USB技术详解：从协议演变到STM32实现

USB技术详解：从协议演变到STM32实现

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/m0_61973119/article/details/141573143

USB（Universal Serial Bus）是一种串行总线标准，用于连接计算机系统与外部设备。从1996年第一个版本发布至今，USB已经发展了多个版本，每个版本都带来了传输速率和功能上的显著提升。本文将详细介绍USB的发展历程、技术原理以及在STM32微控制器上的具体实现方法。

一、USB发展历史

USB协议版本经历了多个阶段的发展，从最初的USB1.0到目前主流的USB3.0，传输速率有了显著提升。

• USB1.0和USB1.1：只有低速模式（Low-Speed Mode）和全速模式（Full-Speed Mode），理论最大传输速率分别为1.5Mbps和12Mbps。
• USB2.0：除了保留USB1.1的传输模式外，还增加了480Mbps的高速数据传输模式。虽然传输速度大幅提升，但其工作原理和模式与USB1.1保持一致，主要通过提高单位传输速率来实现性能提升。
• USB3.0：最大传输速率理论值高达5Gbps，并引入了全双工数据传输机制。通过5根线路中2根发送数据、2根接收数据的设计，实现了同步全速的读写操作。

图1：USB3.0与USB2.0的物理接口对比

USB3.0与USB2.0的外观区别主要包括：

• 颜色：USB3.0接口通常是蓝色，而USB2.0是黑色或白色（具体颜色可能因厂家而异）。
• 插口引脚：USB3.0有9针脚，而USB2.0只有4针脚。
• 标识：USB3.0插口旁边通常有“SS”标志，代表“SuperSpeed”。

图2：USB3.0与USB2.0接线对比

USB2.0接线包含4根用于数据传输的线，2根用于电源供应，剩下的3根则用于地线和屏蔽。

二、USB技术原理

2.1 USB概念

USB有多个版本，包括USB1.0/1.1/2.0/3.0。标准USB由4根线组成：VCC（电源）、GND（地线）、D+（数据正）、D-（数据负），其中D+和D-采用差分传输方式。在USB主机上，D-和D+都连接了15K的电阻到地，因此在没有设备接入时，D+、D-均是低电平。而在USB设备中，高速设备会在D+上接一个1.5K的电阻到VCC，低速设备则会在D-上接一个1.5K的电阻到VCC，主机通过检测这些电阻可以判断设备类型。

2.2 USB速度

USB2.0支持三种速度模式：

• 低速（LS）：支持1.5Mb/s的传输速率，主要用于交互式设备（如鼠标、键盘）。
• 全速（FS）：支持12Mb/s的传输速率，主要用于电话和音频设备（如麦克风、扬声器）。
• 高速（HS）：支持480Mb/s的传输速率，主要用于视频和存储设备（如打印机、相机）。

USB 2.0向后兼容以前的规范，因此高速设备还可以支持低速和全速信号。

2.3 USB模式

在单片机应用中，USB可以有多种应用场景：

• OTG（On-The-Go）：既可以作为USB主机，也可以作为USB设备。
• USB Host：单片机作为主机，可以读取和传输USB中的数据。
• USB Device：单片机作为从机，作为一个USB移动设备，通过USB连接到电脑上，类似于U盘。

USB设备还可以分为以下几类：

• HID（Human Interface Device）：人机接口设备，用于与人类交互，例如键盘、鼠标、游戏手柄等。
• MSC（Mass Storage Class）：大容量存储类，用于存储数据，例如闪存驱动器、移动硬盘等。
• CDC（Communication Device Class）：通信设备类，主要用于支持串行通信和数据传输。

2.4 设备状态

从完全分离到被USB Host完全识别并确保其功能，USB设备会经历连续的阶段：

• Attached：设备物理连接到USB主机但尚未通电的阶段。
• 已通电：设备连接到USB Host并刚刚通电的阶段。
• Default：设备通电后由主机重置时进入的阶段，此时设备以默认地址（0）运行。
• Addressed：设备从主机接收唯一地址后进入的阶段。
• Configured：设备收到主机发送的配置编号不为零的便捷请求后进入的阶段。
• Suspended：如果在取决于速度的已知时间段内没有流量数据，则设备必须进入此阶段。

三、USB引脚图

USB接口通常包含4个引脚，其中D+和D-用于差分信号传输，以提高抗噪能力和数据完整性。根据设备类型，USB设备可以分为两种：

• 总线供电功能：完全依赖于来自上游集线器的总线电源。
• 自供电功能：能够独立于总线提供自己的电源。

图3：USB引脚图（总线供电）

图4：USB引脚图（自供电）

四、STM32F407库函数配置USB

在STM32F407微控制器上配置USB需要进行以下步骤：

1. 资料准备：准备SD卡带文件系统的基本工程和USB源码。
2. 移植过程：将USB源码移植到STM32F407的工程中。
3. 修改错误：解决编译过程中出现的错误，包括添加必要的头文件和宏定义，修改USB主机中断服务函数等。
4. main.c函数：在主函数中初始化USB主机并循环调用USBH_Process函数以处理USB通信的核心状态机。

USB Host配置关键点

• 时钟配置：USB时钟必须设置为48MHz。
• 电源控制：USB主机需要提供5V电源，可以通过GPIO引脚控制或总线供电。
• 中断处理：USB Host需要在主函数中循环调用USBH_Process函数以处理各种事务。

五、STM32CubeMX配置USB

使用STM32CubeMX配置USB为存储设备的步骤包括：

1. 配置时钟：确保系统时钟正确配置。
2. 配置USB模式：选择全速模式（没有PHY芯片的情况下）。
3. 配置USB电源控制引脚：根据原理图配置电源控制引脚。
4. 配置USB_HOST模式：选择USB主机模式。
5. 配置FATFS文件系统：设置文件系统相关参数。
6. 配置USB时钟：确保USB时钟为48MHz。
7. 堆栈设置：适当增大堆栈大小以防止内存分配错误。

USB Host应用示例

在主函数中需要循环调用USBH_Process函数，用于处理USB主机通信的核心状态机。当检测到USB设备插入时，会自动跳转到用户自定义的应用函数，例如实现程序升级功能。

六、USB OTG原理简述

USB OTG（On-The-Go）技术允许设备在没有主机的情况下直接相互通信。USB OTG接口包含5条线：

• 2条数据线（D+、D-）
• 1条电源线（VBUS）
• 1条接地线（GND）
• 1条ID线，用于识别设备角色（主机或外设）

当OTG设备检测到接地的ID引脚时，表示默认的是主机，而检测到ID引脚浮空的设备则认为是外设。