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苏木2025-09-27
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LV001-USB简介 ​

USB，即通用串行总线(Universal Serial Bus)，包括 USB 协议和 USB 硬件两个方面，支持热插拔功能。现在日常生活的很多方面都离不开 USB 的应用，如充电和数据传输等场景。

USB 经过多次修改， 1996 年确定了初始规范版本 USB1.0，目前由非盈利组织 USBIF(Front Page | USB-IF)管理。 STM32 自带的 USB 符合USB2.0 规范，故 2.0 版本仍是学习的重点。

一、USB简介 ​

USB 本身的知识体系非常复杂，这里就简单介绍一下，想更系统地学习 USB 的知识可以参考《圈圈教你玩 USB》、塞普拉斯提供的《USB101：通用串行总线 2.0 简介》等文献 。

1. USB 的硬件接口 ​

USB 协议有漫长的发展历程，为的不同的场合和硬件功能而发展出不同的接口： Type-A、Type-B、 Type-C， Type-C 规范碰巧是跟着 USB3.1 的规范一起发布的。常见的接口类型列出如下图：

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USB 发展到现在已经有 USB1.0/1.1/2.0/3.x/4 等多个版本。目前用的最多的就是版本USB1.1 和 USB2.0， USB3.x/USB4 目前也在加速推广。从图中可以发现不同的版本的 USB 接口内的引脚数量是有差异的。 USB3.0 以后为了提高速度，采用了更多数量的通讯线，比如同样的是 Type A 接口， USB2.0 版本内部只有四根线，采用半双工式广播式通讯， USB3.0 版本则将通讯线提高到了 9 根，并可以支持全双工非广播式的总线，允许两个单向数据管道分别处理一个单向通信。

USB2.0 常使用四根线： VCC（5V）、 GND、 D+(3.3V)和 D-(3.3V) (注：五线模式多了一个DI 脚用于支持 OTG 模式， OTG 为 USB 主机+USB 设备双重角色)，其中数据线采用差分电压的方式进行数据传输。在 USB 主机上， D-和 D+都是接了 15K 的电阻到地的，所以在没有设备接入的时候， D+、 D-均是低电平。而在 USB 设备中，如果是高速设备，则会在 D+上接一个 1.5K的电阻到 3.3V，而如果是低速设备，则会在 D-上接一个 1.5K 的电阻到 3.3V。这样当设备接入主机的时候，主机就可以判断是否有设备接入，并能判断设备是高速设备还是低速设备。

关于 USB 硬件还有更多具体的细节规定，硬件设计时需要严格按照 USB 的器件的使用描述和 USB 标准所规定的参数来设计。

2. USB 速度 ​

USB 规范已经为 USB 系统定义了以下四种速度模式：低速（Low-Speed）、全速（Full-Speed）、高速（Hi-Speed）和 超高速（SuperSpeedUSB）。接口的速度上限与设备支持的 USB 协议标准和导线长度、阻抗有关，不同协议版本对硬件的传输线数量、阻抗等要求各不相同，各个版本的能达到的理论速度上限对应如图：

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USB 端口和连接器有时会标上颜色，以指示 USB 规格及其支持的功能。这些颜色不是 USB规范所要求的，并且在设备制造商之间不一致。例如，常见的支持 USB3.0 的 U 盘和电脑等设备使用蓝色指示，英特尔使用橙色指示充电端口等。

3. USB 系统 ​

USB 系统主要包括三个部分：控制器（Host Controller）、集线器 (Hub) 和 USB 设备。

控制器（Host Controller），主机一般可以有一个或多个控制器，主要负责执行由控制器驱动程序发出的命令。控制器驱动程序(Host Controller Driver)在控制器与 USB 设备之间建立通信信道。

集线器(Hub)连接到 USB 主机的根集线器，可用于拓展主机可访问的 USB 设备的数量。

USB 设备(USB Device)则是我们常用的如 U 盘， USB 鼠标这类受主机控制的设备。

4. USB 通讯 ​

USB 针对主机、集线器和设备制定了严格的协议。概括来讲，通过检测、令牌、传输控制、数据传输等多种方式，定义了主机和从机在系统中的不同职能。USB 系统通过“管道”进行通讯，有“控制管道”和“数据管道”两种， “控制管道”是双向的，而每个“数据管道”则是单向的，这种关系如图：

