《STM32F407 探索者开发指南》第六十三章 USB读卡器(Slave)实验

正点原子运营

第六十三章 USB读卡器(Slave)实验

1）实验平台：正点原子探索者STM32F407开发板

2) 章节摘自【正点原子】STM32F407开发指南 V1.1

3）购买链接:https://detail.tmall.com/item.htm?id=609294673401

4）全套实验源码+手册+视频下载地址：http://www.openedv.com/docs/boards/stm32/zdyz_stm32f407_explorerV3.html

5）正点原子官方B站：https://space.bilibili.com/394620890

6）STM32技术交流QQ群:151941872

STM32F407系列芯片都自带了USB OTG FS和USB OTG HS（HS需要外扩高速PHY芯片实现，速度可达480Mbps），支持USB Host和USB Device，STM32F407电机开发板没有外扩高速PHY芯片，所以仅支持USB OTG FS（FS，即全速，12Mbps），所有USB相关例程，均使用USB OTG FS实现。

下面，我们将介绍如何使用USB OTG FS在探索者STM32F407开发板上实现一个USB读卡器。

本章分为如下几个小节：

63.1 USB简介

63.2 硬件设计

63.3 程序设计

63.4 下载验证

63.1 USB简介

USB，即通用串行总线(UniversalSerial Bus)，包括USB协议和USB硬件两个方面，支持热插拔功能。现在日常生活的很多方面都离不开USB的应用，如充电和数据传输等方面的应用。

USB经过多次修改，1996年确定了初始规范版本USB1.0，目前由非盈利组织USB-IF(https://www.usb.org)管理。STM32自带的USB符合USB2.0规范,故2.0版本仍是本文的重点介绍对象。

63.1.1 USB简介

USB本身的知识体系非常复杂，本节只能作一点知识点的引入。本书篇幅有限，不可能在这里详细介绍，想更系统地学习USB的知识可以参考《圈圈教你玩USB》、塞普拉斯提供的《USB101：通用串行总线 2.0 简介》等文献，下面我们一起来看USB的简单特性：

l  USB的硬件接口

USB协议有漫长的发展历程，为的不同的场合和硬件功能而发展出不同的接口：Type-A、Type-B、Type-C，Type-C规范碰巧是跟着USB3.1的规范一起发布的。常见的接口类型列出如图63.1.1所示。                                 

图63.1.1 常见的USB连接器的形状

USB 发展到现在已经有USB1.0/1.1/2.0/3.x/4等多个版本。目前用的最多的就是版本 USB1.1和USB2.0，USB3.x/USB4目前也在加速推广。从图中可以发现不同的版本的USB接口内的引脚数量是有差异的。USB3.0以后为了提高速度，采用了更多数量的通讯线，比如同样的是Type A接口，USB2.0版本内部只有四根线，采用半双工式广播式通讯，USB3.0版本则将通讯线提高到了9根，并可以支持全双工非广播式的总线，允许两个单向数据管道分别处理一个单向通信。

USB2.0常使用四根线：VCC（5V）、GND、D+(3.3V)和D-(3.3V) (注：五线模式多了一个DI脚用于支持OTG模式，OTG为USB主机+USB设备双重角色)，其中数据线采用差分电压的方式进行数据传输。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3.3V，而如果是低速设备，则会在D-上接一个1.5K的电阻到3.3V。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。

关于USB硬件还有更多具体的细节规定，硬件设计时需要严格按照USB的器件的使用描述和USB标准所规定的参数来设计。

l  USB速度

USB规范已经为USB系统定义了以下四种速度模式：低速（Low-Speed）、全速（Full-Speed）、高速（Hi-Speed）和超高速（SuperSpeedUSB）。接口的速度上限与设备支持的USB协议标准和导线长度、阻抗有关，不同协议版本对硬件的传输线数量、阻抗等要求各不相同，各个版本的能达到的理论速度上限对应如图63.1.2。     

图63.1.2 USB协议发展与版本对应的速度

USB端口和连接器有时会标上颜色，以指示USB规格及其支持的功能。这些颜色不是USB规范所要求的，并且在设备制造商之间不一致。例如，常见的支持USB3.0的U盘和电脑等设备使用蓝色指示，英特尔使用橙色指示充电端口等。

l  USB系统

USB系统主要包括三个部分：控制器（Host Controller）、集线器 (Hub) 和USB设备。

控制器（Host Controller），主机一般可以有一个或多个控制器，主要负责执行由控制器驱动程序发出的命令。控制器驱动程序(Host Controller Driver)在控制器与USB设备之间建立通信信道。

集线器(Hub)连接到USB主机的根集线器，可用于拓展主机可访问的USB设备的数量。

USB设备(USB Device)则是我们常用的如U盘，USB鼠标这类受主机控制的设备。

l  USB通讯

USB针对主机、集线器和设备制定了严格的协议。概括来讲，通过检测、令牌、传输控制、数据传输等多种方式，定义了主机和从机在系统中的不同职能。USB系统通过“管道”进行通讯，有“控制管道”和“数据管道”两种，“控制管道”是双向的，而每个“数据管道”则是单向的，这种关系如图39.1.3所示。

