中使用加密和认证机制，确保完整性和真实性。
- **遵守标准：** 满足业界安全标准，如FIPS或PCI DSS。

### 5.3.2 常见的加密方法和实现策略

STM32F105提供了多种硬件加密功能，如AES，用于实现USB通信的安全性。

**实现策略的要点：**

- **硬件加密引擎：** 使用STM32F105提供的加密硬件引擎来加速加密和解密过程。
- **固件加密库：** 利用提供的加密库函数实现加密协议。
- **密钥管理：** 实现有效的密钥生成、存储和更新机制。

通过深入分析和实现以上内容，STM32F105的USB开发工作不仅仅局限于基础通信，还可以进入更高级的应用领域，如安全通信和电源管理，这些能力对于开发高性能和安全敏感的嵌入式系统至关重要。