STM32F105 USB主机与外设开发详解：案例驱动的实战技巧


# 摘要
本文系统地介绍了STM32F105微控制器作为USB主机与外设的开发实践。第一章提供了USB主机与外设的基础知识。第二章深入探讨USB通信协议，包括通信原理、拓扑结构、数据传输机制和USB设备类规范。第三章和第四章分别详细叙述了STM32F105在USB主机与外设端的硬件配置、软件开发和实战项目，涵盖了从硬件接口到软件实现的完整开发流程。第五章探讨了USB开发中遇到的高级挑战，包括通信调试、性能优化、安全性和兼容性考量以及跨平台开发对策。通过这些内容，本文旨在为开发者提供全面的STM32F105 USB开发指导。

# 关键字
STM32F105；USB主机；USB外设；USB通信协议；硬件配置；软件开发；性能优化

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主机与外设基础

## 1.1 STM32F105概述

STM32F105是ST公司推出的基于ARM Cortex-M3内核的高性能微控制器系列，集成了USB主机（Host）功能，支持高速USB OTG（On-The-Go）接口，使其非常适合用作USB主机，连接各种USB外设。此外，STM32F105的USB主机功能可以用于开发如USB键盘、鼠标、打印机、存储设备等外设的接口。

## 1.2 USB基础概念

USB（Universal Serial Bus，通用串行总线）是一种广泛应用于计算机领域的外部总线标准，用于连接各种设备，如鼠标、键盘、打印机、扫描仪等。USB规范定义了数据传输方式和电源管理等特性，具有即插即用和热插拔的特性。USB通信基于主从架构，包含一个主机控制器和多个设备，其中STM32F105可以承担主机角色，控制数据流。

## 1.3 USB通信的硬件和软件要求

开发STM32F105的USB主机和外设功能需要理解和运用一系列的硬件接口和软件库。硬件上，必须有正确的电路连接和外围组件，如终端电阻和高速差分信号线。软件上，则需要使用STM32F105提供的USB主机库和设备库，以实现与USB设备的通信。开发者需要熟悉USB协议栈的实现和应用层接口的编程。

# 2. 深入理解USB通信协议

### 2.1 USB协议概述

#### 2.1.1 USB通信的基本原理
USB通信基于主从架构，其中PC或任何主机设备作为主设备（Host）负责初始化数据传输，而各种外设如打印机、键盘、存储设备等作为从设备（Device）等待主机的指令来进行数据交换。这种架构简化了设备间的通信，并且通过集线器（Hub）可以连接多个设备，形成一个星型的拓扑结构。

USB通信遵循严格的协议规范，包括电气特性和信号定义。USB端点是通信的基本单元，每个端点能够发送或接收数据，并且每个外设可以拥有多个端点。端点0通常用于设备的初始设置，称为控制端点。

USB通信协议定义了主机和设备之间如何建立连接，交换数据包，处理错误，以及如何断开连接等。在物理层面上，USB使用差分信号线进行数据传输，其中D+和D-线用于数据的正反向传输，而Vbus和GND则分别提供电源和接地。

#### 2.1.2 USB的拓扑结构和传输模式
USB的拓扑结构以树状方式构建，由主机、集线器和外设组成。主机是树根，集线器是分支，外设是叶节点。这种结构允许连接多达127个设备，集线器可以扩展端口数量。每个设备都有一个唯一的地址，由主机进行管理。

USB支持四种数据传输模式：
1. **控制传输**（Control Transfer）：用于设备的初始化、配置和状态查询。
2. **批量传输**（Bulk Transfer）：用于数据量较大，对时间不敏感的数据传输，如打印机和扫描仪。
3. **中断传输**（Interrupt Transfer）：用于小数据量但需要及时响应的传输，如键盘和鼠标。
4. **同步传输**（Isochronous Transfer）：用于需要定时传输数据的设备，如音频和视频流。

### 2.2 USB数据传输机制

#### 2.2.1 数据包的组成和格式
USB数据包由几个关键部分组成：同步字段、包标识符（PID）、数据包负载和循环冗余校验（CRC）。同步字段用于同步数据传输，包标识符用于识别数据包类型和传输方向。数据包负载大小根据不同的传输模式有所不同。CRC用于错误检测和校正。

