常見USB設備類

音頻類（Audio），通信設備類（CDC），設備固件升級類（DFU），人機接口類（HID），大容量存儲設備類（Mass Storage）

USB的數據由Packet（包）組成Transaction（事務），Transaction組成Transfer（傳輸），不同傳輸類型每Frame（幀）占用帶寬的特性不同。同步傳輸每幀占用固定帶寬；中斷傳輸每幀都占用帶寬，但所占帶寬不固定；控制傳輸和批量傳輸在需要時才占用幀帶寬，批量傳輸將會占用幀的所有剩余帶寬。除同步傳輸外，一個Transaction由token包，數據包，握手包構成，STM32的每次中斷都完成一個Transaction，token包和握手包的收發由硬件完成，數據包由應用程序完成。

四種傳輸類型

用于描述端點（Endpoint）或通道（Pipe）的特性 

1. 中斷傳輸（Interrupt Transfer） 

2. 控制傳輸（Control Transfer） 

3. 同步傳輸（Isochronous Transfer） 

4. 批量傳輸（Bulk Transfer） 

同步傳輸與中斷傳輸是周期性的，控制傳輸和批量傳輸是突發的

通道類型

數據流：單向 ->批量，中斷，同步傳輸

消息： 雙向 -> 控制傳輸

事務（Transaction）

分類：SETUP, OUT, IN 

Packet格式

SYNC Packet Content EOP 

其中，Packet Content的組成 

PID 地址 幀號 數據 CRC 

注意：不是每種包都包含完整Packet Content

Packet種類及其組成

命令包 token 

PID + ADDR(設備地址，端點地址) + CRC5

幀首包 SOF(Start of frame) 

PID + 幀號 + CRC5

數據包 DATA 

PID + 數據 + CRC16

握手包 Handshake 

PID

PID域的類型

Token 

IN, OUT, SETUP

SOF 

SOF

Data 

DATA0, DATA1, DATA2, DATAM

Handshake 

ACK, NAK, STALL, NYET/ERR(HS)

幀格式

說明： 

- USB規范規定SETUP分組不能以非ACK握手分組應答，如果SETUP分組失敗，則會引起下一個SETUP分組。因此，以NAK或STALL分組響應主機的SETUP分組是被禁止的。 

