STM32 USB驱动

发表于 2018-8-29 15:24

目前，ST的USB驱动有两套，一套是早期的独立版USB驱动，官方培训文档中称为Legacy library，最新版为2.2.0；一套为针对其Cube系列的驱动，根据芯片不同可能有区别，具体见对应芯片的Cube驱动包，官方培训文档中称为Cube library。本文使用的为Legacy libraryUSB驱动。

发表于 2018-8-29 15:25

USB（Universal Serial Bus）是一种支持热插拔的高速串行传输总线，它使用差分信号来传输数据。在USB 1.0和 USB 1.1 版本中，只支持1.5Mb/s 的低速（low-speed）模式和 12Mb/s 的全速（full-speed）模式，在USB 2.0中，又加入了480Mb/s的高速模式，USB 3.0(super speed)，传输速率最大5Gbps。USB 2.0 被设计成为向下兼容的模式，当有全速（USB 1.1）或者低速（USB 1.0）设备连接到高速（USB 2.0）主机时，主机可以通过分离传输来支持它们。一条USB 总线上，可达到的最高传输速度等级由该总线上最慢的“设备”决定。

发表于 2018-8-29 15:26

USB 体系包括USB host（主机）、USB device(设备)以及物理连接(USB interconnect)三个部分。其中，设备(USB device)又分为 USB function和USB Hub。

发表于 2018-8-29 15:26

SB host：任何USB系统中只有一个主机。主机系统的USB接口被称为主机控制器。主机控制器可以以硬件，固件或软件的组合来实现。根集线器集成在主机系统内以提供一个或多个连接点。

发表于 2018-8-29 15:27

USB device：可以分为

USB Hub： USB HUB提供了一种低成本、低复杂度的USB接口扩展方法。HUB的上行PORT面向HOST，下行PORT面向设备(HUB或功能设备)。在下行PORT上，HUB提供了设备连接检测和设备移除检测的能力，并给各下行PORT供电。HUB可以单独使能各下行PORT。不同PORT可以工作在不同的速度等级(高速/全速/低速)。

发表于 2018-8-29 15:28

USB function：能够通过总线传输或接收数据或控制信息的设备，在USB2.0标准中，别成为Clas。
主要有以下三类：

A human interface device such as a mouse, keyboard, tablet, or game controller
An imaging device such as a scanner, printer, or camera
A mass storage device such as a CD-ROM drive, floppy drive, or DVD drive

发表于 2018-8-29 15:29

USB interconnect： USB设备连接到主机并与之通信的方式。主要由以下三部分：

Bus Topology： USB上的设备通过分层的星形拓扑物理连接到主机，如下图所示。 USB连接点由称为集线器的特殊类别的USB设备提供。集线器提供的附加连接点称为端口。主机包括称为根集线器的嵌入式集线器。主机通过根集线器提供一个或多个连接点。为主机提供附加功能的USB设备称为功能。为了防止循环附件，USB层的星形拓扑结构上采用了分层排序。USB设备和主机之间的连接模型
Inter-layer Relationships：就功能堆栈而言，是系统中每层执行的USB任务。

Data Flow Models：数据在生产者和消费者之间通过USB在系统中移动的方式。

发表于 2018-8-29 15:31

USB电器特性

该部分主要针对USB 2.0规范的第六章和第七章。在USB 2.0系统中要求USB传输线使用屏蔽双绞线。USB 支持“总线供电”和“自供电”两种供电模式。在总线供电模式下，设备最多可以获得500mA 的电流。一条USB传输线分别由地线、电源线、D+和D-四条线构成，D+和D-是差分输入线。它使用的是3.3V的电压（与CMOS的5V电平不同），而电源线和地线可向设备提供 5V 电压，最大电流为500mA (可以在编程中设置)。