图63.1.3 USB管道模型

USB通讯中的检测和断开总是由主机发起。USB主机与设备首次进行连接时会交换信息，这一过程叫“USB枚举”。枚举是设备和主机间进行的信息交换过程，包含用于识别设备的信息。此外，枚举过程主机需要分配设备地址、读取描述符（作为提供有关设备信息的数据结构），并分配和加载设备驱动程序，而从机需要提供相应的描述符使主机知悉如何操作此设备。整个过程需要数秒时间。完成该过程后设备才可以向主机传输数据。数据传输也有规定的三种类型，分别是：IN/读取/上行数据传输、OUT/写入/下行数据传输、控制数据传输。

USB通过设备端点寻址，在主机和设备间实现信息交流。枚举发生前有一套专用的端点用于与设备进行通信。这些专用的端点统称为控制端点或端点0，有端点0 IN和端点0 OUT两个不同的端点，但对开发者来说，它们的构建和运行方式是一样的。每一个USB设备都需要支持端点0。因此，端点0不需要使用独立的描述符。除了端点0外，特定设备所支持的端点数量将由各自的设计要求决定。简单的设计（如鼠标）可能仅要一个IN端点。复杂的设计可能需要多个数据端点。

USB规定的数据4种数据传输方式也是通过管道进行，分别是控制传输(ControlTransfer)、中断传输(InterruptTransfer)、批量传输或叫块传输(BulkTransfer)、实时传输或叫同步传输(IsochronousTransfer )，每种模式规定了各自通讯时使用的管道类型。

关于USB还有很多更详细的时序和要求，像USB描述符、VID/PID的规定、USB类设备和调试等，因为USB2.0和之后的版本有差异，这里就不再为大家列举了，ST对USB2.0也有专门的培训资料，这部分我们也放到“光盘资料A盘→8，STM32参考资料→2，STM32 USB学习资料”中了，感兴趣的朋友自行去查阅更的USB的相关扩展知识，我们对USB的简介就到这里。

63.1.2 STM32F407的USB特性

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。STM32F407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。

STM32F407系列芯片自带有2个USB OTG，高速USB（USB OTG HS）；全速USB（USB OTG FS），高速USB（HS）需要外扩高速PHY芯片实现，我们这里不做介绍。

STM32F407的USB OTG FS是一款双角色设备 (DRD) 控制器，同时支持从机功能和主机功能，完全符合USB 2.0规范的On-The-Go补充标准。此外，该控制器也可配置为“仅主机”模式或“仅从机”模式，完全符合USB 2.0规范。在主机模式下，OTG FS支持全速（FS，12 Mb/s）和低速（LS，1.5 Mb/s）收发器，而从机模式下则仅支持全速（FS，12 Mb/s）收发器。OTG FS同时支持HNP和SRP。

STM32F407的USB OTG FS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

Ø 经USB-IF认证，符合通用串行总线规范第2.0版

Ø 集成全速PHY，且完全支持定义在标准规范OTG补充第1.3版中的OTG协议

1，支持A-B器件识别（ID线）

2，支持主机协商协议(HNP)和会话请求协议(SRP)

3，允许主机关闭VBUS以在OTG应用中节省电池电量

4，支持通过内部比较器对VBUS电平采取监控

5，支持主机到从机的角色动态切换

Ø 可通过软件配置为以下角色：

1，  具有SRP功能的USB FS从机（B器件）

2，  具有SRP功能的USB FS/LS主机（A器件）

3，  USB On-The-Go全速双角色设备

Ø 支持FS SOF和LS Keep-alive令牌

1，SOF脉冲可通过PAD输出

2，SOF脉冲从内部连接到定时器 2 (TIM2)

3，可配置的帧周期

4，可配置的帧结束中断

Ø 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

Ø 具有采用高级FIFO控制的1.25KB专用RAM

1，可将 RAM 空间划分为不同FIFO，以便灵活有效地使用RAM

2，每个FIFO可存储多个数据包

3，动态分配存储区

4，FIFO大小可配置为非2的幂次方值，以便连续使用存储单元

Ø 一帧之内可以无需要应用程序干预，以达到最大 USB 带宽

2、主机（Host）模式特性

Ø 通过外部电荷泵生成VBUS电压。

Ø 多达8个主机通道（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。

Ø 内置硬件调度器：

1，在周期性硬件队列中存储多达16个中断加同步传输请求

2，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

Ø 管理一个共享RX FIFO、一个周期性TX FIFO和一个非周期性TX FIFO，以有效使用USB数据RAM。

3、从机（Slave/Device）模式特性

Ø 1个双向控制端点0

Ø 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

Ø 8个OUT 端点(EP)，可配置为支持批量传输、中断传输或同步传输

Ø 管理一个共享Rx FIFO和一个Tx-OUT FIFO，以高效使用USB数据RAM

Ø 管理多达9个专用Tx-INFIFO（分别用于每个使能的IN EP），降低应用程序负荷支持软断开功能。

STM32F407 USB OTG FS框图如图63.1.1所示：     

图63.1.1 USB OTG FS框图

对于USB OTG FS功能模块，STM32F407通过AHB总线访问（AHB频率必须大于14.2Mhz），另外，USB OTG的内核时钟必须是48Mhz，是来自时钟树里面的PLL48CK（和SDIO共用）。

