STM32F105 USB驱动开发：从底层到应用层的全面指南


# 摘要
本文详细介绍了STM32F105微控制器的USB驱动开发过程，包括USB协议的基础知识、STM32F105的硬件特性，以及如何搭建USB驱动开发环境。接着，文章深入探讨了USB驱动的理论基础和实现方法，包括驱动程序结构、设备枚举、编程接口及高级特性。在实践章节，作者分享了基于STM32F105的USB数据采集设备开发经验、USB通信协议实现及调试与性能优化的技巧。最后，文章通过高级功能实现和嵌入式系统集成的案例研究，提供了综合应用和问题解决的实际指导。本文旨在为STM32F105 USB驱动开发人员提供全面的技术支持和实用建议。

# 关键字
STM32F105；USB驱动开发；USB协议栈；数据采集；性能优化；案例研究

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驱动开发概述

随着物联网、可穿戴设备、智能家居等技术的快速发展，嵌入式系统中对于USB接口的需求日益增长。STM32F105作为一款高性能的ARM Cortex-M3微控制器，其出色的USB硬件支持能力为开发者提供了广泛的实现可能。本章旨在为读者提供STM32F105 USB驱动开发的整体框架和基础知识，为后续章节的深入学习打下坚实的基础。

首先，我们将探讨USB协议的基础知识，包括其通信模式、数据传输类型以及协议栈的层次结构。这些是理解和实现STM32F105 USB驱动不可或缺的基础部分。

接着，我们会简述STM32F105微控制器的硬件架构，特别关注其USB接口的特点和性能。了解这些硬件特性能够帮助开发者更有效地利用STM32F105的强大功能。

最后，本章将介绍USB驱动开发环境的搭建，包括开发板和工具链的准备工作，以及如何配置相关软件库和开发包。熟练掌握这些设置步骤，将为读者步入USB驱动开发的实践阶段做好充分准备。

# 2. USB协议基础与STM32F105的硬件特性

## 2.1 USB协议核心概念

### 2.1.1 USB通信模式与数据传输类型

USB (Universal Serial Bus) 接口作为广泛使用的计算机和外设连接标准，提供了几种不同的数据传输模式以满足不同的使用场景需求。其中最重要的两种通信模式包括：

- **控制传输模式**：通常用于设备初始化和配置。这种模式下，数据交换要求高可靠性和低速数据传输，例如设备的指令和状态信息。
- **批量传输模式**：设计用于大量数据传输，如打印机和扫描仪等设备的数据交换。在批量传输模式中，数据包可以达到64 KB，但速度受到USB带宽的限制。

此外，USB协议还支持以下数据传输类型：

- **中断传输**：用于数据传输量小但传输频率高的设备，如键盘、鼠标等。
- **等时传输**：适用于实时数据流，如音频或视频设备，其中数据传输需要保持固定的时间间隔。

### 2.1.2 USB协议栈的层次结构

USB协议栈的架构是分层的，每一层都有特定的职责和接口。最上层是**客户端应用层**，向下依次是**USB设备驱动层**、**USB核心层**和**USB主机控制器驱动层**。最底层是**USB硬件接口层**，即负责实际通信的USB控制器硬件。

- **客户端应用层**：这层软件包含应用程序和客户端驱动程序，用于和USB设备通信。
- **USB设备驱动层**：设备特定的驱动程序，提供设备的抽象描述和实现与USB核心层交互的接口。
- **USB核心层**：提供通用的USB设备接口，对USB设备驱动和USB主机控制器驱动进行协调。
- **USB主机控制器驱动层**：负责与USB硬件通信，管理USB主机控制器以实现数据传输。
- **USB硬件接口层**：USB控制器硬件，处理实际的电气信号和物理连接。

## 2.2 STM32F105硬件架构与USB接口

### 2.2.1 STM32F105的处理器架构简述

STM32F105是ST公司生产的一款基于ARM Cortex-M3核心的高性能微控制器，专为USB全速设备和高速主机/设备应用设计。这款微控制器具有丰富的外设接口，包括多路ADC、定时器、USART等，并且集成了先进的电源管理功能，使其在便携式设备中特别有用。

### 2.2.2 STM32F105 USB接口的特点和性能

STM32F105的USB接口提供了硬件级别的支持，以满足USB 2.0全速和高速规格：

- **全速(12 Mbps)和高速(480 Mbps)模式**：根据外设需求，STM32F105可以以全速或高速模式运行。
- **端点数量和类型**：支持多达12个端点（包括控制端点0），其中包含批量、中断和等时传输类型。
- **电源管理**：STM32F105 USB接口支持远程唤醒、挂起/恢复等电源管理功能。

## 2.3 USB驱动开发环境搭建

### 2.3.1 开发板和工具链的准备

在开始USB驱动开发之前，需要准备STM32F105的开发板和相应的开发工具链。常用开发板有ST官方的NUCLEO-F105RB开发板。工具链方面，可以选择Keil MDK、IAR Embedded Workbench或者STM32CubeIDE。

### 2.3.2 相关软件库和开发包的配置

为了简化USB驱动开发流程，ST官方提供了USB Device Library和HID Class Library等软件库。这些库提供了一系列抽象的API和预定义的USB设备类，大大降低了开发难度。在搭建开发环境时，需要将这些软件库集成到开发项目中，配置正确的路径并包含头文件。

接下来，我们将进一步深入探讨STM32F105 USB驱动的理论基础与实现，包括USB驱动程序的层次结构、工作流程以及编程基础。

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# 第三章：STM32F105 USB驱动的理论基础与实现

## 3.1 USB驱动程序结构和工作流程
### 3.1.1 USB驱动的层次划分
USB驱动程序通常分为多个层次，每一层都负责处理USB通信的不同方面。在STM32F105上，我们可以将USB驱动分为以下几层：

- **底层硬件驱动层（HAL）**：负责直接与硬件寄存器进行交云，执行基本的初始化和硬件控制操作。
- **USB核心层**：负责实现USB核心的处理逻辑，包括端点的配置，状态机的管理等。
- **设备类驱动层**：这一层为特定类型的USB设备提供支持，如人机接口设备(HID)，存储设备等。开发者可以在这里实现特定的协议和数据处理流程。

在理解了各个层次的职责后，开发者可以针对自己的应用场景来编写或修改相应层的代码，以实现特定的USB功能。

### 3.1.2