STM32入門學(xué)習(xí)筆記之USB讀卡器實(shí)驗(yàn)1

22.1 USB概述

USB是英文Universal Serial BUS（通用串行總線）的縮寫，是一個(gè)外部總線標(biāo)準(zhǔn)，用于規(guī)范電腦與外部設(shè)備的連接和通訊。是應(yīng)用在PC領(lǐng)域的接口技術(shù)。USB接口支持設(shè)備的即插即用和熱插拔功能。

是在1994年底由英特爾、康柏、IBM、Microsoft等多家公司聯(lián)合提出的。發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)有USB1.0/1.1/2.0/3.0/3.1等多個(gè)版本。目前用的最多的就是USB2.0和USB3.0，USB3.1目前已經(jīng)開始普及。

STM32F103自帶的USB符合USB2.0規(guī)范。標(biāo)準(zhǔn)USB共四根線組成,除VCC和GND外，另外為D+，D-，這兩根數(shù)據(jù)線采用的是差分電壓的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)摹Ｔ赨SB主機(jī)上，D-和D+都是接了15K的電阻到低的，所以在沒有設(shè)備接入的時(shí)候，D+、D-均是低電平。

而在USB設(shè)備中，如果是高速設(shè)備，則會(huì)在D+上接一個(gè)1.5K的電阻到VCC，而如果是低速設(shè)備，則會(huì)在D-上接一個(gè)1.5K的電阻到VCC。這樣當(dāng)設(shè)備接入主機(jī)的時(shí)候，主機(jī)就可以判斷是否有設(shè)備接入，并能判斷設(shè)備是高速設(shè)備還是低速設(shè)備。

STM32F1自帶一個(gè)USB從機(jī)控制器，符合USB規(guī)范通信，PC主機(jī)和微控制器之間的數(shù)據(jù)傳輸是通過(guò)共享一個(gè)專用的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)來(lái)完成的，該數(shù)據(jù)緩沖區(qū)能被USB外設(shè)直接訪問，這塊專用數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的大小由所使用的端點(diǎn)數(shù)目和每個(gè)端點(diǎn)最大的數(shù)據(jù)分組大小所決定，每個(gè)端點(diǎn)最大可使用512字節(jié)緩沖區(qū)，最多可用于16個(gè)單向或8個(gè)雙向端點(diǎn)。

USB模塊同PC主機(jī)通信，根據(jù)USB規(guī)范實(shí)現(xiàn)令牌分組的檢測(cè)，數(shù)據(jù)發(fā)送/接收的處理，和握手分組的處理。整個(gè)傳輸?shù)母袷接捎布瓿桑渲邪–RC的生成和校驗(yàn)。

每個(gè)端點(diǎn)都有一個(gè)緩沖區(qū)描述塊，描述該端點(diǎn)使用的緩沖區(qū)地址、大小和需要傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)。當(dāng)USB模塊識(shí)別出一個(gè)有效的功能/端點(diǎn)的令牌分組時(shí)，(如果需要傳輸數(shù)據(jù)并且端點(diǎn)已配置）隨之發(fā)生相關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸。

USB模塊通過(guò)一個(gè)內(nèi)部的16位寄存器實(shí)現(xiàn)端口與專用緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)交換。在所有的數(shù)據(jù)傳輸完成后，如果需要，則根據(jù)傳輸?shù)姆较?，發(fā)送或接收適當(dāng)?shù)奈帐址纸M。在數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束時(shí)，USB模塊將觸發(fā)與端點(diǎn)相關(guān)的中斷，通過(guò)讀狀態(tài)寄存器和/或者利用不同的中斷來(lái)處理。USB設(shè)備架構(gòu)如圖所示。

USB的中斷映射單元：將可能產(chǎn)生中斷的USB事件映射到三個(gè)不同的NVIC請(qǐng)求線上：

（1）USB低優(yōu)先級(jí)中斷（通道20）：可由所有USB事件觸發(fā)（正確傳輸，USB復(fù)位等）。在處理中斷前應(yīng)首先確定中斷源。

