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第七十一章 USB U盘(Host)实验
1)实验平台:正点原子STM32H7R7开发板
2)章节摘自【正点原子】STM32H7R7开发指南 V1.1
3)购买链接: https://detail.tmall.com/item.htm?id=820823382459
4)全套实验源码+手册+视频下载地址:http://www.openedv.com/docs/boards/stm32/zdyz_stm32h7rx.html
5)正点原子官方B站:https://space.bilibili.com/394620890
6)正点原子STM32开发板技术交流群:756580169
本章我们先介绍FATFS这个软件工具,利用它在STM32上实现类似电脑上的文件管理功能,通过USB HOST功能,实现读写U盘/读卡器等大容量USB存储设备。
本章分为如下几个小节:
71.1 U盘简介
71.2 硬件设计
71.3 程序设计
71.4 下载验证
71.1 U盘简介
U盘,全称USB闪存盘,英文名“USB flash disk”。它是一种使用USB接口的无需物理驱动器的微型高容量移动存储产品,通过USB接口与主机连接,实现即插即用,是最常用的移动存储设备之一。
STM32H7R7的USB OTG HS支持U盘,并且ST官方提供了USB HOST大容量存储设备(MSC)例程,ST官方例程路径:光盘→8,STM32参考资料→1,STM32CubeH7RS固件包→STM32Cube_FW_H7RS_V1.0.0→Projects→STM32H7S78-DK→Applications→USB_Host→MSC_RTOS。本实验,我们就要移植该例程到开发板上,以通过STM32H7R7的USB HOST接口,读写U盘或SD卡读卡器等设备。
71.2 硬件设计
1. 例程功能
本实验代码,开机后,检测字库,然后初始化USB HOST,并不断轮询。当检测并识别U盘后,在LCD上面显示U盘总容量和剩余容量,此时便可以通过USMART调用FATFS相关函数,来测试U盘数据的读写了,方法同FATFS实验一模一样。
LED0闪烁,提示程序运行。
2. 硬件资源
1)LED灯
LED0 :LED0 – PD14
LED1 :LED1 – PC0
2)串口1(PB14/PB15连接在板载USB转串口芯片CH340上面)
3)正点原子2.8/3.5/4.3/7/10寸TFTLCD模块(包括MCU屏和RGB屏,都支持)
4)HyperRAM芯片
5) SD卡,通过SDMMC驱动
6)USB_HOST接口(D-/D+连接在PM5/PM6上)
3. 原理图
本开发板的USB HOST接口采用的是贴片USB母座,它和USB SLAVE的5PIN MiniUSB接头是共用USB_DM和USB_DP信号的,所以USB HOST和USB SLAVE功能不能同时使用。USB HOST和STM32的连接原理图,如下图所示:
图71.2.1 USB母座与STM32的连接电路图
从上图可以看出,USB HOST和USB Slave共用USB DM/DP信号,通过P11连接到STM32H7R7、所以我们需要通过跳线帽将DM和DP分别连接到HS D-和HS D+,如图71.2.2所示:
图71.2.2 硬件连接示意图
使用USB HOST驱动外部USB设备的时候,必须要先控制USB_PWR输出1,给外部设备供电,之后才可以识别到外部设备!