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USB 通讯中的检测和断开总是由主机发起。 USB 主机与设备首次进行连接时会交换信息，这一过程叫“USB 枚举”。枚举是设备和主机间进行的信息交换过程，包含用于识别设备的信息。此外，枚举过程主机需要分配设备地址、读取描述符（作为提供有关设备信息的数据结构），并分配和加载设备驱动程序，而从机需要提供相应的描述符使主机知悉如何操作此设备。整个过程需要数秒时间。完成该过程后设备才可以向主机传输数据。数据传输也有规定的三种类型，分别是： IN/读取/上行数据传输、 OUT/写入/下行数据传输、控制数据传输。

USB 通过设备端点寻址，在主机和设备间实现信息交流。枚举发生前有一套专用的端点用于与设备进行通信。这些专用的端点统称为控制端点或端点 0，有端点 0 IN 和端点 0 OUT 两个不同的端点，但对开发者来说，它们的构建和运行方式是一样的。每一个 USB 设备都需要支持端点 0。因此，端点 0 不需要使用独立的描述符。除了端点 0 外，特定设备所支持的端点数量将由各自的设计要求决定。简单的设计（如鼠标）可能仅要一个 IN 端点。复杂的设计可能需要多个数据端点。

USB 规定的数据 4 种数据传输方式也是通过管道进行，分别是控制传输(Control Transfer)、中断传输(Interrupt Transfer)、批量传输或叫块传输(Bulk Transfer)、实时传输或叫同步传输(Isochronous Transfer )，每种模式规定了各自通讯时使用的管道类型。

关于 USB 还有很多更详细的时序和要求，像 USB 描述符、 VID/PID 的规定、 USB 类设备和调试等，因为 USB2.0 和之后的版本有差异，这里就不再详细描述了， ST 对 USB2.0 也有专门的培训资料，可以去官网查一查。

二、STM32F1的USB ​

1. 特性 ​

STM32F1 系列芯片自带了 USB FS（FS，即全速， 12Mbps），支持从机（Slave/Device），但其 USB 与 CAN 不能同时使用，因为硬件共享同一个 SRAM。STM32F1 的 USB 外设实现了 USB2.0 的接口和 APB1 总线间的接口。它有以下特性：

  • 符合 USB2.0 全速设备的技术规范
  • 可配置 1 到 8 个 USB 端点
  • CRC(循环冗余校验)生成/校验，反向不归零(NRZI)编码/解码和位填充
  • 支持同步传输
  • 支持批量/同步端点的双缓冲区机制
  • 支持 USB 挂起/恢复操作
  • 帧锁定时钟脉冲生成

2. USB设备框图 ​

STM32F1 的 USB 外设使用标准的 48Mhz 时钟，允许每个端点有独立的缓冲区，每个端点最大为 512 字节缓冲，最大 16 个单向或 8 个双向端点。 USB 的传输格式由硬件完成，状态可以由寄存器标记，可以很大程度上简化我们的程序设计。USB模块启动时间tSTARTUP最大为1us，这个需要在编程时注意。下图引用了 STM32F1 的 USB 设备框图，方便我们理解 USB 这个外设。

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三、USB协议栈 ​

到这里我们已经对 USB 的硬件有了一定的了解，但由于 USB 协议的庞杂性，便得直接编写 USB 驱动的上手难度很大。故暂时我们可以从移植 ST 官方的 USB例程入手，学会使用 USB 驱动库。

ST 官方 Cube 库中提供的官方 USB 协议栈，主要是包含了 USBD 内核与 USB 各种类。USBD 内核一般是固定的，用户一般不需要修改，但 USBD 类，如果用户需要修改或者扩展，比如复合设备或者用户自定义设备，则需要用户自行修改。

USB 协议栈将所有 USB 类都抽象成一个数据结构： USBD_ClassTypeDef， USBD 内核与USBD 类之间的纽带就是 USBD_ClassType 这个结构体。这个结构体是一个抽象类，定义了一些虚拟函数，比如初始化，反初始化，类请求指令处理函数，端点 0 发送完成，端点 0 接收处理，数据发送完成，数据接收处理， SOF 中断处理，同步传输发送未完成，同步传输接收未完成处理等等；用户在实现自己具体的 USB 类的时候需要将它实例化， USBD_ClassTypeDef 结构体是 USBD 内核提供给外部定义一个 USB 设备类的窗口，而 USB 类文件实际就是实现这个结构体具体实例化的过程。最后将这个具体实例化的对象注册到 USBD 内核的同时， USBD 内核与 USBD 类也进行了关联。