发表于 2018-8-29 15:31

在USB2.0规范中，定义了以下一些电平信号：

差分信号1：D+>2.8V，D-<0.3V；
差分信号0：D->2.8V，D+<0.3V。
J 状态和 K 状态
低速下：D+ 为“0”，D- 为“1”是为“J”状态，“K”状态相反；
全速下：D+ 为“1”，D- 为“0”是为“J”状态，“K”状态相反；
高速同全速。
SE0 状态：D+为“0”，D- 为“0”
IDLE 状态
低速下空闲状态为“K”状态；
全速下空闲状态为“J”状态；
高速下空闲状态为“SE0”状态。
针对低速 / 全速模式，有以下几个重要信号：

Reset 信号：主机在要和设备通信之前会发送Reset信号来把设备配置到默认的未配置状态。即 SE0 状态保持10ms。
Resume 信号：20ms的 K 状态 + 低速 EOP

发表于 2018-8-29 15:32

USB 通信协议

以下部分主要根据 USB 2.0 规范的第八章。数据在USB线里传送是由低位到高位发送的。USB采用NRZI(非归零编码)对发送的数据包进行编码。即：输入数据0，编码成“电平翻转”；输入数据1，编码成“电平不变”。
USB采用不归零取反来传输数据，当传输线上的差分数据输入0时就取反，输入1时就保持原值，为了确保信号发送的准确性，当在USB总线上发送一个包时，传输设备就要进行位插入操作(即在数据流中每连续6个1后就插入一个0)，从而强迫NRZI码发生变化。接收方解码NRZI码流，然后识别出填充位，并丢弃它们。这些是由专门硬件处理的。

发表于 2018-8-29 15:32

USB 数据格式

USB数据是由二进制数字串构成的，首先数字串构成域(有七种)，域再构成包，包再构成事务(IN、OUT、SETUP)，事务最后构成传输(中断传输、并行传输、批量传输和控制传输)。下面介绍一下域、包和事务。
USB协议规定了四种传输（transfer）类型：批量传输、同步传输、中断传输和控制传输。其中，批量传输、同步传输和中断传输每传输一次数据都是一个事务，控制传输包括三个过程，建立过程和状态过程分别是一个事务，数据过程则可能包含多个事务。

发表于 2018-8-29 15:32

域（Field）

域一个包被分为不同域，域是USB数据最小的单位，由若干位组成(多少位由具体的域决定)。根据不同类型的包，所包含的域是不一样的。但都要以同步域SYNC开始，紧跟一个包标识符PID，最终以包结束符EOP 来结束这个包。

发表于 2018-8-29 15:33

包（Packet）

包（Packet）是USB系统中信息传输的基本单元，所有数据都是经过打包后在总线上传输的。
包是USB总线上数据传输的最小单位，不能被打断或干扰，否则会引发错误。若干个数据包组成一次事务传输，一次事务传输也不能打断，属于一次事务传输的几个包必须连续，不能跨帧完成。一次传输由一次到多次事务传输构成，可以跨帧完成。
由域构成的包有四种类型，分别是令牌包、数据包、握手包和特殊包，前面三种是重要的包，不同包的域结构不同

发表于 2018-8-29 15:33

事务（Transaction）

在USB上数据信息的一次接收或发送的处理过程称为事务处理（Transaction），分别有IN、OUT和SETUP三大事务。一个事务由一系统packet组成，具体由哪些packet组成，它取决于具体的事务。可能由如下包组成：

一个token packet
可选的data pcket
可选的handshake packet
可选的special packet

发表于 2018-8-29 15:33

传输（Transfers）

以下部分主要根据 USB 2.0 规范的第五章和第八章。USB系统中的数据传输，宏观看是在HOST和USB功能设备之间进行。微观看是在应用软件的Buffer和USB功能设备的端点之间进行。一般来说端点都有Buffer，可以认为USB通讯就是应用软件Buffer和设备端点Buffer之间的数据交换，交换的通道称为管道。通常需要多个管道来完成数据交换，因为同一管道只支持一种类型的数据传输。用在一起来对设备进行控制的若干管道称为设备的接口，这就是端点、管道和接口的关系。