71.3 程序设计
71.3.1 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45 图片显示实验上修改,代码移植自ST官方例程:STM32Cube_FW_H7RS_V1.0.0\Projects\STM32H7S78-DK\Applications\USB_Host\MSC_RTOS有了这个官方例程做指引,我们就知道具体需要哪些文件,从而实现本实验。由于官方提供的USB_APP文件不太好用,我们正点原子团队直接编写了一套USB_APP代码,读者可以直接拷贝我们例程中的USB_APP文件夹,即:实验60 USB U盘(Host)实验→Middlewares→USB→USB_APP。
本实验的具体移植步骤,我们这里就不一一介绍了,最终移植好之后的工程分组截图,如图71.3.2.1所示:
图71.3.2.1 USB U盘(Host)实验工程分组
上图工程分组中的Middlewares/USB_CORE和Middlewares/USB_CLASS分组下的.c文件,直接拷贝ST官方USB HOST库,我们重点要修改的是USB_APP文件夹下面的代码和FATFS文件夹下面的代码,详细的源码请参考光盘本实验对应的源码。
1. USB驱动代码
usbh_conf.c提供了USB主机库的回调及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。该.c文件我们重点介绍3个函数,首先是初始化PCD MSP函数,其定义如下:
- /**
- * @brief HAL库HCD初始化MSP函数
- * [url=home.php?mod=space&uid=271674]@param[/url] hpcd: HCD句柄指针
- * @retval 无
- */
- void HAL_HCD_MspInit(HCD_HandleTypeDef* hcdHandle)
- {
- RCC_PeriphCLKInitTypeDef rcc_periph_clk_init_struct = {0};
- GPIO_InitTypeDef gpio_init_struct = {0};
-
- if(hcdHandle->Instance == USB_OTG_FS)
- {
- /* 配置时钟 */
- rcc_periph_clk_init_struct.PeriphClockSelection =
- RCC_PERIPHCLK_USBOTGFS;
- rcc_periph_clk_init_struct.UsbOtgFsClockSelection =
- RCC_USBOTGFSCLKSOURCE_HSI48;
- HAL_RCCEx_PeriphCLKConfig(&rcc_periph_clk_init_struct);
- /* 使能USB电源监测器 */
- HAL_PWREx_EnableUSBVoltageDetector();
-
- /* 使能时钟 */
- __HAL_RCC_USB_OTG_FS_CLK_ENABLE();
- __HAL_RCC_USBPHYC_CLK_ENABLE();
- __HAL_RCC_GPIOM_CLK_ENABLE();
- __HAL_RCC_GPIOF_CLK_ENABLE();
-
- /* 初始化DM、DP引脚 */
- gpio_init_struct.Pin = GPIO_PIN_11 | GPIO_PIN_12;
- gpio_init_struct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
- gpio_init_struct.Pull = GPIO_NOPULL;
- gpio_init_struct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
- gpio_init_struct.Alternate = GPIO_AF10_OTG_FS;
- HAL_GPIO_Init(GPIOM, &gpio_init_struct);
-
- /* 初始化电源输出配置引脚 */
- HAL_GPIO_WritePin(GPIOF, GPIO_PIN_4, GPIO_PIN_RESET);
- gpio_init_struct.Pin = GPIO_PIN_4;
- gpio_init_struct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
- gpio_init_struct.Pull = GPIO_PULLDOWN;
- gpio_init_struct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
- HAL_GPIO_Init(GPIOF, &gpio_init_struct);
-
- /* 配置中断 */
- HAL_NVIC_SetPriority(OTG_FS_IRQn, 0, 0);
- HAL_NVIC_EnableIRQ(OTG_FS_IRQn);
- }
- }
复制代码 HAL_HCD_MspInit函数,用于使能USB时钟,选择内核时钟源,初始化IO口,开启USB供电,设置中断等。该函数在HAL_HCD_Init函数里面被调用。
接下来介绍的是USB OTG 中断服务函数,其定义如下:
- /**
- * @brief OTG HS中断服务函数
- * @param 无
- * @retval 无
- */
- void OTG_HS_IRQHandler(void)
- {
- HAL_HCD_IRQHandler(&g_hcd_handle);
- }
复制代码 OTG_HS_IRQHandler函数,是USB的中断服务函数,通过调用HAL_HCD_IRQHandler函数,实现对USB各种事务的处理。
最后介绍的是USBH底层初始化函数,其定义如下:
- /**
- * @brief USBH_LL_Init
- * Initialize the Low Level portion of the Host driver.