- 控制傳輸使用雙向端點

舉例： Control Transfer的SETUP Transaction的組成 

SETUP Packet + DATA0 Packet + ACK Package 

SETUP包只跟以DATA0為PID的數據包，且數據包的方向為Host到Device。 

USB設備狀態

插入 -> 供電 -> 復位 -> 地址 -> 配置 掛起 

實現一個USB設備的軟件流程（以Mass Storage為例）

1. 系統初始化

（1）初始化系統時鐘，配置USB時鐘為48MHz； 

（2）清除掛起的中斷標志； 

（3）復位USB模塊 

（4）配置本應用關心的中斷，設備狀態為UNCONNECTED 

（5）初始化媒介層（SD卡，Flash）

2. USB復位（RESET中斷）

（1）設置分組緩沖區基地址； 

（2）配置端點的類型，發送狀態，接收狀態，端點地址（EP_TYPE, EP_KIND, EA），發送緩沖區或接收緩沖區地址，接收端點還需要設置接收長度； 

（3）初始化設備地址為0，置位USB_DADDR. EF使能USB模塊； 

（4）初始化BOT狀態機，CBW.dSignature； 

（5）設備狀態為ATTACHED

3. SETUP階段和數據階段

SETUP階段使用標準請求和類特定請求完成設備枚舉，由端點0的控制傳輸完成。 

IN過程 

（1）CTR_TX置位，發生中斷，根據USB_ISTR的EP_ID和DIR位識別出端點號和方向； 

（2）清除USB_EPnR. CTR_TX位； 

（3）填寫發送緩沖區，設置COUNTn_TX； 

（4）將STAT_TX設置為”11”，使能該端點的TX。 

OUT過程 

注意：SL_SIZE和NUM_BLOCK決定了最大接收字節數 

STAT_RX在接收數據后變為10（NAK） 

（1）CTR_RX置位，發生中斷，根據USB_ISTR. EP_ID位和USB_ISTR. DIR位識別出端點號和方向； 

（2）根據USB_EPnR. SETUP位確定事務類型，是OUT還是SETUP，同時清除USB_EPnR. CTR_RX位； 

（3）讀出緩沖區描述表指向的COUNTn_RX，獲得此次傳輸的字節數； 

（4）從ADDRn_RX處獲得數據； 

（5）使能下次接收，即設置USB_EPnR. STAT_RX位為”11”，使能該端點。

說明： 

- USB_CNTR. USB置位后所有的配置寄存器不會被復位，但設備的地址寄存器和端點寄存器會被USB復位所復位； 

- 使用雙緩沖機制時，STAT_TX和STAT_RX不會因為完成一次IN/OUT分組而被置為NAK； 

- 對于同步端點，端點的狀態只能是有效或者禁用，因此硬件不會在數據傳輸結束時改變端點的狀態； 

- 端點地址不一定要與端點號一致，由于用4位二進制表示（EA[3:0]），故端點地址取值為0 - 15，端點0作為控制端點，必須使其端點地址為0；

描述符(Descriptor)分類

設備描述符(Device Descriptor)

配置描述符(Configuration Descriptor)

接口描述符(Interface Descriptor)

端點描述符(Endpoint Descriptor)

字符描述符(String Descriptor)

報告描述符(Report Descriptor)

(*pProperty->Init)()

(*pProperty->Init)()完成了全速/低速設備上拉電阻檢測，復位，設置應用關心的中斷屏蔽位 

CNTR. CTRM，CNTR. RESETM，未完成端點傳輸類型，緩沖區描述表的配置，設備地址DADDR的配置（僅置0并置位USB_DADDR. EF來使能USB），在函數的最后：bDeviceState = UNCONNECTED 

而USB_Init()的下一條語句是while (bDeviceState != CONFIGURED)，顯然接下來應該在中斷中完成緩沖區描述表填寫（USB_BTABLE），端點傳輸類型（USB_EPnR），枚舉過程的工作。

//USB中斷服務函數

USB_Istr()

{

...

#if (IMR_MSK & ISTR_RESET)

  if (wIstr & ISTR_RESET & wInterrupt_Mask)

  {

    _SetISTR((uint16_t)CLR_RESET);

    Device_Property.Reset();

#ifdef RESET_CALLBACK

    RESET_Callback();

#endif

  }

#endif

...

}

Device_Property.Reset()完成以下工作：

Device_Info.Current_Configuration = 0（同前）

pInformation->Current_Feature = MASS_ConfigDescriptor[7]

設置Buffer table的地址（BTABLE_ADDRESS） ，設備地址默認為0

初始化EP 

EP0：控制類型；發送NAK、接收Valid；設置接收buffer地址和長度；設置發送buffer地址

EP1：批量類型；發送NAK、接收Disable；設置發送buffer地址

EP2：批量類型；發送Disable、接收VALID；設置接收buffer地址和長度

bDeviceState = ATTACHED 全局變量，表示設備當前已被插入主機

關于Setup0_Process()中調用DataStageIn()的原因

Setup0_Process() - > 處理標準request / class相關request -> 根據數據階段：如果是IN -> DataSatgeIn() 

USB Device收到IN Packet且地址正確后，訪問ADDRn_TX和COUNTn_TX，將相應緩沖區的內容通過移位寄存器發送出去，并等待Host發送ACK Package。Device收到ACK后toggle DTOG_TX位，硬件設置STAT_TX位為”10”(NAK)，使端點無效，CTR_TX置位。應用程序需要清除中斷標志CTR_TX，把下次要發送的內容寫進ADDRn_TX指向的hw_buf，更新COUNTn_TX為需要發送的字節數，然后設置STAT_TX為”11”(VALID)，使能數據傳輸。當STAT_TX為”10”(NAK)時，所有IN請求都會被NAK，Host不斷重發IN請求，直到該端點有效。

每次處理CTR_TX中斷時，寫進hw_buf的內容都是下次要發送的內容，因此，在首次處理IN請求之前需要準備好hw_buf，如果SETUP的數據階段是IN，就要在Setup0_Process()中調用DataStageIn()填充首次需要準備的內容。

