USB之STM32基礎（6）

本篇筆記主要介紹 STM32 相關的知識點，畢竟之后的 CDC 教程是用 STM32 開發(fā)的。

為了寫這一篇，魚鷹把 STM32 中文參考手冊 USB 相關的從頭到尾看了一遍，雖然以前就已經(jīng)看過了，但這次看，收獲又是不同。

不過限于篇幅，魚鷹不會面面俱到，只介紹和 CDC 相關的一些東西。

要完成 USB 模擬串口（CDC）的實驗，STM32 手冊是必須細細閱讀的，不然代碼里面很多操作你是無法看懂的。

其實理解了前面的一些東西，你會發(fā)現(xiàn) STM32 中的 USB 知識和前面的大同小異，畢竟開發(fā)芯片的廠家也是按照 USB 標準來實現(xiàn)的，不會差到哪里去。

硬件基礎

首先，STM32F103 使用 PA11（USBDM，D-）和 PA12（USBDP，D+）完成數(shù)據(jù)的收發(fā)。但看過前面章節(jié)的道友應該知道，全速 USB 在 D+ 引腳是需要有一個上拉電阻的，同時兩根數(shù)據(jù)線需要各自串聯(lián)一個 22 Ω的電阻。

這就是你需要的硬件基礎，如果說你的開發(fā)板有 USB 接口，但是沒有這些條件，那么你的 USB 接口只能用于供電，無法進行數(shù)據(jù)傳輸。

當然，STM32F103 的速度為全速 12 Mbit，換算成字節(jié)為 1.5 MB，除去 USB 協(xié)議的開銷（令牌、打包等），大概能達到 1 MB/s 速度。

魚鷹在測試給各位道友的 CDC 例程發(fā)現(xiàn)只能達到 100 KB 左右，原以為是主機沒有及時發(fā)送令牌包導致帶寬很低，后來發(fā)現(xiàn) USB 設備發(fā)出的數(shù)據(jù)包只有幾個字節(jié)，而不是最大包 64B，才知道是發(fā)送的數(shù)據(jù)太少了，后來增加發(fā)送的數(shù)據(jù)量（一次往緩沖多寫幾百個字節(jié)），帶寬達到了 400~700KB，但離 1MB 還差了點。

通過邏輯分析儀查看才知道，主機發(fā)送 IN 令牌包時，設備有可能還沒準備好，浪費了帶寬，不過在看 STM32 資料中發(fā)現(xiàn)，對于批量傳輸（CDC 使用批量傳輸），可以使用雙緩沖提高傳輸量，估計用了雙緩沖，傳輸速率能達到 1MB/s，比串口的 115200 Bit/s 快的多，也穩(wěn)定的多，畢竟人家可是自帶了 CRC 校驗和數(shù)據(jù)重傳功能的。

軟件基礎

現(xiàn)在看一看 STM32F103 的 USB 有哪些功能

第一點，支持 USB2.0 全速，而不是 2.0 高速 480Mbit/s。

有 1~8 個（雙向）端點，這是能完成組合設備的基礎，按照 CDC + DAP 組合設備來說，一共需要 1（控制傳輸）+ 2（CDC）+1（HID） = 4 個端點的，更不要說再模擬一個 U 盤了。

CRC、NRZI 編解碼，這個可以讓你不必關心每一位是什么情況，你只需要處理底層給你的字節(jié)數(shù)據(jù)即可。

支持雙緩沖，最大程度的利用 USB 的帶寬。

支持 USB 掛起和恢復操作，其實還支持設備遠程喚醒操作，即由設備發(fā)起喚醒請求（比如鼠標移動后喚醒設備）。

后面有一個注意點，就是 USB 和 CAN 共用 512 字節(jié)的緩存，也就是說同一時刻只能有一個外設可以工作，當然你可以通過軟件在不同時刻使用不同的外設。

可以看看 USB 設備框圖，了解一下 USB 是由哪些結構組成的。

為了實現(xiàn) USB 通信，有以下基礎步驟需要完成：

1、打開 Port A 的外設時鐘（PA11 和 PA12）

2、打開 USB 時鐘（其實還需要設置 USB 時鐘頻率，一般 SystemInit 會替你完成，當 USB 時鐘打開后， PA11 和 PA12 引腳由 USB 接管，不歸 GPIO 控制）。

3、打開相應中斷（一共有三個中斷）

低優(yōu)先級中斷是我們主要關注的，因為 USB 枚舉過程就在這個中斷完成，所以這個中斷必須開啟，其他兩個就看需求了。

4、配置 USB 寄存器，使 USB 可以正常工作。

5、之后所有的操作都在低優(yōu)先級中斷進行（包括復位、枚舉、SOF 檢測等）。

以上步驟具體可以看魚鷹提供的例程實現(xiàn)，不再多說。

USB 寄存器

USB 中有三類寄存器：端點寄存器、通用寄存器、緩沖區(qū)描述表，再加上和描述表對應的緩沖區(qū)（數(shù)據(jù)收發(fā)緩存區(qū)，USB 所有的數(shù)據(jù)傳輸都首先要經(jīng)過這里），我們要做的就是在合適的時候對這些寄存器進行相應的操作即可。