（2）USB高優(yōu)先級(jí)中斷（通道19）：僅由同步和雙緩沖批量傳輸?shù)恼_傳輸事件觸發(fā)，為保證最大的傳輸速率。

（3）USB喚醒中斷（通道42）：由USB掛起模式的喚醒事件觸發(fā)。

注：USB和CAN共用一個(gè)專用的512字節(jié)的SRAM存儲(chǔ)器用于數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，因此不能同時(shí)使用USB和CAN（共享的SRAM被USB和CAN模塊互斥地訪問）。USB和CAN可以同時(shí)用于一個(gè)應(yīng)用中但不能在同一個(gè)時(shí)間使用。

22.2 實(shí)驗(yàn)例程

如果需要正常的使用STM32F1系列的USB模塊，就需要編寫USB驅(qū)動(dòng)程序，這部分程序非常復(fù)雜，需要了解整個(gè)USB通信的詳細(xì)過(guò)程，針對(duì)這個(gè)問題，ST公司提供了一個(gè)官方的USB驅(qū)動(dòng)庫(kù)，用戶可以通過(guò)直接移植官方驅(qū)動(dòng)庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)USB讀寫控制。

我們現(xiàn)在直接利用官方的USB驅(qū)動(dòng)源碼來(lái)通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行SD卡和Flash的讀寫，這里我們需要對(duì)官方源碼進(jìn)行一些修改，用于實(shí)現(xiàn)這個(gè)效果。

22.2.1 USB源碼概述

USB Mass Storage類支持兩個(gè)傳輸協(xié)議：

（1）Bulk-Only傳輸（BOT）

（2）Control/Bulk/Interrupt傳輸（CBI）

MassStorage類規(guī)范定義了兩個(gè)類規(guī)定的請(qǐng)求：Get_Max_LUN和MassStorageReset，所有的MassStorage類設(shè)備都必須支持這兩個(gè)請(qǐng)求。

（1）Get_Max_LUN（bmRequestType=10100001 bandb Request=11111110b）用來(lái)確認(rèn)設(shè)備支持的邏輯單元數(shù)。MaxLUN的值必須是0~15。注意：LUN是從0開始的。主機(jī)不能向不存在的LUN發(fā)送CBW，本章我們定義MaxLUN的值為1，即代表2個(gè)邏輯單元。

（2）MassStorageReset（bmRequestType=00100001 bandb Request=11111111b）用來(lái)復(fù)位MassStorage設(shè)備及其相關(guān)接口。

支持BOT傳輸的MassStorage設(shè)備接口描述符要求如下：

（1）接口類代碼bInterfaceClass=08h，表示為MassStorage設(shè)備。

（2）接口類子代碼bInterfaceSubClass=06h，表示設(shè)備支持SCSIPrimaryCommand-2（SPC-2）。

（3）協(xié)議代碼bInterfaceProtocol有3種：0x00、0x01、0x50，前兩種需要使用中斷傳輸，最后一種僅使用批量傳輸（BOT）。

（4）支持BOT的設(shè)備必須支持最少3個(gè)endpoint：Control，Bulk-In和Bulk-Out。USB2.0的規(guī)范定義了控制端點(diǎn)0。Bulk-In端點(diǎn)用來(lái)從設(shè)備向主機(jī)傳送數(shù)據(jù)（本章用端點(diǎn)1實(shí)現(xiàn)）。Bulk-Out端點(diǎn)用來(lái)從主機(jī)向設(shè)備傳送數(shù)據(jù)（本章用端點(diǎn)2實(shí)現(xiàn)）。

ST官方的例程是通過(guò)USB來(lái)讀寫SD卡（SDIO方式）和Nand Falsh，支持2個(gè)邏輯單元，我們?cè)诠俜嚼痰幕A(chǔ)上，只需要修改SD驅(qū)動(dòng)部分代碼，并將對(duì)Nand Falsh的操作修改為對(duì)SPI Falsh的操作。只要這兩步完成了，剩下的就比較簡(jiǎn)單了，對(duì)底層磁盤的讀寫，都是在mass_mal.c文件實(shí)現(xiàn)的，所以我們只需要修改該函數(shù)的MAL_Init、MAL_Write、MAL_Read和MAL_GetStatus等4個(gè)函數(shù)，與我們的SD卡和SPI Falsh對(duì)應(yīng)起來(lái)即可。

22.2.2 源碼移植過(guò)程

（1）需要添加的文件如下表所示。