- * @param phost: Host handle
- * @retval USBH Status
- */
- USBH_StatusTypeDef USBH_LL_Init(USBH_HandleTypeDef *phost)
- {
- HAL_StatusTypeDef hal_status;
- USBH_StatusTypeDef usb_status;
-
- if (phost->id == HOST_HS)
- {
- g_hcd_handle.pData = phost;
- phost->pData = &g_hcd_handle;
- g_hcd_handle.Instance = USB_OTG_HS;
- g_hcd_handle.Init.Host_channels = 16;
- g_hcd_handle.Init.speed = HCD_SPEED_HIGH;
- g_hcd_handle.Init.dma_enable = DISABLE;
- g_hcd_handle.Init.phy_itface = USB_OTG_HS_EMBEDDED_PHY;
- g_hcd_handle.Init.Sof_enable = DISABLE;
- g_hcd_handle.Init.low_power_enable = DISABLE;
- g_hcd_handle.Init.use_external_vbus = DISABLE;
- hal_status = HAL_HCD_Init(&g_hcd_handle);
- usb_status = USBH_Get_USB_Status(hal_status);
- if (usb_status != USBH_OK)
- {
- return usb_status;
- }
-
- USBH_LL_SetTimer(phost, HAL_HCD_GetCurrentFrame(&g_hcd_handle));
- }
-
- return USBH_OK;
- }
复制代码 USBH_LL_Init函数,用于初始化USB底层设置,比如,使用内部PHY,使用全速模式等,详见以上代码。该函数在USBH_Init函数里面被调用。
usbh_disk.c提供U盘和FATFS文件系统之间的输入/输出接口函数,这里总共有5个函数,首先介绍的是初始化USBH函数,其定义如下:
- /**
- * @brief 初始化USB磁盘
- * @param 无
- * @retval 初始化结果
- * @arg 0: 成功
- * @arg 1: 失败
- */
- uint8_t usbh_disk_init(void)
- {
- return 0;
- }
复制代码 USBH_initialize函数,用于初始化U盘,我们不需要做任何事情,直接返回OK即可。
下面介绍的是读取USB磁盘函数,其定义如下:
- /**
- * @brief 读取USB磁盘
- * @param buf: 数据
- * @param address: 地址
- * @param len: 数据长度
- * @retval 读取结果
- * @arg 0: 成功
- * @arg 1: 失败
- */
- uint8_t usbh_disk_read(uint8_t *buf, uint32_t address, uint32_t len)
- {
- MSC_HandleTypeDef *msc_handle;
-
- msc_handle = (MSC_HandleTypeDef *)g_usbh_handle.pActiveClass->pData;
- if (USBH_MSC_Read(&g_usbh_handle, msc_handle->current_lun, address, buf,
- len) != USBH_OK)
- {
- return 1;
- }
-
- return 0;
- }
复制代码 usbh_disk_read函数,用于从U盘指定位置,读取指定长度的数据。
下面介绍的是写入USB磁盘函数,其定义如下:
- /**
- * @brief 写入USB磁盘
- * @param buf: 数据
- * @param address: 地址
- * @param len: 数据长度
- * @retval 写入结果
- * @arg 0: 成功
- * @arg 1: 失败
- */
- uint8_t usbh_disk_write(uint8_t *buf, uint32_t address, uint32_t len)
- {
- MSC_HandleTypeDef *msc_handle = (MSC_HandleTypeDef *)g_usbh_handle
- .pActiveClass->pData;
-
- if (USBH_MSC_Write(&g_usbh_handle, msc_handle->current_lun, address, buf,
- len) != USBH_OK)
- {
- return 1;
- }
-
- return 0;
- }
复制代码 usbh_disk_write函数,用于往U盘指定位置,写入指定长度的数据。
最后介绍的是获取U盘磁盘块大小和数量的函数,其定义如下:
- /**
- * @brief 获取USB磁盘块大小
- * @param size: 块大小
- * @retval 获取结果
- * @arg 0: 成功
- * @arg 1: 失败
- */
- uint8_t usbh_disk_get_block_size(uint16_t *size)
- {
- MSC_HandleTypeDef *msc_handle = (MSC_HandleTypeDef *)g_usbh_handle
- .pActiveClass->pData;
- MSC_LUNTypeDef msc_lun_struct;
-
- if (USBH_MSC_GetLUNInfo(&g_usbh_handle, msc_handle->current_lun,
- &msc_lun_struct) != USBH_OK)
- {
- return 1;
- }
-
- *size = msc_lun_struct.capacity.block_size;
-
- return 0;
