STM32H743-ARM例程24-USB_MSC - 指南
目录
- 实验平台
- USB简介
- MSC
- OTG_HS
- OTG主要特性
- USB_OTG_HS原理图
- STM32CubeMX生成工程
- 实验代码
- 实验现象
实验平台
USB简介
USB，是英文UniversalSerialBUS（通用串行总线）的缩写，而其中文简称为“通串线，是一个外部总线标准，用于规范电脑与外部设备的连接和通讯。是应用在PC领域的接口技术。USB接口支持设备的即插即用和热插拔功能。USB是在1994年底由英特尔、康柏、IBM、Microsoft等多家公司联合提出的。
USB发展到现在已经有USB1.0/1.1/2.0/3.0等多个版本。目前用的最多的就是USB1.1和USB2.0，USB3.0目前已经开始普及。STM32H750自带的USB符合USB2.0规范。
标准USB共四根线组成,除VCC/GND外，另外为D+和D-，这两根数据线采用的是差分电压的方式进行数据传输的。在USB主机上，D-和D+都是接了15K的电阻到地的，所以在没有设备接入的时候，D+、D-均是低电平。而在USB设备中，如果是高速设备，则会在D+上接一个1.5K的电阻到VCC，而如果是低速设备，则会在D-上接一个1.5K的电阻到VCC。这样当设备接入主机的时候，主机就可以判断是否有设备接入，并能判断设备是高速设备还是低速设备。接下来，我们简单介绍一下STM32的USB控制器。
STM32H750系列芯片自带有2个USB OTG，其中USB1是高速USB（USB1 OTG HS）；USB2是全速USB（USB2 OTG FS），高速USB（HS）需要外扩高速PHY芯片实现。
MSC
USB MSC 的全称是 USB Mass Storage Class，即 USB 大容量存储设备类。它是 USB 标准中定义的一个设备类，其核心目的是为了让主机（如电脑）能够以一套标准化的协议来访问各种各样的存储设备，而无需为每个设备单独安装特定的驱动程序。
MSC特点：
- 极高的兼容性：得益于标准化，从 Windows、macOS、Linux 到智能电视、车载系统，几乎所有带 USB 口的设备都原生支持 MSC，实现“开箱即用”。
- 对主机要求低：主机只需实现通用的 MSC 驱动，无需关心存储设备使用的是 NAND Flash、微硬盘还是其他任何介质。
- 使用简单：用户看到的就是一个普通的磁盘，可以直接进行拖拽文件等操作。
STM32H743在实现MSC通信时，需要用到FatFsWENJXITONG，来管理存储介质上的数据。文件传输涉及到文件的创建、读取、写入、删除等操作，这些操作可以通过USB主机发送指令来实现。
主要步骤包括：
- 初始化文件系统：在固件中初始化FatFs或类似的文件系统
- 文件系统挂载：将存储介质挂载到文件系统上，是设备能够开始文件操作
- 文件操作接口：提供接口函数来执行打开、读取、写入、关闭等文件操作
- 命令处理：更加USB主机发送的SCSI命令，通过文件系统进行相应的文件操作
通过这些步骤STM32H743可以对大容量存储设备进行高效的管理，使得通过USB接口进行文件传输变的可行。
OTG_HS
USB OTG（On-The-Go）是一种支持双角色（主机和从机）的USB控制器，广泛应用于嵌入式系统中。STM32系列微控制器提供了多种USB OTG模块，支持全速（Full-Speed）和高速（High-Speed）通信，适用于多种场景，如读写U盘、USB键盘/鼠标、虚拟串口(CDC)、HID设备等。
STM32H7中存在两个OTG_HS模块（OTG_HS1和OTG_HS2）。尽管他们都可以编程为HS操作，但只有OTG_HS1具有可访问的ULPI接口，因此允许使用外部HS收发器进行高速操作。
OTG主要特性
主要特性可分为三类：通用特性、主机模式特性和从机模式特性。
(1) 通用特性
OTG_HS接口的通用特性如下：
- 经USB-IF认证，符合通用串行总线规范第2.0版
- OTGHS支持以下PHY接口：
- 片上全速PHY
- 连接外部全速PHY的I2C接口
- 连接外部高速PHY的ULPI接口
- 模块内嵌的PHY还完全支持定义在标准规范OTG补充第2.0版中的OTG协议
- 支持A-B器件识别（ID线）
- 支持主机协商协议(HNP)和会话请求协议(SRP)
- 允许主机关闭VBUS以在OTG应用中节省电池电量
- 支持通过内部比较器对VBUS电平采取OTG监控
- 支持主机到从机的角色动态切换
- 可通过软件配置为以下角色：
- 具有SRP功能的USBHS从机（B器件）
- 具有SRP功能的USBHS/LS主机（A器件）
- USBOn-The-Go全速双角色设备