關于端點地址的設置

In0_Process() -> WAIT_STATUS_IN -> 如果是SET_ADDR命令：寫寄存器 -> 設置各端點地址 

如果端點地址需要設置成與端點號不一致，需要修改本函數的部分

@

for(i=0; i_SetEPAddress((uint8_t)i, (uint8_t)i);

}

修改為：

@

_SetEPAddress(0,0);

_SetEPAddress(1,EP_ADDR1);

_SetEPAddress(2,EP_ADDR2);

非零端點的處理

USB請求格式

USB請求由SETUP transaction完成，一條完整的USB請求存放在其中的DATA0 packet中，字節序為小端模式。

偏移量 域 長度 描述

0 bmRequestType 1 請求特征

D7：傳輸方向

0=主機至設備

1=設備至主機

D6..5：種類

0=標準

1=類

2=廠商

3=保留

D4..0：接受者

0=設備

1=接口

2=端點

3=其他

4..31：保留

1 bRequest 1 命令類型編碼值

2 USBwValue 2 根據不同的命令，含義不同

4 USBwIndex 2 根據不同的命令，含義不同，主要用于傳送索引或偏移

6 USBwLength 2 數據階段的字節數，如果沒有數據階段則填0

USB Mass Storage Class

USB Mass Storage使用BOT(Bulk only Transfer)協議和SCSI指令來處理傳輸。相對于CBI(Control Bulk Interrupt)協議，BOT協議僅需要控制端點，一個Bulk IN端點和一個Bulk OUT端點即可完成命令、數據、狀態的傳輸，BOT狀態機如下圖所示： 

CBW(Command Block Wrapper)是一個31字節長的包，由Host發起，格式如下： 

dCBWSignature: 0x43425355 

dCBWTag: 用戶定義標簽，dCSWTag應當原樣返回 

dCBWDataTransferLength: 主機期望傳輸的數據長度。 

bmCBWFlags: 主要定義數據的傳輸方向，由bit 7定義（0-out, 1-in），其他比特默認為0 

bCBWLUN: 邏輯單元號 

bCBWCBLength: CB的有效長度 

CBWCB: 設備執行的命令塊，這里是SCSI命令，一般是16字節

CSW(Command Status Wrapper)是Device收到Host發送的CBW并完成數據傳輸后向Host發送有關狀態信息的包，長度為13字節，格式如下： 

dCSWSignature: 0x53425355 

dCSWTag: 應當與dCBWTag一致 

dCSWDataResidue: 

bCSWStatus: CBW傳輸的成功或失敗狀態，為0表示傳輸成功，非0表示傳輸失敗， 如下表所示 

Class-Specific requests 

BOT協議要求支持兩個類相關請求： 

1. Bulk-only mass storage reset 

該請求用于復位Mass Storage設備及與其相關的接口。Device接收到請求后，清除兩個Bulk端點的data toggle，初始化CBW signature到默認值，設置BOT狀態機到BOT_IDLE狀態，以準備接收下一個CBW。 

該請求在Mass_NoDataSetup()@usb_prop.c中處理。 

2. Get Max LUN request 

一個Mass storage設備可能管理多個共享同一device特性的邏輯單元，host使用CBW中的bCBWLUN域決定當前使用哪一個邏輯單元。 

該請求在Mass_DataSetup()@usb_prop.c中處理。

Standard request requirements 

@usb_prop.c 

BOT協議規定，device在接收到以下兩個標準請求時必須響應相應的requirement：

Mass_Storage_SetConfiguration()

當device從unconfigured狀態轉換為configured狀態時，所有端點的data toggle都必須清零

Mass_Storage_ClearFeature()

當host發送了一個帶有非法signature或length的CBW時，device必須設置兩個Bulk端點的狀態為STALL，直到收到mass storage reset請求。

Mass_Storage_SetDeviceAddress()

設置device的地址

bDeviceState = ADDRESSED

關于獲取LUN數量的修改

USB Host獲取LUN數量是通過class-specified請求處理函數uint8_t *Get_Max_Lun(uint16_t Length)完成的，定位到Get_Max_Lun()可以看到LUN的數量由Max_Lun變量來確定，定位到變量定義處并修改，注意Max_Lun表示最大的LUN，LUN號從0開始，有兩個LUN，Max_Lun應該填1而不是2。 