要正常使用STM32F407的USB，就得编写USB驱动，而整个USB通信的详细过程是很复杂的，本书篇幅有限，不可能在这里详细介绍，有兴趣的朋友可以去看看电脑圈圈的《圈圈教你玩USB》这本书，该书对USB通信有详细讲解。如果要我们自己编写USB驱动，那是一件相当困难的事情，尤其对于从没了解过USB的人来说，基本上不花个一两年时间学习，是没法搞定的。不过，ST提供了我们一个完整的USB OTG 驱动库（包括主机和设备），通过这个库，我们可以很方便的实现我们所要的功能，而不需要详细了解USB的整个驱动，大大缩短了我们的开发时间和精力。

STM32F4的USB例程全部是以HAL库的形式提供，为了简化开发设计，我们直接使用ST提供的HAL库版本USB驱动库来设计相关例程。

ST提供的F4 USBOTG库和相关参考例程在en.stm32cubef4_v1-26-0_v1.26.0.zip里面可以找到，该文件可以在www.st.com网站搜索：cubef4找到。不过，我们已经帮大家下载到开发板光盘：8，STM32参考资料à1，STM32CubeF4固件包àen.stm32cubef4_v1-26-0_v1.26.0.zip。解压可以得到STM32F4的Cube固件支持包：STM32Cube_FW_F4_V1.26.0，该文件夹里面包含了F4的USB 主机（Host）和从机（Device）驱动库，如图63.1.2所示,并提供了17个例程供我们参考，如图63.1.3所示：     

图63.1.2 ST提供的USB OTG库

图63.1.3 ST提供的USB OTG例程

标号1是F4 USB从机驱动库；

标号2是F4 USB主机驱动库；

标号3是F4 USB从机例程（共7个）；

标号4是F4 USB主机例程（共10个）；

整个USBOTG库的使用和例程说明，可以参考ST官方提供的：UM1734（从机）和UM1720（主机）这两个文档（在光盘：8，STM32参考资料à2，STM32USB 学习资料 文件夹），这两个文档详细介绍了USBOTG库的各个组成部分以及所提供的例程使用方法，有兴趣学习USB的朋友，这个文档是必须仔细看的。

这17个例程，虽然都是基于官方STM324xG_EVAL板，但是很容易移植到我们的电机开发板上。

本实验我们移植：STM32Cube_FW_F4_V1.26.0\Projects\STM324xG_EVAL\Applications\USB_Device\MSC_Standalone这个例程，以实现USB读卡器功能。

63.2 硬件设计
1. 例程功能

本实验代码，开机的时候先检测SD卡、SPI FLASH是否存在，如果存在则获取其容量，并显示在LCD上面（如果不存在，则报错）。之后开始USB配置，在配置成功之后就可以在电脑上发现一个可移动磁盘。USB正在读写会在液晶上显示出来。

LED0闪烁，提示程序运行。USB读写文件时，LED1闪烁。

2. 硬件资源

1）LED灯

       LED0 – PF9

       LED1 – PF10

2）串口1(PA9/PPA10连接在板载USB转串口芯片CH340上面)

3）正点原子2.8/3.5/4.3/7寸TFTLCD模块(仅限MCU屏，16位8080并口驱动)

4）USB_SLAVE接口(D-/D+连接在PA11/PA12上)

5）外部SRAM芯片,通过FSMC驱动

6）microSD Card(通过SDIO连接)

7）norflash(本例程使用的是W25Q128，连接在SPI1)

3. 原理图

我们主要介绍USB SLAVE原理图：开发板采用的是16PIN的Type-C接口，用来和电脑的USB相连接，Type-C接口与STM32的连接电路图，如下图所示：     

图63.2.1 Type-C接口与STM32的连接电路图

从上图可以看出，USB Type-C座是通过跳线帽连连接到STM32F407上面的，所以硬件需要我们通过跳线帽连接PA11和D-以及PA12和D+，跳线帽连接如下图所示。

图63.2.2 USB SLAVE跳线接口

需要注意的是：这个Type-C座和USB母座（USB_HOST）是共用D+和D-的，所以他们不能同时使用。这个在使用的时候，要特别注意！！本实验测试时，USB_HOST不能插入任何USB设备！

63.3 程序设计
63.3.1 程序流程图

图63.3.1.1 USB读卡器(Slave)实验程序流程图

63.3.2 程序解析

这里我们只讲解核心代码，详细的源码请大家参考光盘本实验对应源码。

本实验，我们在：实验25 SPI实验的基础上修改，USB的代码从ST官方例程移植：STM32Cube_FW_F4_V1.26.0\Projects\STM324xG_EVAL\Applications\USB_Device\MSC_Standalone。该目录下提供了三种开发环境的工程：IAR、MDK和SW4STM32，我们使用的是MDK，打开MDK工程，然后就可以知道和USB相关的代码有哪些，如图63.3.2.1所示：     