- }
- /**
- * @brief 获取USB磁盘块数量
- * @param count: 块数量
- * @retval 获取结果
- * @arg 0: 成功
- * @arg 1: 失败
- */
- uint8_t usbh_disk_get_block_count(uint32_t *count)
- {
- MSC_HandleTypeDef *msc_handle = (MSC_HandleTypeDef *)g_usbh_handle
- .pActiveClass->pData;
- MSC_LUNTypeDef msc_lun_struct;
-
- if (USBH_MSC_GetLUNInfo(&g_usbh_handle, msc_handle->current_lun,
- &msc_lun_struct) != USBH_OK)
- {
- return 1;
- }
-
- *count = msc_lun_struct.capacity.block_nbr;
-
- return 0;
- }
复制代码 usbh_disk_get_block_size和usbh_disk_get_block_count函数,可以用于获取U盘磁盘块大小和磁盘块大数量等信息。
我们将这5个函数在diskio.c里面和FATFS完成对接,同时需要设置FATFS支持4个磁盘(SD卡、NOR FLASH、SD NAND和U盘),需要在ffconf.h文件里面将FF_VOLUMES的宏定义值改成4,以支持FATFS操作U盘,具体参照例程代码,这里就不再详细介绍了。
2. main.c代码
下面是main.c的程序,具体如下:
- /* USBH句柄 */
- USBH_HandleTypeDef g_usbh_handle;
- /**
- * @brief USB用户回调函数
- * @param phost: 指向USBH句柄的指针
- * @param id: 事件ID
- * @retval 无
- */
- static void usbh_user_process(USBH_HandleTypeDef *phost, uint8_t id)
- {
- uint32_t total;
- uint32_t free;
-
- switch(id)
- {
- case HOST_USER_CLASS_ACTIVE:
- {
- LED1(0);
- f_mount(fs[3], "3:", 1);
- text_show_string(30, 110, 200, 16, "U盘连接成功! ", 16, 0, BLUE);
- if (exfuns_get_free("3:", &total, &free) == 0)
- {
- text_show_string(30, 130, 200, 16,"U盘容量: MB", 16, 0, BLUE);
- text_show_string(30, 150, 200, 16,"U盘可用空间: MB",16,0, BLUE);
- lcd_show_num(102, 130, total >> 10, 5, 16, BLUE);
- lcd_show_num(134, 150, free >> 10, 5, 16, BLUE);
- }
- else
- {
- text_show_string(30, 130, 200, 16,"获取U盘容量失败",16,0, BLUE);
- }
- break;
- }
- case HOST_USER_DISCONNECTION:
- {
- LED1(1);
- f_unmount("3:");
- text_show_string(30, 110, 200, 16, "等待U盘插入...", 16, 0, BLUE);
- lcd_fill(30, 130, 240, 166, WHITE);
- break;
- }
- case HOST_USER_SELECT_CONFIGURATION:
- case HOST_USER_CLASS_SELECTED:
- case HOST_USER_CONNECTION:
- case HOST_USER_UNRECOVERED_ERROR:
- default:
- {
- break;
- }
- }
- }
- int main(void)
- {
- uint8_t t = 0;
-
- sys_mpu_config(); /* 配置MPU */
- sys_cache_enable(); /* 使能Cache */
- HAL_Init(); /* 初始化HAL库 */
- sys_stm32_clock_init(300, 6, 2); /* 配置时钟,600MHz */
- delay_init(600); /* 初始化延时 */
- usart_init(115200); /* 初始化串口 */
- led_init(); /* 初始化LED */
- hyperram_init(); /* 初始化HyperRAM */
- lcd_init(); /* 初始化LCD */
- usmart_dev.init(300); /* 初始化USMART */
- my_mem_init(SRAMIN); /* 初始化AXI-SRAM1~4内存池 */
- my_mem_init(SRAMEX); /* 初始化XSPI2 HyperRAM内存池 */
- my_mem_init(SRAM12); /* 初始化AHB-SRAM1~2内存池 */
- my_mem_init(SRAMDTCM); /* 初始化DTCM内存池 */
- my_mem_init(SRAMITCM); /* 初始化ITCM内存池 */
- exfuns_init(); /* 为exfuns申请内存 */
- f_mount(fs[0], "0:", 1); /* 挂载SD卡 */
- f_mount(fs[1], "1:", 1); /* 挂载NOR Flash */
- f_mount(fs[2], "2:", 1); /* 挂载NAND Flash */
-
- /* 检查字库 */
- while (fonts_init() != 0)
- {
- lcd_show_string(30, 30, 200, 16, 16, "Font Error! ", RED);