USB 2.0标准定义了四种基本的数据包类型：
- **令牌包**（Token Packet）：用于启动数据传输，指明传输类型和方向。
- **数据包**（Data Packet）：实际传输数据内容。
- **握手包**（Handshake Packet）：用于确认数据传输的状态，如ACK表示成功接收。
- **特殊包**（Special Packet）：用于特定控制信息的传输。

#### 2.2.2 控制传输、批量传输、中断传输和同步传输的细节
- **控制传输**的目的是配置和管理设备，一般包含三个步骤：建立传输（SETUP stage）、数据传输（DATA stage）和状态传输（STATUS stage）。控制传输用于获取或设置设备描述符、配置设备、执行命令等操作。
- **批量传输**通常用于数据量大，对实时性要求不高的场景。批量传输提供错误检测机制，但不保证带宽和延迟。典型的批量传输设备有USB打印机和扫描仪。
- **中断传输**用于需要及时响应的小数据包传输，如键盘、鼠标等。它具有固定的带宽和低延迟特性，确保了即使在大量数据传输时，也能保证及时响应这些小数据包。
- **同步传输**则保证了固定的带宽和延迟，常用于实时数据传输，如音频和视频设备。尽管它不提供错误校验，但这种传输模式的确定性确保了数据流的平滑连续。

### 2.3 USB设备类规范

#### 2.3.1 USB设备类的定义和分类
USB设备类（USB Class）定义了一组设备上通用的功能和通信协议，它为特定类型的设备提供了一种标准的通信方式。设备类通过定义一系列的标准请求，使得外设能够被识别并正确操作。

USB设备类可以大致分为以下几类：
- **HID类**（Human Interface Device）：用于键盘、鼠标等输入设备。
- **声音类**（Audio Device Class）：用于麦克风、扬声器等音频设备。
- **通信类**（Communication Device Class）：用于modem等通信设备。
- **存储类**（Mass Storage Class）：用于U盘、硬盘等大容量存储设备。

#### 2.3.2 常见USB类设备的通信协议细节
以**HID类设备**为例，HID类设备包括了一系列预先定义的报告描述符，这些描述符描述了设备的数据格式。主机使用这些描述符来理解设备的数据结构，并且通过控制传输来读取或发送HID报告。

HID报告通常包含三个部分：
- **Report ID**：标识报告的类型。
- **Data Field**：包含实际数据。
- **Report Size**：报告的大小。

主机通过发送SETUP包来请求HID设备发送特定的报告。设备收到请求后，通过数据包发送报告。在HID类设备中，握手包通常由主机发送，确认数据的接收情况。

下面是一个简单的USB HID设备报告描述符的例子：

0x06, 0x00, 0xFF, // USAGE_PAGE (Generic Desktop)
0x09, 0x01,       // USAGE (Vendor Usage 1)
0xA1, 0x01,       // COLLECTION (Application)
0x15, 0x00,       //   LOGICAL_MINIMUM (0)
0x26, 0xFF, 0x00, //   LOGICAL_MAXIMUM (255)
0x75, 0x08,       //   REPORT_SIZE (8)
0x95, 0x04,       //   REPORT_COUNT (4)
0x09, 0x00,       //   USAGE (Undefined)
0xB2, 0x02, 0x01, //   FEATURE (Data,Var,Abs,Buf)
0xC0              // END_COLLECTION

在以上描述符中，`0x09, 0x00` 表示一个未定义的用途，通常用于报告数据。`0xB2, 0x02, 0x01` 是设置HID设备为缓冲报告模式，表示输入报告。

**通信类设备**（CDC）是用于串行通信的设备类，例如调制解调器或网络接口。CDC定义了两种类型的接口：主接口和辅助接口。主接口负责数据传输，而辅助接口用于控制信号。CDC类设备使用类特定的请求来设置和控制设备，例如设置通信参数、管理接口的打开和关闭。

通信类的另一个重要概念是“数据类接口”（Data Class Interface），用于透明地传输数据，而无需了解数据的内部格式或结构。这种机制非常适合于网络和调制解调器设备，允许设备在不更改主机代码的情况下进行扩展。

在本章节中，我们详细了解了USB通信协议的基础知识，包括USB的通信原理、数据传输机制以及设备类规范。这些信息为开发者提供了对USB通信进行深入分析的理论基础，并为下一章节的开发实践奠定了坚实的基础。

# 3. STM32F105 USB主机开发实践

## 3.1 STM32F105 U