图63.3.2.1 ST官方例程USB相关代码

有了这个官方例程做指引，我们就知道具体需要哪些文件，从而实现本章例程。

首先，在工程的Middlewares文件夹下面，新建一个USB文件夹，并拷贝官方USB驱动库相关代码到该文件夹下，即拷贝：光盘à 8，STM32参考资料à1，STM32CubeF4固件包àSTM32Cube_FW_F4_V1.26.0àMiddlewaresàST文件夹下的： STM32_USB_Device_Library、STM32_USB_HOST_Library两个文件夹及源码拷贝到该文件夹下面。

然后，在USB文件夹下，新建一个USB_APP文件夹用于存放MSC实现相关代码，即：STM32Cube_FW_F4_V1.26.0àProjectsàSTM324xG_EVALàApplicationsàUSB_DeviceàMSC_StandaloneàSrc下的部分代码：usbd_conf.c、usbd_storage.c和usbd_desc.c等3个.c文件，同时拷贝：STM32Cube_FW_F4_V1.26.0à Projects à STM324xG_EVAL à Applicationsà USB_

DeviceàMSC_StandaloneàInc下面的：usbd_conf.h、usbd_storage.h和usbd_desc.h等三个文件到USB_APP文件夹下。最后USB_APP文件夹下的文件如图63.3.2.2所示：     

图63.3.2.2 USB_APP代码

之后，根据ST官方MSC例程，在我们本章例程的基础上新建分组添加相关代码，具体细节请参考例程，这里就不详细介绍了，添加好之后，如图63.3.2.3所示：     

图63.3.2.3 添加USB驱动、malloc等相关代码

1. USB驱动代码

这里我们只讲解核心代码，详细的源码请大家参考光盘本实验对应源码。接下来我们看看USB_APP里面的几个.c文件：

usbd_conf.c提供了USB设备库（从机库，下同）的回调及MSP初始化函数，当USB状态机处理完不同事务的时候，会调用这些回调函数，我们通过这些回调函数，就可以知道USB当前状态，比如：是否枚举成功了？是否连接上了？是否断开了？等，根据这些状态，用户应用程序可以执行不同操作，完成特定功能。usbd_conf.c我们重点介绍3个函数，首先是HAL_PCD_MspInit和OTG_FS_IRQHandler函数，它们的定义如下：

1. /**
   
2. *@brief        初始化PCD MSP
   
3. *@param        hpcd : PCD结构体指针
   
4. *@retval       无
   
5. */
   
6. voidHAL_PCD_MspInit(PCD_HandleTypeDef*hpcd)
   
7. {
   
8.    GPIO_InitTypeDef gpio_init_struct = {0};
   
9.     if (hpcd->Instance == USB_OTG_FS)
   
10.     {
    
11.        __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();                          /* 使能GPIOA时钟 */
    
12.        gpio_init_struct.Pin = GPIO_PIN_11 | GPIO_PIN_12;   /* 初始化GPIO口 */
    
13.        gpio_init_struct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;             /* 复用 */
    
14.        gpio_init_struct.Pull = GPIO_NOPULL;                   /* 浮空 */
    
15.        gpio_init_struct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH; /* 高速 */
    
16.         gpio_init_struct.Alternate = GPIO_AF10_OTG_FS;       /* 复用为OTG1_FS */
    
17.        HAL_GPIO_Init(GPIOA, & gpio_init_struct);    /* 初始化PA11和PA12引脚 */
    
18.        __HAL_RCC_USB_OTG_FS_CLK_ENABLE();            /* 使能OTG FS时钟 */
    
19.        /* 优先级设置为抢占1,子优先级0 */
    
20.        HAL_NVIC_SetPriority(OTG_FS_IRQn, 1, 0);
    
21.        HAL_NVIC_EnableIRQ(OTG_FS_IRQn);              /* 使能OTG FS中断 */
    
22.     }
    
23.     else if (hpcd->Instance == USB_OTG_HS)
    
24.     {
    
25.        /* USB OTG HS本例程没用到,故不做处理 */
    
26.     }
    
27. }
    
28. /**
    
29. *@brief        USB OTG 中断服务函数
    
30. *  @note       处理所有USB中断
    
31. *@param        无
    
32. *@retval       无
    
33. */
    
34. voidOTG_FS_IRQHandler(void)
    
35. {
    
36.    HAL_PCD_IRQHandler(&g_pcd_usb_otg_fs);
    
37. }

复制代码

HAL_PCD_MspInit函数，用于使能USB时钟，初始化IO口，设置中断等。该函数在HAL_PCD_Init函数里面被调用。

OTG_FS_IRQHandler函数，是USB的中断服务函数，通过调用HAL_PCD_IRQHandler函数，实现对USB各种事务的处理。

下面介绍的USBD底层初始化函数，其定义如下：

1. /**
   
2. *@brief        USBD 底层初始化函数
   
3. *@param        pdev    : USBD句柄指针
   
4. *@retval       USB状态
   
5. *  @arg        USBD_OK(0)   , 正常;
   