地址 0x 0x4000 5C00 開始為端點寄存器，因為有 8 個（雙向）端點，所以有 8 個寄存器管理。
之后的寄存器為通用寄存器，用于管理整個 USB 模塊的，具體可查看參考手冊。

以上寄存器有些位很特殊，比如可能寫 0 有效，寫 1 無效，所以有如下要求：

所以以往的讀 - 改 - 寫不能在這里使用，不然你這邊讀回了 0，但是硬件修改了變成 1，如果往回寫 0 ，那么就把硬件設置的 1 清除了，肯定會有影響，所以針對這種位，需要對不操作的位設置為 1 ，這樣就不會意外修改了。

還有可能寫 1 翻轉，寫 0 無效，這時你會發(fā)現(xiàn)代碼中使用異或（^）來設置需要的位，非常巧妙。
總之，在學習 USB 過程中，可以鍛煉你的位操作能力。

上述兩類寄存器在參考手冊其實是比較詳盡的，但緩沖區(qū)描述表（描述表的作用就是描述端點發(fā)送和接收緩存區(qū)的地址和大?。┚惋@得晦澀難懂了，所以這里詳細說一下緩沖區(qū)描述表（以下表述可能有問題，需要各位自行驗證）。

首先，描述表的地址在 0x4000 6000，也就是說前面所說的 512 Byte 的基地址。但是按照參考手冊中的描述來看，這個空間大小應該是 512 Byte * 2，這是因為 USB 模塊尋址采用 16 位尋址的，而應用程序使用 32 位尋址，也就是說，按照我們的軟件角度，空間分布應該是這樣的：

低地址的兩個字節(jié)可以被我們訪問（有顏色部分），高地址的兩個字節(jié)不可訪問（但是按照雙緩沖描述來看，好像可以訪問到，以后在驗證一下）。

所以地址范圍應該有 1 KB 的空間，但只有一半是可以使用的。

還有一點就是這塊空間不僅用于存放 USB 傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，還用來存放緩存區(qū)描述表，這個緩沖區(qū)描述表可以在這塊空間的任何一個位置，只要滿足 8 字節(jié)對齊即可，畢竟一個端點需要 16 字節(jié)記錄（這里可能會感到疑惑，為什么一個端點 16 字節(jié)，但卻是 8 字節(jié)對齊，這就是 16 位 和 32 訪問的區(qū)別，在 USB 寄存器中，USB 模塊通過 16 位訪問，所以寄存器里面的值都是按照 16 位來保存偏移的）。

這個表的基地址存放在 USB_BTABLE 寄存器中，一般設置為 0，表示這個表放在上述空間的開始處。

根據(jù)需要，依次安排描述表。比如 CDC 有三個端點，前 16 個字節(jié)安排端點 0，負責描述發(fā)送緩存區(qū)的地址和大小，接收緩存區(qū)的地址和大小（防止接收時溢出）

端點 1 和端點 2 供 CDC 使用，占用 32 字節(jié)。所以前 48 字節(jié)被描述表占用了，剩下的（1024 – 48）/ 2 就是數(shù)據(jù)緩沖區(qū)了。比如將端點 0 的發(fā)送緩沖區(qū)地址指向 0x18（相對地址 0x4000 6000 偏移，16 位訪問），大小為 64 字節(jié)，端點 0 的接收緩存區(qū)指向 0x58（寄存器 USB_ADDR0_RX 寫入的值，16 位訪問），大小為 64 字節(jié)（注意這里的值為 16 位尋址，即 USB 模塊的尋址，和應用層 32 位尋址不同，兩者之間需要轉化）。

按理應該像上面分布空間的，但實際上你會發(fā)現(xiàn)分布如下：

那么是否可以將端點 0 的緩存地址安排在 0x40006030 位置，而不是 0x40006060 呢，這樣就不會浪費那些空間了。

因為這個改動會較大，感興趣的可以嘗試一下。

當 USB 模塊寫入端點 0 的數(shù)據(jù)時，首先根據(jù) USB_BTABLE 的值找到描述表的位置，然后再根據(jù)描述表第一個表項的 USB_ADDR0_RX 找到接收緩沖區(qū)的地址，最后寫入數(shù)據(jù)（寫入過程中會判斷是否超出限制，防止破壞其他緩沖區(qū)，這個通過 USB_COUNT0_Rx 判斷），當應用程序進行讀取上述地址的數(shù)據(jù)時，因為采用了 32 位訪問，所以對 USB_BTABLE 和 USB_ADDR0_RX 偏移地址 x2，這樣就可以找到我們需要的緩存地址，從而讀取到主機發(fā)給設備的數(shù)據(jù)，然后進行相應的處理。
設備發(fā)送同理。

具體實現(xiàn)可參考魚鷹給出的源代碼。

審核編輯 黃昊宇