- delay_ms(500);
- lcd_show_string(30, 30, 200, 16, 16, "Please Check!", RED);
- delay_ms(500);
- }
- lcd_fill(30, 30, 30 + 200, 30 + 16, WHITE);
-
- text_show_string(30, 50, 200, 16, "STM32", 16, 0, RED);
- text_show_string(30, 70, 200, 16, "USB U盘(Host)实验", 16, 0, RED);
- text_show_string(30, 90, 200, 16, "ATOM@ALIENTEK", 16, 0, RED);
- text_show_string(30, 110, 200, 16, "等待U盘插入...", 16, 0, BLUE);
-
- USBH_Init(&g_usbh_handle, usbh_user_process, HOST_HS);
- USBH_RegisterClass(&g_usbh_handle, USBH_MSC_CLASS);
- USBH_Start(&g_usbh_handle);
-
- while (1)
- {
- USBH_Process(&g_usbh_handle);
-
- if (++t == 20)
- {
- t = 0;
- LED0_TOGGLE();
- }
-
- delay_ms(10);
- }
- }
复制代码 其中,USBH_HandleTypeDef是一个用于USB主机类通信处理的结构体类型,它包含了USB主机通信的各种变量、结构体参数、传输状态和管道信息等。凡是USB主机类通信,都必须要用定义一个这样的结构体,这里定义成:g_usbh_handle。
同USB Device类通信类似,USB Host的初始化过程如下:
1,调用USBH_Init函数,初始化USB主机内核;
2,调用USBH_RegisterClass函数,链接MSC主机类驱动程序到主机内核;
3,调用USBH_Start函数,启动USB通信;
经过以上三步处理,USB主机就启动了,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usbh_conf.c里面:
- /**
- * @brief OTG HS中断服务函数
- * @param 无
- * @retval 无
- */
- void OTG_HS_IRQHandler(void)
- {
- HAL_HCD_IRQHandler(&g_hcd_handle);
- }
复制代码 该函数调用HAL_HCD_IRQHandler函数来处理各种USB中断请求。
整个main函数代码比较简单,不过我们在main函数里面,必须不停的调用:USBH_Process函数,该函数用于实现USB主机通信的核心状态机处理,该函数必须在主函数里面被循环调用,而且调用频率得比较快才行(越快越好),以便及时处理各种事务。
USBH_MSC_Process函数是USB主机用户处理回调函数,参数id表示USB主机当前的一些状态,总共有6种状态:
- #define HOST_USER_SELECT_CONFIGURATION 0x01U /* USB进入配置状态 */
- #define HOST_USER_CLASS_ACTIVE 0x02U /* USB初始化配置完成 */
- #define HOST_USER_CLASS_SELECTED 0x03U /* USB选择了一个类 */
- #define HOST_USER_CONNECTION 0x04U /* USB连接成功 */
- #define HOST_USER_DISCONNECTION 0x05U /* USB连接断开 */
- #define HOST_USER_UNRECOVERED_ERROR 0x06U /* USB发生了不可恢复错误 */
复制代码 本例程我们只用了:HOST_USER_DISCONNECTION和HOST_USER_CLASS_ACTIVE两个状态。程序运行后,如果没有U盘插入,则不会执行到USBH_MSC_Process函数,当插入U盘,并成功识别之后,USBH_MSC_Process函数会进入:HOST_USER_CLASS_ACTIVE状态,我们就可以挂载U盘,并显示容量等信息,表示U盘识别完成。此时,如果我们把U盘拔出,则会进入:HOST_USER_DISCONNECTION状态,表示U盘拔出,我们取消U盘的挂载,并显示设备连接中…(表示当前正在连接设备)。
最后,我们需要将FATFS相关测试函数(mf_open/ mf_close等函数),加入USMART管理,这里和FATFS实验一模一样,可以参考该实验的方法操作。
71.4 下载验证
将程序下载到开发板后,然后在USB_HOST端子插入U盘/读卡器(带卡),注意:此时USB SLAVE口不要插USB线到电脑,否则会干扰!
等U盘成功识别后,便可以看到LCD显示U盘容量等信息,如图71.4.1所示:
图71.4.1 U盘识别成功
此时,我们便可以通过USMART来测试U盘读写了,如图71.4.2和图71.4.3所示:
图71.4.2 测试读取U盘读取
图71.4.3 测试U盘写入
图71.4.2分别是通过发送:mf_scan_files("3:")和mf_scan_files("3:/PICTURE"),扫描U盘根目录所有文件和PICTURE目录下的所有文件,说明读U盘是没问题的。
图71.4.3通过发送:mf_open("3:test u disk.txt",7),在U盘根目录创建test u disk.txt这个文件,然后发送:mf_write("这是一个测试,写入文件",0x16),写入“这是一个测试,写入文件”到这个文件里面,然后发送:mf_close(),关闭文件,完成一次文件创建。最后,发送:mf_scan_files("3:"),扫描U盘根目录文件,发现比图71.4.3所示多出了一个test u disk.txt的文件,说明U盘写入成功。
这样,就完成了本实验的设计目的:实现U盘的读写操作。最后,大家还可以调用其他函数,实现相关功能测试,这里就不给大家一一演示了。 |
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