6. *  @arg        USBD_BUSY(1) , 忙;
   
7. *  @arg        USBD_FAIL(2) , 失败;
   
8. */
   
9. USBD_StatusTypeDef USBD_LL_Init(USBD_HandleTypeDef *pdev)
   
10. {
    
11.     if (pdev->id == DEVICE_FS)
    
12.     {
    
13.        g_pcd_usb_otg_fs.pData = pdev;   /* g_pcd_usb_otg_fs的pData指向pdev */
    
14.        pdev->pData = &g_pcd_usb_otg_fs; /* pdev的pData指向g_pcd_usb_otg_fs*/
    
15.        g_pcd_usb_otg_fs.Instance = USB_OTG_FS;           /* 使用USB OTG FS */
    
16.        g_pcd_usb_otg_fs.Init.dev_endpoints = 4;         /* 端点数为4 */
    
17.        g_pcd_usb_otg_fs.Init.speed = PCD_SPEED_FULL;    /* USB全速(12Mbps) */
    
18.        g_pcd_usb_otg_fs.Init.dma_enable = DISABLE;      /* 不使能DMA */
    
19.        g_pcd_usb_otg_fs.Init.phy_itface = PCD_PHY_EMBEDDED; /* 使用内部PHY */
    
20.        g_pcd_usb_otg_fs.Init.Sof_enable = DISABLE;            /* 不使能SOF中断 */
    
21.        g_pcd_usb_otg_fs.Init.low_power_enable = DISABLE;     /* 不使能低功耗模式 */
    
22.        g_pcd_usb_otg_fs.Init.lpm_enable = DISABLE;            /* 不使能电源管理 */
    
23.        g_pcd_usb_otg_fs.Init.vbus_sensing_enable = DISABLE;  /* 不使能VBUS检测 */
    
24.        g_pcd_usb_otg_fs.Init.use_dedicated_ep1 = DISABLE;
    
25.                                                 /* 禁止EP1dedicated中断 */
    
26.        HAL_PCD_Init(&g_pcd_usb_otg_fs);
    
27.        /* 设置接收FIFO大小为0x80(128字节) */
    
28.        HAL_PCDEx_SetRxFiFo(&g_pcd_usb_otg_fs, 0x80);
    
29.        /* 设置发送FIFO 0的大小为0x40(64字节) */
    
30.        HAL_PCDEx_SetTxFiFo(&g_pcd_usb_otg_fs, 0, 0x40);
    
31.        /* 设置发送FIFO 1的大小为0x80(128字节) */
    
32.        HAL_PCDEx_SetTxFiFo(&g_pcd_usb_otg_fs, 1, 0x80);
    
33.     }
    
34.     return USBD_OK;
    
35. }

复制代码

USBD_LL_Init函数，用于初始化USB底层设置，因为我们定义的是：USE_USB_FS，因此会设置USB OTG使用USB_OTG_FS，然后完成各种设置，比如，使用内部PHY，使用全速模式，不使能VBUS检测等，详见以上代码。该函数在USBD_Init函数里面被调用。

usbd_desc.c提供了USB设备类的描述符，直接决定了USB设备的类型、端点、接口、字符串、制造商等重要信息。这个里面的内容，我们一般不用修改，直接用官方的即可。注意，这里：usbd_desc.c里面的：usbd即device类，同样：usbh即host类，所以通过文件名我们就可以很容易区分该文件是用在device还是host，而只有usb字样的那就是device和host可以共用的。

usbd_storage.c提供一些磁盘操作函数，包括支持的磁盘个数，以及每个磁盘的初始化和读写等函数。本章我们设置了1个磁盘：SPI FLASH。usb_storage.c我们重点介绍3个函数，首先是初始化存储设备函数，其定义如下：

1. /**
   
2. *@brief        初始化存储设备
   
3. *@param        lun        : 逻辑单元编号
   
4. *  @arg                    0, SPI FLASH
   
5. *   @arg                    1, SD 卡
   
6. *@retval       操作结果
   
7. *  @arg        0    , 成功
   
8. *  @arg        其他 , 错误代码
   
9. */
   
10. int8_t STORAGE_Init_FS(uint8_t lun)
    
11. {
    
12.     uint8_t res;
    
13.     switch(lun)
    
14.     {
    
15.        case 0:      /* SPI FLASH*/
    
16.            norflash_init();
    
17.            res = USBD_OK;
    
18.            break;
    
19.        case 1:       /* SD卡 */
    
20.            norflash_init();
    
21.            res = USBD_OK;
    
22.            break;
    
23.        default :
    
24.            res = USBD_FAIL;
    
25.     }
    
26.    
    
