STM32 USB通信：连接外部设备的桥梁，拓展系统功能

# 1. STM32 USB通信概述**

USB（通用串行总线）是一种广泛使用的通信协议，它允许设备与计算机或其他设备进行通信。STM32微控制器具有内置的USB外设，使其能够作为USB设备或主机与外部设备通信。

通过USB通信，STM32可以连接各种外围设备，如键盘、鼠标、打印机、存储设备和传感器。这极大地扩展了STM32系统的功能，使其能够与外部世界进行交互和交换数据。

# 2. USB协议栈与STM32**

**2.1 USB协议栈简介**

**2.1.1 USB协议层级**

USB协议栈是一个分层的体系结构，分为以下层级：

- **物理层：**定义了USB设备之间的物理连接和信号传输方式。
- **数据链路层：**负责数据传输的可靠性和完整性，包括数据包的封装和解封装。
- **传输层：**提供数据传输的可靠性，包括错误检测和重传机制。
- **会话层：**建立和维护USB设备之间的会话，管理数据流和设备同步。
- **应用层：**定义了特定设备和应用程序之间的数据传输协议。

**2.1.2 USB数据传输机制**

USB数据传输使用轮询机制，由主机设备轮询连接的设备，并根据设备的响应确定数据传输的时机。数据传输可以通过以下两种方式进行：

- **控制传输：**用于设备枚举、配置和状态查询。
- **批量传输：**用于大块数据的传输，具有较高的吞吐量。

**2.2 STM32 USB外设**

**2.2.1 USB外设架构**

STM32微控制器集成了一个USB外设，其架构包括：

- **USB控制器：**负责管理USB协议栈和数据传输。
- **USB收发器：**负责物理层信号的收发。
- **端点：**用于数据传输的逻辑通道，可以是输入端点或输出端点。

**2.2.2 USB外设寄存器**

USB外设寄存器提供了对USB控制器和端点的控制和配置。关键寄存器包括：

- **USB_CNTR：**控制寄存器，用于启动、停止和复位USB控制器。
- **USB_ISTR：**中断状态寄存器，指示USB控制器当前的中断状态。
- **USB_FNR：**帧号寄存器，指示当前USB帧号。
- **USB_DADDR：**设备地址寄存器，存储设备的USB地址。
- **USB_EPnR：**端点寄存器，用于配置和控制每个端点。

**2.3 USB协议栈与STM32集成**

STM32提供了USB协议栈库，该库实现了USB协议栈的各个层级，简化了USB通信的开发。库中包含以下关键模块：

- **USB核心：**实现了USB控制器和端点的底层管理。
- **USB设备驱动：**实现了USB设备模式的枚举和数据传输。
- **USB主机驱动：**实现了USB主机模式的枚举和数据传输。

通过使用USB协议栈库，开发者可以轻松地将USB通信功能集成到STM32应用程序中。

# 3. STM32 USB通信实践

### 3.1 USB设备模式编程

#### 3.1.1 USB设备枚举过程

USB设备枚举过程是指设备连接到主机后，主机识别并配置设备的过程。该过程包括以下步骤：

1. **设备复位：**主机通过USB总线向设备发送复位信号，使设备进入初始状态。
2. **设备枚举：**主机发送枚举请求，设备响应并提供其描述符信息，包括VID（供应商ID）、PID（产品ID）、设备类和子类等。
3. **地址分配：**主机分配一个唯一的设备地址给设备。
4. **配置：**主机根据设备描述符信息，选择并配置设备的端点。
5. **数据传输：**主机和设备之间开始数据传输。

#### 3.1.2 USB设备驱动开发

STM32 USB设备模式驱动开发涉及以下步骤：

1. **创建USB设备描述符：**根据设备功能定义设备描述符、配置描述符、接口描述符和端点描述符。
2. **初始化USB外设：**配置USB外设寄存器，使能时钟和中断。
3. **注册USB回调函数：**注册枚举、配置、数据传输等事件的回调函数。
4. **实现回调函数：**在回调函数中处理相应的事件，如枚举请求、数据传输请求等。
5. **启动USB外设：**启动USB外设，开始设备枚举过程。

