173
1. 概述
我们已经对 USB 硬件和数据的四种传输类型有了一个基本的了解。
控制传输(Control Transfers)
批量传输(Bulk Data Transfers)
中断传输(Interrupt Data Transfers)
同步传输(Isochronous Data Transfers)
下面我们通过一个例子看一下 USB 的具体工作过程。在此我们用一个比较实用的例子，就是把我们的板子用 USB 连接至 PC，然后在 PC 端出现一个模拟串口，通过串口助手打开这个串口，然后实现数据的双向传输。最后我们聊一下很多工程师都会忽视的 USB 认证问题。
2. 例程
我们打开 ST 的 Cube 库中的 CDC 例程：
STM32Cube_FW_F1_V1.8.0\Projects\STM3210C_EVAL\Applications\USB_Device\CDC_Standalone\MDK-ARM\Project.uvprojx
这个例程用到 USB 的同时还会用到 USART，USB 从 PC 端收到数据后会转发到 USART，从 USART 接收到消息会上传至 PC。我们可以把 USART 的 TX 和 RX 短接，这样从 PC 端下发的数据会原样回传给 PC 端。
这个例程使用的硬件是 STM3210C-EVAL，原理图可以在 stmcu.org.cn 找到。如果我们使用的是其它板子，就需要在这个工程基础上做一些改动。比如现在我们使用 STM32F105RBT6,8M 晶振，串口用 PTA2，PTA3，那么我们的要做如下修改：
首先，修改使用的 MCU：
然后修改时钟初始化部分。下图为 STM32F105 时钟模块示意图。USB 工作需要 48MHz 的时钟。
(STM32F105xx Datasheet)
如果板子的晶振是 8M，那么参数需要做如下配置：
(OSC IN = 8M)
PREDIV1SRC = 0b0, HSE oscillator clock selected as PREDIV1 clock entry
PREDIV1 = 0b0, PREDIV1 input clock not divided
PLLSRC = 0b1, Clock from PREDIV1 selected as PLL input clock
PLLMUL = 0b0111, PLL input clock x 9
(PLLCLK = 72M)
SW = 0b10, PLL selected as system clock
PLLVCO = 2*PLLCLK = 144M
USBPRE = 0, PLL clock is divided by 1.5 (or PLLVCO/3)
USB Clock = = PLLCLK/1.5 = 72M/1.5 = 48M
例程中的对应代码修改：
最后修改使用的串口引脚：
stm32f1xx_hal_msp.c
//AFIOCOMx_REMAP(0); // Remap USART2 to PTD5/6
usbd_cdc_interface.h
/* Definition for USARTx Pins */
//#define USARTx_TX_PIN GPIO_PIN_5
//#define USARTx_TX_GPIO_PORT GPIOD
//#define USARTx_RX_PIN GPIO_PIN_6
//#define USARTx_RX_GPIO_PORT GPIOD
#define USARTx_TX_PIN GPIO_PIN_2
#define USARTx_TX_GPIO_PORT GPIOA
#define USARTx_RX_PIN GPIO_PIN_3
#define USARTx_RX_GPIO_PORT GPIOA
终于可以编译运行了，用 USB 线把板子连到 PC 的 USB 口，记得把板子的 PTA２和 PTA３引脚短接起来。在设备管理器我们看到多出来一个串口，看它的属性会看到它的 VID，PID 跟我们程序中设置的一致。
用串口助手打开此串口，发送字符串，会看到返回同样的字符串。
下面我们来看一下具体的工作过程。
3.USB 枚举(Enumeration)
当我们给设备上电，程序控制芯片内集成的上拉电阻连接至 USBDP 时，USB 主机(PC 端)会检测到这一变化并向设备供电。此时设备处于 Powered 状态。
主机等待 100ms 设备稳定后复位并使能此端口，此时设备可以从 Vbus 获取不超过 100mA 的电流，其默认地址是 0，处于 Default 状态。
主机通过 0 地址向该设备发送 Get_Descriptor 标准请求，获取设备的描述符。主机再次复位该 PORT，并发送标准请求 Set_Address 给设备分配一个地址，之后的通信都是用此地址，设备进入 Address 状态。
主机通过新地址向设备再次发送 Get_Descriptor 标准请求，获取设备描述符。发送 Get_Configuration 请求，获取配置描述符。一个设备可以有多个配置，主机选择合适配置，通过 Set_Configuration 请求对设备而进行配置，设备进入 Configured 状态。
USB 的枚举过程是标准的，所以库里也有对应的标准处理代码。我们可以不用关心。好了，现在可以开始数据的双向传输了。
4. 数据传输
我们已经了解所有 USB 传输都是由 USB 主机（Host）发起的，作为 USB 设备只能是被动的等待。当 Host 下发请求时会在设备中产生各种中断，设备完成各种中断的处理就行了。其中需要特别关注的有两个:
OEPINT(Output Endpoint Int),表明主机下发了数据。
IEPINT(Output Endpoint Int)。表明主机请求设备上传数据。
那么用户在代码里如何收发 USB 数据的呢？
我们在 usbd_cdc_interface.c 里关注下面这些就够了：
uint8_t UserRxBuffer[APP_RX_DATA_SIZE]; //USB 下发数据缓冲区
uint8_t UserTxBuffer[APP_TX_DATA_SIZE]; // 需要发给 USB 上位机的数据缓冲区
下面这个函数是用户用来处理接收缓冲区数据的，在初始化时需要传递给 USB 驱动，然后驱动收到 USB 下发的数据后会回调此函数。在例程中此函数把接收数据转发给了 USART2。当然你也可以什么都不做。
static int8_t CDC_Itf_Receive(uint8_t * Buf, uint32_t * Len);
那么如果有数据需要发给上位机呢？我们可以用下面这个函数：
USBD_CDC_TransmitPacket(&USBD_Device)；
注意此数据是先放入 IN 端点，然后等待 IEPINT 中断发生时才被取走发送。
5. 一个重要又容易被忽视的问题
至此好像万事大吉了。
等等，如果产品这样发出去，你可能给公司惹麻烦了！
还有一个很重要的问题我们千万不要忽视，就是 VID 和 PID，既厂商识别符(Vendor ID)和产品识别符(Product ID)。我们例程中使用的是 VID 0x0483, PID 0x5740。这个 VID 是专门分配给 ST 的，虽然我们用这个号程序也能运行，但是不符合规范的。我们的可以在 usb.org/developers 网站查到当前为所有 USB 厂商分配的 VID。如果我们要开发 USB 设备，还要向 USB 组织申请自己的 VID，之后还要做微软徽标认证，就可以畅行无阻了。
参考资料：
UM1734 STM32Cube USB device library
USB Specification 2.0
Universal Serial Bus Class Definitions for Communications Devices 1.2
STM32F105xx Datasheet
STM32F105xx RM
关注公众号，扫码加入嵌入式交流群：
下载ECAD模型