27.     return res;
    
28. }

复制代码

STORAGE_Init_FS函数，用于初始化存储设备，我们定义了两个存储设备：SPI FLASH和SD卡，因此需要根据输入参数（lun），执行不同存储设备的初始化。

下面要介绍的是从存储设备读取数据函数。其定义如下：

1. /**
   
2. *@brief        从存储设备读取数据
   
3. *@param        lun         : 逻辑单元编号
   
4. *  @arg                      0, SD卡
   
5. *  @arg                      1, SPI FLASH
   
6. *@param        buf         : 数据存储区首地址指针
   
7. *@param        blk_addr   : 要读取的地址(扇区地址)
   
8. *@param        blk_len    : 要读取的块数(扇区数)
   
9. *@retval       操作结果
   
10. *  @arg        0    , 成功
    
11. *  @arg        其他 , 错误代码
    
12. */
    
13. int8_t STORAGE_Read_FS(uint8_t lun, uint8_t *buf, uint32_t blk_addr,
    
14.   uint16_t blk_len)
    
15. {
    
16.     int8_t res = 0;
    
17.    g_usb_state_reg |= 0X02;    /* 标记正在读数据 */
    
18.     switch (lun)
    
19.     {
    
20.        case 0:  /* SPI FLASH */
    
21.            norflash_read(buf, USB_STORAGE_FLASH_BASE + blk_addr * 512,
    
22.                              blk_len * 512);
    
23.            break;
    
24.        case 1:  /* SD卡 */
    
25.            res = sd_read_disk(buf, blk_addr, blk_len);
    
26.            break;
    
27.     }
    
28.     if (res)
    
29.     {
    
30.        printf("rerr:%d,%d", lun, res);
    
31.        g_usb_state_reg |= 0X08;    /* 读错误! */
    
32.     }
    
33.     return res;
    
34. }

复制代码

STORAGE_Read_FS函数，用于从存储设备读取数据，同样是根据存储设备（lun）的不同，调用不同的读取函数，完成数据读取。

下面要介绍的是向存储设备写数据函数。其定义如下：

1. /**
   
2. *@brief        向存储设备写数据
   
3. *@param        lun       : 逻辑单元编号
   
4. *  @arg                   0, SD卡
   
5. *  @arg                   1, SPI FLASH
   
6. *@param        buf       : 数据存储区首地址指针
   
7. *@param        blk_addr : 要写入的地址(扇区地址)
   
8. *@param        blk_len  : 要写入的块数(扇区数)
   
9. *@retval       操作结果
   
10. *  @arg        0    , 成功
    
11. *   @arg       其他 , 错误代码
    
12. */
    
13. int8_t STORAGE_Write_FS(uint8_t lun, uint8_t *buf, uint32_t blk_addr,
    
14.    uint16_t blk_len)
    
15. {
    
16.     int8_t res = 0;
    
17.    g_usb_state_reg |= 0X01;    /* 标记正在写数据 */
    
18.     switch (lun)
    
19.     {
    
20.        case 0:  /* SPI FLASH */
    
21.            norflash_write(buf,USB_STORAGE_FLASH_BASE + blk_addr * 512,
    
22. blk_len * 512);
    
23.            break;
    
24.        case 1:  /* SD卡 */
    
25.            res =sd_write_disk(buf, blk_addr, blk_len);
    
26.            break;
    
27.     }
    
28.     if (res)
    
29.     {
    
30.        g_usb_state_reg |= 0X04;    /* 写错误! */
    
31.        printf("werr:%d,%d", lun, res);
    
32.     }
    
33.     return res;
    
34. }

复制代码

STORAGE_Write_FS函数，用于往存储设备写入数据，也是根据存储设备（lun）的不同，调用不同的写入函数，完成数据写入。

以上3个.c文件和对应.h文件的详细代码和修改方法，我们就不详细介绍了，请大家参考光盘本例程源码。

下面提几个重点地方讲解下：

1、要使用USB OTG FS，必须在MDK编译器的全局宏定义里面，添加宏定义：USE_USB_FS，具体添加情况如图39.3.2.4所示：   

图39.3.2.4 定义全局宏USE_USB_FS

2、通过修改usbd_conf.h里面的MSC_MEDIA_PACKET定义值大小，可以一定程度提高USB读写速度（越大越快），本例程我们设置32*1024，也就是32KB大小。另外，我们通过修改：STORAGE_LUN_NBR宏定义的值为2，可以支持3个磁盘，探索者STM32F407开发板支持2个磁盘的。

3、官方例程在2个或以上磁盘支持的时候，存在bug，我们需要修改usbd_msc.h里面USBD_MSC_BOT_HandleTypeDef结构体的scsi_blk_nbr参数，将其改为数组形式：uint32_tscsi_blk_nbr[STORAGE_LUN_NBR]；数组大小由STORAGE_LUN_NBR指定，本实验我们定义的是2，因此可以支持最多3个磁盘，修改STORAGE_LUN_NBR的大小，即可修改支持的最大磁盘个数。修改该参数后，相应的有一些函数要做修改，请大家参考本例程源码。

4、修改usbd_msc_bot.c里面修改MSC_BOT_CBW_Decode函数，将hmsc->cbw.bLUN > 1改为：hmsc->cbw.bLUN > STORAGE_LUN_NBR，以支持多个磁盘。

以上4点，就是我们移植的时候需要特别注意的，其他我们就不详细介绍了（USB相关源码解释，请参考：UM1734(STM32CubeUSB device library).pdf这个文档）。

2. main.c代码

下面是main.c的程序，具体如下：

1. USBD_HandleTypeDef USBD_Device;              /* USB Device处理结构体 */
   
2. extern volatile uint8_t g_usb_state_reg;   /* USB状态 */
   
3. extern volatile uint8_t g_device_state;    /* USB连接情况 */
   
4. int main(void)
   
5. {
   
6.     uint8_t offline_cnt = 0;
   
7.     uint8_t tct = 0;
   
8.     uint8_t usb_sta;
   
9.     uint8_t device_sta;
   
10.     uint16_t id;
    
11.    
    