### 3.2 USB主机模式编程

#### 3.2.1 USB主机枚举过程

USB主机枚举过程是指主机识别并配置连接到其上的设备的过程。该过程包括以下步骤：

1. **设备连接：**设备连接到主机上的USB端口。
2. **主机复位：**主机通过USB总线向设备发送复位信号。
3. **设备枚举：**主机发送枚举请求，设备响应并提供其描述符信息。
4. **地址分配：**主机分配一个唯一的设备地址给设备。
5. **配置：**主机根据设备描述符信息，选择并配置设备的端点。
6. **数据传输：**主机和设备之间开始数据传输。

#### 3.2.2 USB主机驱动开发

STM32 USB主机模式驱动开发涉及以下步骤：

1. **创建USB主机描述符：**根据主机功能定义主机描述符、配置描述符、接口描述符和端点描述符。
2. **初始化USB外设：**配置USB外设寄存器，使能时钟和中断。
3. **注册USB回调函数：**注册枚举、配置、数据传输等事件的回调函数。
4. **实现回调函数：**在回调函数中处理相应的事件，如枚举请求、数据传输请求等。
5. **启动USB外设：**启动USB外设，开始主机枚举过程。

# 4. STM32 USB通信应用

### 4.1 USB-UART通信

#### 4.1.1 USB-UART硬件连接

USB-UART通信通过USB转UART桥接芯片实现，该芯片将USB信号转换为UART信号，从而实现USB和UART设备之间的通信。

**硬件连接步骤：**

1. 选择合适的USB转UART桥接芯片，例如FT232RL或CP2102。
2. 将USB转UART芯片的USB接口连接到STM32的USB外设。
3. 将USB转UART芯片的UART接口连接到STM32的UART外设。
4. 为USB转UART芯片供电。

#### 4.1.2 USB-UART软件实现

STM32的USB-UART通信软件实现主要分为两部分：USB设备驱动和UART驱动。

**USB设备驱动：**

void USB_UART_Init(void) {
  // 初始化USB外设
  USB_Init();

  // 设置USB设备描述符
  USB_SetDeviceDescriptor(...);

  // 设置USB配置描述符
  USB_SetConfigDescriptor(...);

  // 设置USB字符串描述符
  USB_SetLangIDDescriptor(...);

  // 设置USB设备端点描述符
  USB_SetEndpointDescriptor(...);

  // 启动USB设备
  USB_Start();
}

**UART驱动：**

void UART_Init(void) {
  // 初始化UART外设
  UART_Init();

  // 设置UART波特率
  UART_SetBaudRate(...);

  // 设置UART数据位
  UART_SetDataBits(...);

  // 设置UART停止位
  UART_SetStopBits(...);

  // 设置UART校验位
  UART_SetParity(...);

  // 启动UART
  UART_Start();
}

### 4.2 USB-HID通信

#### 4.2.1 USB-HID硬件连接

USB-HID通信通过USB HID设备实现，该设备将USB信号转换为HID信号，从而实现USB和HID设备之间的通信。

**硬件连接步骤：**

1. 选择合适的USB HID设备，例如键盘或鼠标。
2. 将USB HID设备连接到STM32的USB外设。
3. 为USB HID设备供电。

#### 4.2.2 USB-HID软件实现

STM32的USB-HID通信软件实现主要分为两部分：USB主机驱动和HID驱动。

**USB主机驱动：**

void USB_HID_Init(void) {
  // 初始化USB外设
  USB_Init();

  // 设置USB主机描述符
  USB_SetHostDescriptor(...);

  // 设置USB主机端点描述符
  USB_SetEndpointDescriptor(...);

  // 启动USB主机
  USB_Start();
}

**HID驱动：**

void HID_Init(void) {
  // 初始化HID外设