從Bulk端點到存儲器訪問函數的流程

1. OUT(Mass_Storage_Write)

EP2_OUT_Callback()@usb_endp.c 

Mass_Storage_Out()@usb_bot.c 

Data_Len = USB_SIL_Read(EpAddr, Bulk_Data_Buff)@usb_sil.c 

??-> CBW_IDLE : CBW_Decode() ; CBW_DATA_OUT 

SCSI_Write10_Cmd(CBW.bLUN, SCSI_LBA, SCSI_BlkLen)@usb_scsi.c 

??-> 檢查地址合法性；BOT狀態轉換；EP2_RX設置為Valid 

Write_Memory(lun, LBA, BlockNbr)@memory.c 

??-> 處理packet到block的轉換，block地址到byte地址轉換 

MAL_Write(lun, ByteAddr, NumOfByte)@mass_mal.c 

??-> 寫入一個block

2. IN(Mass_Storage_Read)

EP1_IN_Callback()@usb_endp.c 

Mass_Storage_In()@usb_bot.c 

??-> CBW_IDLE : CBW_Decode() ; BOT_DATA_IN 

SCSI_Read10_Cmd(CBW.bLUN, SCSI_LBA, SCSI_BlkLen)@usb_scsi.c 

??-> 檢查地址合法性；BOT狀態轉換；在首次IN前調用Read_Memory()填充hw_buf 

Read_Memory(lun, LBA, BlockNbr)@memory.c 

??-> 處理block到packet的轉換，block地址到byte地址的轉換 

MAL_Read(lun, ByteAddr, NumOfByte)@mass_mal.c 

??-> 讀出一個block 

USB_SIL_Write(EP1_IN, (uint8_t *)Data_Buffer, BULK_MAX_PACKET_SIZE)@usb_sil.c 

??-> 分多次向EP1寫入packet

說明： 

@memory.c 

Write_Memory()函數和Read_Memory()函數定義的用于block到byte的地址、長度轉換的變量是uint32_t類型的，而32 bit無符號變量最大尋址能力是4G，也就是說sd card超過4G的部分無法訪問，所以需要修改類型為uint64_t。同時注意其調用的MAL_Write()和MAL_Read()函數的單位和數據類型。 

@mass_mal.c 

MAL_Write()和MAL_Read()函數的Input參數Memory_Offset和Transfer_Length單位是字節，注意Mass Storage的API，特別是SD卡的API，有些的單位是BlockAddr和NumOfBlock。

uint32_t Mass_Memory_Size[2];

uint16_t MAL_Write(uint8_t lun, uint32_t Memory_Offset, uint32_t *Writebuff, uint16_t Transfer_Length)

uint16_t MAL_Read(uint8_t lun, uint32_t Memory_Offset, uint32_t *Readbuff, uint16_t Transfer_Length)

這里的uint32_t也要修改成uint64_t 

USB HID Class

1. JoyStick Mouse

計算機顯示屏坐標增長方向 

X坐標 自左至右增大 

Y坐標 自上至下增大 

鼠標發送給PC的數據每次4個字節 

BYTE0 BYTE1 BYTE2 BYTE3

定義如下：

BYTE0 

bit7: 1 表示 Y坐標的變化量超出 -256~255 的范圍，0表示沒有溢出

bit6: 1 表示 X坐標的變化量超出 -256~255 的范圍，0表示沒有溢出

bit5: Y坐標變化的符號位，1表示負數，即鼠標向上移動

bit4: X坐標變化的符號位，1表示負數，即鼠標向左移動

bit3: 恒為1

bit2: 1表示中鍵按下

bit1: 1表示右鍵按下

bit0: 1表示左鍵按下

BYTE1 – X坐標變化量，與BYTE1的bit4組成9位符號數,負數表示向左移，正數表右移。用補碼表示變化量

BYTE2 – Y坐標變化量，與BYTE1的bit5組成9位符號數，負數表示向下移，正數表上移。用補碼表示變化量

BYTE3 – 滾輪變化。