发表于 2018-8-29 15:34

控制传输（Control Transfers）

控制传输是一种可靠的双向传输，是最重要也是最复杂的。一次控制传输分为三(或两个)个阶段：建立(Setup)、数据(DATA)(可能没有)以及状态(Status)。每个阶段都由一次或多次(数据阶段)事务传输组成(Transaction)。在USB设备初次接到主机后，主机通过控制传输来交换信息、设备地址和读取设备的描述符，使得主机识别设备，并安装相应的驱动程序，这是每一个USB开发者都要关心的问题。
控制传输是双向的传输，必须有IN和OUT两个方向上的特定端点号的控制端点来完成两个方向上的控制传输

发表于 2018-8-29 15:35

中断传输（Interrupt Transfers）

中断传输是一种轮询的传输方式，是一种单向的传输。HOST通过固定的间隔对中断端点进行查询，若有数据传输或可以接收数据则返回数据或发送数据。否则返回NAK，表示尚未准备好。中断传输的延迟有保证，但并非实时传输，它是一种延迟有限的可靠传输，支持错误重传。对于高速/全速/低速端点，最大包长度分别可以达到1024/64/8 Bytes。高速中断传输不得占用超过 80%的微帧时间，全速和低速不得超过90%。中断端点的轮询间隔由在端点描述符中定义，全速端点的轮询间隔可以是1 ~ 255mS。低速端点为10 ~ 255mS，高速端点为(2interval-1)*125uS，其中 interval 取 1到 16 之间的值。
除高速高带宽中断端点外，一个微帧内仅允许一次中断事务传输。高速高带宽端点最多可以在一个微帧内进行三次中断事务传输，传输高达 3072 字节的数据。
所谓单向传输，并不是说该传输只支持一个方向的传输。而是指在某个端点上该传输仅支持一个方向，或输出、或输入。如果需要在两个方向上进行某种单向传输，需要占用两个端点,分别配置成不同的方向。可以拥有相同的端点编号。
中断传输由OUT事务和IN事务构成，用于键盘、鼠标等HID设备的数据传输。
中断传输在流程上除不支持PING之外，其他的跟批量传输是一样的。他们之间的区别也仅在于事务传输发生的端点不一样、支持的最大包长度不一样、优先级不一样等这样一些对用户来说透明的东西。
主机在排定中断传输任务时，会根据对应中断端点描述符中指定的查询间隔发起中断传输。中断传输有较高的优先级，仅次于同步传输。同样中断传输也采用 PID 翻转的机制来保证收发端数据同步。

发表于 2018-8-29 15:35

批量传输（Bulk Transfers）

批量传输由OUT事务和IN事务构成，是一种可靠的单向传输，但延迟没有保证，它尽量利用可以利用的带宽来完成传输，适合数据量比较大的传输。低速USB设备不支持批量传输，高速批量端点的最大包长度为512，全速批量端点的最大包长度可以为8、16、32、64。
用于传输大量数据，要求传输不能出错，但对时间没有要求，适用于打印机、存储设备等
批量传输在访问USB总线时，相对其他传输类型具有最低的优先级，USB HOST总是优先安排其他类型的传输，当总线带宽有富余时才安排批量传输。高速的批量端点必须支持PING操作，向主机报告端点的状态。NYET表示否定应答，没有准备好接收下一个数据包，ACK 表示肯定应答，已经准备好接收下一个数据包。

发表于 2018-8-29 15:35

同步传输（Isochronous Transfers）

同步传输是一种实时的、不可靠的传输，不支持错误重发机制。只有高速和全速端点支持同步传输，高速同步端点的最大包长度为1024，低速的为1023。由OUT事务和IN事务构成。有两个特殊地方，第一，在同步传输的IN和OUT事务中是没有返回包阶段的；第二，在数据包阶段所有的数据包都为DATA0。
它由两种包组成：

token
data

发表于 2018-8-29 15:59

USB设备架构

USB 设备第一次连接到主机时, 要接收主机枚举( Enumeration) 和配置(Configuration) ，目的是让主机知道设备功能、是哪一类的USB 设备、占用多少资源、使用了哪些传输方式以及传输的数据量等等。只有主机完全确认了这些信息后, 设备才能真正开始工作。USB Host通过设备请求命令来获取或者设置USB Device的参数/数据。这些信息是通过存储在设备中的USB 描述符来体现的。

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