- 支持HSSOF和LSKeep-alive令牌
- SOF脉冲可通过PAD输出
- SOF脉冲通过内部连接到定时器(TIMx)
- 可配置的帧周期
- 可配置的帧结束中断
- OTG_HS内嵌DMA，并可软件配置AHB的批量传输类型。
- 具有省电功能，例如在USB挂起期间停止系统、关闭数字模块时钟、对PHY和DFIFO电源加以管理。
- 具有采用高级FIFO控制的4KB专用RAM：
- 可将RAM空间划分为不同FIFO，以便灵活有效地使用RAM
- 每个FIFO可存储多个数据包
- 动态分配存储区
- FIFO大小可配置为非2的幂次方值，以便连续使用存储单元
- 一帧之内可以无需要应用程序干预，以达到最大USB带宽。
- 它支持电池充电规范第1.2版中介绍的充电端口检测（仅限FSPHY收发器
(2) 主机（Host）模式特性
OTG_HS接口在主机模式下具有以下主要特性和要求：
- 通过外部电荷泵生成VBUS电压。
- 多达16个主机通道（又称之为管道）：每个通道都可以动态实现重新配置，可支持任何类型的USB传输。
- 内置硬件调度器可：
- 在周期性硬件队列中存储多达16个中断加同步传输请求
- 在非周期性硬件队列中存储多达16个控制加批量传输请求
- 管理一个共享RxFIFO、一个周期性传输TxFIFO和一个非周期性传输TxFIFO，以有效使用USB数据RAM。
(3) 从机（Slave/Device）模式特性
OTG_HS接口在从机模式下具有以下特性：
- 1个双向控制端点0
- 8个IN端点(EP)，可配置为支持批量传输、中断传输或同步传输
- 8个OUT端点，可配置为支持批量传输、中断传输或同步传输
- 管理一个共享RxFIFO和一个Tx-OUTFIFO，以高效使用USB数据RAM
- 管理多达9个专用Tx-INFIFO（分别用于每个使能的INEP），以降低应用程序负荷
- 支持软断开功能。
USB_OTG_HS原理图
STM32CubeMX生成工程
我们参考前面章节STM32H743-结合CubeMX新建HAL库MDK工程，打开CubeMX软件，重复步骤不再展示。我们来看配置USB部分和FATFS部分配置如下图所示：
USB配置
FATFS配置
时钟配置
实验代码
1. 主函数
int main(void)
{
MPU_Config();
HAL_Init();
SystemClock_Config();
MX_GPIO_Init();
MX_USART6_UART_Init();
MX_FATFS_Init();
MX_USB_HOST_Init();
uart6.printf("This is the USB Mass Storage Class test interface！\r\n\r\n");
uart6.initialize(115200);
uart6.printf("\x0c");
uart6.printf("\033[1;32;40m");
while (1)
{
MX_USB_HOST_Process();//USB主机处理函数
}
}2. USB_HOST初始化函数
void MX_USB_HOST_Init(void)
{
/* 初始化主机库，添加支持的类并启动该库 */
if (USBH_Init(&hUsbHostHS, USBH_UserProcess, HOST_HS) != USBH_OK)
{
Error_Handler();
}
if (USBH_RegisterClass(&hUsbHostHS, USBH_MSC_CLASS) != USBH_OK)
{
Error_Handler();
}
if (USBH_Start(&hUsbHostHS) != USBH_OK)
{
Error_Handler();
}
}3. USBH_UserProcess函数
void MX_USB_HOST_Process(void)//USB主机用户回调函数
{
USBH_Process(&hUsbHostHS);//调用USB主机的处理函数
}
//在下面函数中完成挂载文件系统、打开文件、设置文件指针位置、写入数据、读取数据等操作
static void USBH_UserProcess (USBH_HandleTypeDef *phost, uint8_t id)
{
/* USER CODE BEGIN CALL_BACK_1 */
int i,j;
static FRESULT res;
unsigned char write_buffer[512];
unsigned char read_buffer[512];
unsigned int counter;
switch(id)
{
