STM32单片机USB编程详解：连接PC，扩展应用场景

# 1. STM32单片机USB概述

STM32单片机集成了USB外设，支持USB通信功能。USB（通用串行总线）是一种广泛应用于计算机和外围设备之间通信的标准化协议。它提供了高速、低成本和易于使用的连接方式。

STM32单片机USB外设支持多种USB协议，包括USB 2.0全速和低速模式。它具有一个专用DMA控制器，可以高效地传输数据，从而减轻CPU的负担。此外，STM32单片机还提供了一系列USB库函数，简化了USB编程。

# 2. USB通信原理与协议

### 2.1 USB总线架构和数据传输方式

#### 总线架构

USB总线采用星形拓扑结构，由一个主机控制器（Host Controller）和多个外设设备（Device）组成。主机控制器负责管理总线，分配带宽和仲裁数据传输。外设设备通过USB接口与主机控制器连接，并通过总线进行数据传输。

#### 数据传输方式

USB总线采用半双工通信方式，即同一时间只能有一个设备在总线上发送或接收数据。数据传输通过差分信号线进行，使用NRZI（非归零反转码）编码方式。

### 2.2 USB协议栈和设备类型

#### USB协议栈

USB协议栈是一个分层的协议体系，从底层到高层依次包括：

- 物理层：定义了USB总线的物理特性，如电气信号、连接器等。
- 数据链路层：负责数据传输的可靠性，包括数据帧的封装、校验和错误检测。
- 传输层：负责数据传输的顺序和可靠性，包括数据包的分割、重组和流量控制。
- 应用层：定义了应用程序与USB设备之间的通信协议，如USB Mass Storage、USB HID等。

#### 设备类型

USB设备根据其功能和角色分为以下类型：

- **主机控制器（Host Controller）**：负责管理总线，分配带宽和仲裁数据传输。
- **根集线器（Root Hub）**：连接在主机控制器上的集线器，提供多个端口供外设设备连接。
- **集线器（Hub）**：提供多个端口供外设设备连接，可以级联使用，扩展总线容量。
- **函数（Function）**：外设设备提供的特定功能，如存储、通信、输入输出等。
- **复合设备（Composite Device）**：提供多个函数的外设设备。
- **OTG设备（On-The-Go Device）**：既可以作为主机控制器，也可以作为外设设备。

### 代码示例：USB总线数据传输流程

// 初始化USB总线
USB_Init();

// 发送数据到外设设备
USB_SendData(data, length);

// 接收数据从外设设备
USB_ReceiveData(data, length);

**逻辑分析：**

- `USB_Init()`函数初始化USB总线，配置总线参数和中断处理。
- `USB_SendData()`函数将数据发送到指定的外设设备。
- `USB_ReceiveData()`函数从指定的外设设备接收数据。

**参数说明：**

- `data`：要发送或接收的数据缓冲区。
- `length`：要发送或接收的数据长度。

# 3.1 USB外设初始化和配置

#### USB外设时钟配置

STM32单片机的USB外设需要使用专门的时钟源，通常是48MHz的PLL时钟。在初始化USB外设之前，需要先配置时钟。以下代码展示了如何配置USB外设时钟：

RCC_PLLCFG_TypeDef P