12.    HAL_Init();                             /* 初始化HAL库 */
    
13.    sys_stm32_clock_init(336, 8, 2, 7); /* 设置时钟,168Mhz */
    
14.    delay_init(168);                       /* 延时初始化 */
    
15.    usart_init(115200);                   /* 串口初始化为115200 */
    
16.    led_init();                             /* 初始化LED */
    
17.    lcd_init();                             /* 初始化LCD */
    
18.    key_init();                             /* 初始化按键 */
    
19.     norflash_init();                       /* 初始化norflash */
    
20.    my_mem_init(SRAMIN);                  /* 初始化内部SRAM内存池 */
    
21.    my_mem_init(SRAMCCM);                 /* 初始化内部SRAMCCM内存池 */
    
22.    my_mem_init(SRAMEXN);                 /* 初始化外部SRAM内存池 */
    
23.    lcd_show_string(30, 50, 200, 16, 16, "STM32", RED);
    
24.    lcd_show_string(30, 70, 200, 16, 16, "USB CardReader TEST", RED);
    
25.    lcd_show_string(30, 90, 200, 16, 16, "ATOM@ALIENTEK", RED);
    
26.     if (sd_init())   /* 初始化SD卡 */
    
27.     {   /* 检测SD卡错误 */
    
28.        lcd_show_string(30, 130, 200, 16, 16, "SD CardError!", RED);
    
29.     }
    
30.     else              /* SD 卡正常 */
    
31.     {
    
32.         /* 计算SD卡容量 */
    
33.        lcd_show_string(30, 130, 200, 16, 16, "SD CardSize:     MB", RED);
    
34.        card_capacity = (uint64_t)(g_sd_card_info_handle.LogBlockNbr) *
    
35.                            (uint64_t)(g_sd_card_info_handle.LogBlockSize);
    
36.        lcd_show_num(134, 130, card_capacity >> 20, 5, 16, RED);/* 显示SD卡容量 */
    
37.     }
    
38.     id = norflash_read_id();
    
39.    
    
40.     if ((id == 0) || (id == 0xFFFF))
    
41. {
    
42.        /* 检测NorFlash错误 */
    
43.        lcd_show_string(30, 130, 200, 16, 16, "NorFlashError!", RED);
    
44.     }
    
45.     else   /* SPI FLASH正常 */
    
46.     {
    
47.        lcd_show_string(30, 150, 200, 16, 16, "SPI FLASHSize:12MB", RED);
    
48.     }
    
49. /* 提示正在建立连接 */
    
50. lcd_show_string(30, 190, 200, 16, 16, "USB Connecting...", RED);
    
51.    USBD_Init(&USBD_Device, &FS_Desc, DEVICE_FS);  /* 初始化USB */
    
52.    USBD_RegisterClass(&USBD_Device, &USBD_MSC);   /* 添加类 */
    
53. /* 为MSC类添加回调函数 */
    
54. USBD_MSC_RegisterStorage(&USBD_Device, &USBD_Storage_Interface_fops_FS);
    
55.    USBD_Start(&USBD_Device);   /* 开启USB */
    
56.    delay_ms(1800);
    
57.    
    
58.     while (1)
    
59.     {
    
60.        delay_ms(1);
    
61.        if (usb_sta != g_usb_state_reg)      /* 状态改变了 */
    
62.        {
    
63.            lcd_fill(30, 210, 240, 210 + 16, WHITE);    /* 清除显示 */
    
64.            if (g_usb_state_reg & 0x01)      /* 正在写 */
    
65.            {
    
66.                 LED1(0);
    
67.                 /* 提示USB正在写入数据 */
    
68.                 lcd_show_string(30, 210, 200, 16, 16, "USB Writing...", RED);
    
69.            }
    
70.            if (g_usb_state_reg & 0x02)   /* 正在读 */
    
71.            {
    
72.                 LED1(0);
    
73.                 /* 提示USB正在读出数据 */
    
74.                 lcd_show_string(30, 210, 200, 16, 16, "USB Reading...", RED);
    
75.            }
    
76.            if (g_usb_state_reg & 0x04)
    
77.            {
    
78.                 /* 提示写入错误 */
    
79.                 lcd_show_string(30, 230, 200, 16, 16, "USB Write Err ", RED);
    
80.            }
    
81.            else
    
82.            {
    
83.                 lcd_fill(30, 230, 240, 230 + 16, WHITE);  /* 清除显示 */
    
84.            }
    
85.            
    