case HOST_USER_SELECT_CONFIGURATION:
break;
case HOST_USER_DISCONNECTION:
Appli_state = APPLICATION_DISCONNECT;
break;
case HOST_USER_CLASS_ACTIVE:
Appli_state = APPLICATION_READY;
//f_mount
res = f_mount(&fatfs,"0:",1);
if(res != RES_OK){
USBH_UsrLog("\r\nf_mount error!");
while(1){
LED_ON;
HAL_Delay(500);
LED_OFF;
HAL_Delay(500);
}
}else{
USBH_UsrLog("\r\nf_mount successful!");
}
//f_open
for(i = 0; i < 512 ; i ++)write_buffer[i] = i % 256;
res = f_open(&file,"0:/test.txt",FA_READ | FA_WRITE | FA_OPEN_ALWAYS); //打开驱动器0上的源文件
if(res != RES_OK){
USBH_UsrLog("f_open error!");
while(1){
LED_ON;
HAL_Delay(500);
LED_OFF;
HAL_Delay(500);
}
}else{
USBH_UsrLog("f_open successful!");
}
//f_lseek
res = f_lseek(&file,0);
if(res != RES_OK){
USBH_UsrLog("f_lseek error!");
while(1){
LED_ON;
HAL_Delay(500);
LED_OFF;
HAL_Delay(500);
}
}else{
USBH_UsrLog("f_lseek successful!");
}
//f_write
res = f_write(&file,write_buffer,512,&counter);
if(res != RES_OK || counter != 512){
USBH_UsrLog("f_write error!");
while(1){
LED_ON;
HAL_Delay(500);
LED_OFF;
HAL_Delay(500);
}
}else{
USBH_UsrLog("f_write successful!");
}
//f_lseek
res = f_lseek(&file,0);
if(res != RES_OK){
USBH_UsrLog("f_lseek error!");
while(1){
LED_ON;
HAL_Delay(500);
LED_OFF;
HAL_Delay(500);
}
}else{
USBH_UsrLog("f_lseek successful!");
}
//f_read
res = f_read(&file,read_buffer,512,&counter);
if(res != RES_OK || counter != 512){
USBH_UsrLog("f_read error!");
while(1){
LED_ON;
HAL_Delay(500);
LED_OFF;
HAL_Delay(500);
}
}else{
USBH_UsrLog("f_read successful!");
}
f_close(&file);
USBH_UsrLog("read data:");
for(i = 0;i < 32;i++){
for(j = 0; j < 16; j ++)
uart6.printf("%02X ",read_buffer[i*16+j]);
uart6.printf("\r\n");
}
break;
case HOST_USER_CONNECTION:
Appli_state = APPLICATION_START;
break;
default:
break;
}
}注：在CubeMX配置USB中USBH_DEBUG_LEVEL(USBH Debug Level)我们选择的是1，即等级1，在生成的工程文件usbh_conf.h中有DEBUG打印信息重定义，默认的是printf，我们用的是uart6，所以我们需要再修改下usbh_conf.h，这样我们的代码运行后就可以从uart6打印USB的操作文件系统的信息了。
实验现象
用putty串口终端打开串口，将U盘插入底板USB-HS口(USB-HS接口是type-c，需要一个type-c转USB线)，显示如下