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STM32 之 USB IP（USB模組） 詳解

阿新 • • 發佈：2019-02-13

模組分類

  在 STM32 眾多系列的 MCU 中，USB模組並不是相同的，官方稱呼為USB IP 不同。總的來說可以分文兩大類：USB IP、OTG IP。這兩種 IP又可以進行更進一步的細分，如下圖：
USB IP
上圖中羅列的晶片並不是很全面，某些新系列的晶片可能與上圖有出入。各IP的主要區別如下：

  • USB IP：
    • 僅可作為全速或低速的USB裝置；
    • 符合USB2.0中的全速規範
    • 可用資源：8個雙向可配置端點
    • 512位元組 的專用資料包緩衝儲存器SRAM
    • CRC(迴圈冗餘校驗)生成/校驗，反向不歸零(NRZI)編碼/解碼和位填充
    • 支援四種傳輸型別：對於bulk和同步傳輸，還支援double buffer模式；使得一個buffer用於USB硬體和PC
      交換資料的同時，另外一個buffer可被MCU使用
    • 支援USB裝置的掛起和喚醒操作（寫控制暫存器），從而停止裝置時鐘，以進入低功耗模式
      USB
      F102/103中的USB和CAN共享512位元組的專用SRAM來進行資料收發操作，因此兩個IP不能同時使用
  • USB+ IP： 是針對USB IP的擴充套件版本，同樣僅可作為全速或低速的USB裝置，但是ST針對這部分的USB模組進行了擴充套件，例如添加了USB低功耗管理等。除了以上USB IP特性外，還有如下：
    • 1024位元組 的專用資料包緩衝儲存器SRAM
    • 同步傳輸支援
    • USB 2.0 Link電源管理支援
    • 電池充電規範修訂版1.2支援
    • USB連線/斷開功能（USB_DP線上可控嵌入式上拉電阻）
      USB+
  • FS OTG IP：
    可作為全速和低速USB主機；可作為全速USB裝置
    USBFS
  • HS OTG IP： 可作為高速、全速和低速USB主機；可作為高速和全速USB裝置
    USB HS
    無論以上哪種 IP，其全部符合USB 2.0規範。

Packet buffer的使用

  Packet buffer存在於USB IP和USB+ IP中（在 OTG IP中稱為FIFO），其用法是一致的。每個雙向端點對應兩個packet buffer，分別用於傳送和接收。軟體通過packet buffer interface來訪問它們。
  這些packet buffer的位置和大小都可配置，由buffer描述表指定 ，Buffer描述表本身也在這塊memory裡，它自己的地址是由USB_BTABLE暫存器

指定的。Table裡每個entry由4個半字組成（分別表示雙向EP的接收packet和傳送packet的位置和大小） 因此該table的位置本身必須以8位元組對齊，即USB_BTABLE的低三位全部為0。
  USB外設硬體不會把本EP的資料溢位到與其相鄰的其他packet 如果收到的資料多於buffer的長度，則只把前length個數據放到該EP對應的Packet buffer中。
Packet buffer
在ST給出的驅動中，各端點的初始化情況如下：

  • 硬體傳送緩衝區
    • 在初始化時設定各個EP硬體傳送緩衝區的起始地址 @[email protected]硬體緩衝描述表
    • 在準備好要傳送的資料後，設定傳送長度@[email protected]硬體緩衝描述表
  • 硬體接收緩衝區
    • 在初始化時設定各個EP硬體接收緩衝區的起始地址 @[email protected]硬體緩衝描述表
    • 在初始化時設定各個EP硬體接收緩衝區的長度 @COUNTn_RX的高位@硬體緩衝描述表，以允許接收緩衝區的溢位檢測；一般都是接收EP的最大包長
    • 在收到資料併產生ISR中，從硬體接收快取讀取資料之前先要看收到了多少資料（實際收到的資料不一定填滿接收快取的）

FIFO的使用

  存在於 OTG IP中。使用相對來說要複雜不少。

驅動程式

  在實際使用中，發現USB驅動有許多bug，需要特殊注意！關於這部分請參考針對USB部分的獨立博文。無論是標準外設庫版還是HAL庫版，ST官方有針對各BUG的獨立說明文件，這個在做具體移植時需要特殊注意。