86.            if (g_usb_state_reg & 0x08)
    
87.            {
    
88.                 /* 提示读出错误 */
    
89.                 lcd_show_string(30, 250, 200, 16, 16, "USB Read  Err", RED);
    
90.            }
    
91.            else
    
92.            {
    
93.                 lcd_fill(30, 250, 240, 250 + 16, WHITE);  /* 清除显示 */
    
94.            }
    
95.            
    
96.            usb_sta =g_usb_state_reg;                      /* 记录最后的状态 */
    
97.        }
    
98.        if (device_sta != g_device_state)
    
99.        {
    
100.            if (g_device_state == 1)
     
101.            {
     
102.                 /* 提示USB连接已经建立 */
     
103.                 lcd_show_string(30, 190, 200, 16, 16, "USB Connected   ", RED);
     
104.            }
     
105.            else
     
106.            {
     
107.                 /* 提示USB被拔出了 */
     
108.                 lcd_show_string(30, 190, 200, 16, 16, "USB DisConnected ", RED);
     
109.            }
     
110.            
     
111.            device_sta = g_device_state;
     
112.        }
     
113.        tct++;
     
114.        if (tct == 200)
     
115.        {
     
116.            tct = 0;
     
117.            LED1(1);                           /* 关闭 LED1 */
     
118.            LED0_TOGGLE();                    /* LED0 闪烁 */
     
119.            if (g_usb_state_reg & 0x10)
     
120.            {
     
121.                 offline_cnt = 0;              /* USB连接了,则清除offline计数器 */
     
122.                 g_device_state = 1;
     
123.            }
     
124.            else    /* 没有得到轮询 */
     
125.            {
     
126.                 offline_cnt++;
     
127.                 if (offline_cnt > 10)
     
128.                 {
     
129.                     g_device_state = 0;        /* 2s内没收到在线标记,代表USB被拔出了 */
     
130.                 }
     
131.            }
     
132.            g_usb_state_reg = 0;
     
133.        }
     
134.     }
     
135. }

复制代码

其中，USBD_HandleTypeDef是一个用于处理USB设备类通信处理的结构体类型，它包含了USB设备类通信的各种变量、结构体参数、传输状态和端点信息等。凡是USB设备类通信，都必须要用定义一个这样的结构体，这里定义成：USBD_Device。

使用ST官方提供的USB库以后，整个USB初始化就变得比较简单了：

1，  调用USBD_Init函数，初始化USB从机内核；

2，  调用USBD_RegisterClass函数，链接MSC设备类驱动程序到设备内核；

3，  调用USBD_MSC_RegisterStorage函数，为MSC设备类驱动添加回调函数；

4，  调用USBD_Start函数，启动USB通信；

经过以上四步处理，USB就启动了，所有USB事务，都是通过USB中断触发，并由USB驱动库自动处理。USB中断服务函数在usbd_conf.c里面：

1. /**
   
2. *@brief        USB OTG 中断服务函数
   
3. *  @note       处理所有USB中断
   
4. *@param        无
   
5. *@retval       无
   
6. */
   
7. voidOTG_FS_IRQHandler(void)
   
8. {
   
9.    HAL_PCD_IRQHandler(&g_pcd_usb_otg_fs);
   
10. }

复制代码

该函数调用HAL_PCD_IRQHandler函数来处理各种USB中断请求。因此在main函数里面，我们的处理过程就非常简单，main函数里面通过两个全局状态变量（g_usb_state_reg和g_device_state），来判断USB状态，并在LCD上面显示相关提示信息。

g_usb_state_reg在usbd_storage.c里面定义的一个全局变量，不同的位表示不同状态，用来指示当前USB的读写等操作状态。

g_device_state是在usbd_conf.c里面定义的一个全局变量，0表示USB还没有连接；1表示USB已经连接。

63.4 下载验证

将程序下载到开发板后，在USB配置成功后（假设已经插入SD卡，注意：USB数据线，要插在USB_OTG口！而不是USB_UART端口！），如图63.4.1所示：     

图63.4.1 USB连接成功显示界面

此时，电脑提示发现新硬件，并开始自动安装驱动，如图63.4.2所示：     

图63.4.2 USB读卡器被电脑找到

USB配置成功后，LED1熄灭，LED0闪烁，在电脑上可以看到磁盘，如图63.4.3所示：     

图63.4.3 电脑找到USB读卡器的盘符

我们打开设备管理器，在通用串行总线控制器里面可以发现多出了一个USB大容量存储设备，同时看到磁盘驱动器里面多了一个磁盘，如图63.4.4所示：     

图63.4.4通过设备管理器查看磁盘驱动器

此时，我们就可以通过电脑读写SPI FLASH里面的内容了。在执行读写操作的时候，就可以看到LED1亮，并且会在液晶上显示当前的读写状态。

注意，在对SPI FLASH操作的时候，最好不要频繁的往里面写数据，否则很容易将SPI FLASH写爆！