標準外設庫版（官方培訓文件稱為 Legacy library ）

  針對不同的晶片有不同的獨立版本驅動（主要是USB IP是有區別的）。目前有如下幾個：

STSW-STM32046： 主要是針對STM32F105/7, STM32F2 and STM32F4 USB on-the-go Host and device library，對應的說明文件為UM1021。下載地址為https://www.st.com/content/st_com/en/products/embedded-software/mcus-embedded-software/stm32-embedded-software/stm32-standard-peripheral-library-expansion/stsw-stm32046.html，該版本的驅動最新版本為2.2.0。
  實現的裝置例程：AUDIO、DFU、HID、MSC、VCP、Dual Core（FS IP和HS IP同時工作，分別實現MSC和HID裝置）
  實現的主機例程：MSC、HID、Dual Core（FS IP和HS IP同時工作，分別實現MSC和HID主機功能）
  實現的雙角色例程：DRD（根據插入電纜的不同，分別作MSC主機和MSC裝置功能）
STSW-STM32121： 主要是針對STM32F10x, STM32L1xx and STM32F3xx USB full speed device library，對應的說明文件為UM0424。
下載地址為https://www.st.com/content/st_com/en/products/embedded-software/mcus-embedded-software/stm32-embedded-software/stm32-standard-peripheral-library-expansion/stsw-stm32121.html，該版本的驅動最新版本為4.0.1。
  實現的例程（只能是Device）：Audio_Speaker、DFU、MSC、Joystick、Custom_HID、VCP、MSC+HID 複合裝置
STSW-STM32092： 主要是針對STM32F0x2xx USB FS device library，對應的說明為UM1717。下載地址為https://www.st.com/content/st_com/en/products/embedded-software/mcus-embedded-software/stm32-embedded-software/stm32-standard-peripheral-library-expansion/stsw-stm32092.html，該版本驅動的最新版本為1.0.0。這裡需要注意，該驅動是針對STM32F0x2xx的，但是可以非常方便的移植到STM32F0xx系列得MCU中。 需要根據具體晶片的時鐘，修改驅動的usb_conf.h和usb_bsp.c。關於具體的移植可參考網友的該文章USB庫STM32F0x2移植到STM32F070筆記
  實現的例程（只能是Device）：Audio_Speaker、CCID、MSC、Custom_HID、HID、HID_LPM_test、DFU、Virtual_COM_Port、CDC+HID複合裝置、MSC+HID複合裝置

  該版本的驅動不但可以非常方便的與之前的標準外設庫一同使用，而且可以非常方便的與HAL庫一起使用。 博文STM32之標準外設版USB驅動+MSC(Host)+Fatfs移植就是使用的HAL外設庫+標準外設庫版的USB驅動的移植。使用標準外設庫版版USB庫的主要原因是，該版本的USB庫經過多年驗證，相對穩定！而在使用HAL版USB庫時，發現了許多BUG。
  以上這些驅動在ST官網一次次改版之後，已經非常難找到！我記得在之前都不需要登陸就可以下載，現在還必須登陸才可以下載！

HAL庫版（官方培訓文件稱為 Cube library ）

  從目前的情況來看，ST已經徹底放棄了之前用了很久的標準外設庫，全面轉投 STM32CubeTM。在驅動程式方面，標準外設庫也基本不再維護更新！
  STM32CubeTM系列的驅動相比較標準外設庫來說更將全面，同樣USB驅動也比標準外設庫更加全面。這部分驅動一般很少手動來移植處理，直接使用STM32CubeMX工具來處理。
  不同晶片的USB驅動均包含在針對各晶片的獨立Cube驅動包中。其中的USB驅動或多好少回有點區別，也可能沒有區別。具體可直接檢視Cube驅動包的驅動說明。總結一下：
CubeUSB
上圖由於比較早，其中部分晶片沒有列出。

配套工具

  ST為開發者提供了一些常用的工具，具體如下：

參考

  ST 的各種培訓資料

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