【工具使用】STM32CubeMX-USB配置-實現U盤功能

一、概述

????無論是新手還是大佬，基于STM32單片機的開發，使用STM32CubeMX都是可以極大提升開發效率的，并且其界面化的開發，也大大降低了新手對STM32單片機的開發門檻。
????本文主要講述STM32芯片USB功能的配置及其相關知識。

二、軟件說明

????STM32CubeMX是ST官方出的一款針對ST的MCU/MPU跨平臺的圖形化工具，支持在Linux、MacOS、Window系統下開發，其對接的底層接口是HAL庫，另外習慣于寄存器開發的同學們，也可以使用LL庫。STM32CubeMX除了集成MCU/MPU的硬件抽象層，另外還集成了像RTOS，文件系統，USB，網絡，顯示，嵌入式AI等中間件，這樣開發者就能夠很輕松的完成MCU/MPU的底層驅動的配置，留出更多精力開發上層功能邏輯，能夠更進一步提高了嵌入式開發效率。
????演示版本 6.1.0

三、USB功能簡介

STM32F103C8T6的USB外設

頂部模塊： - Analog transceiver：模擬收發器，通過 DP 和 DM 引腳實現物理層信號的收發，是 USB 與外部連接的接口。
綠色區域（USB 時鐘 48MHz 驅動）： - Suspend timer：掛起定時器，用于管理 USB 的掛起狀態。 - RX - TX、Control S.I.E.：負責數據的接收（RX）與發送（TX），以及控制相關操作。 - Clock recovery：時鐘恢復模塊，從輸入信號中恢復時鐘。 - Endpoint selection：端點選擇模塊，用于選擇不同的 USB 端點。 - 這些模塊連接到 Control registers and logic（控制寄存器及邏輯）和 Interrupt registers and logic（中斷寄存器及邏輯），實現配置與中斷管理；同時連接到多個 Endpoint registers（端點寄存器），用于存儲端點相關數據。 - Packet buffer interface：數據包緩沖區接口，負責與下方的緩沖區模塊交互。
灰色區域（PCLK 驅動，通過 APB1 總線通信）： - Arbiter：仲裁器，管理總線訪問優先級。 - Packet buffer memory：數據包緩沖存儲器，存儲 USB 數據。 - Register mapper：寄存器映射，將端點寄存器映射到系統地址空間。 - Interrupt mapper：中斷映射，將 USB 中斷路由到 NVIC（嵌套向量中斷控制器）。 - APB1 wrapper：APB1 總線封裝，通過 APB1_bus 與系統連接，PCLK1 提供時鐘。整體上，該框圖展示了 USB 外設從物理信號收發、時鐘處理、數據傳輸到系統接口（APB1）的完整流程，以及寄存器配置、中斷管理等功能模塊的協作關系。

四、USB配置及代碼實現

STM32CubeMX配置

USB設備類選擇

????這是USB設備類選擇的下拉菜單，因為我們要實現一個U盤的功能，所以這里我們選擇Mass Storage Class（簡稱MSC）。
Disable：禁用，表示不使用任何設備類功能。
Audio Device Class：音頻設備類，用于音頻相關設備，如聲卡、耳機等音頻輸入輸出設備。
Communication Device Class (Virtual Port Com)：通信設備類（虛擬串口），用于實現虛擬串口通信功能，方便設備與計算機進行數據傳輸，常應用于一些需要串口通信模擬的場景。
Download Firmware Update Class (DFU)：下載固件更新類，用于設備固件的更新操作，允許設備在運行過程中通過特定方式更新自身固件。
Human Interface Device Class (HID)：人機接口設備類，像鍵盤、鼠標、游戲手柄等直接與用戶交互的設備屬于此類。
Custom Human Interface Device Class (HID)：自定義人機接口設備類，是在標準 HID 基礎上，根據特定需求進行定制開發的人機交互設備類別。
Mass Storage Class：大容量存儲類，用于 U 盤、移動硬盤等存儲設備，使設備能像存儲介質一樣被計算機識別和讀寫數據。

USB設備相關參數

????這部分是 USB 設備相關的參數設置，分為 Basic Parameters（基本參數）和 Class Parameters（類參數）兩部分，這些參數共同配置了 USB 設備的基本屬性、調試行為以及大容量存儲類的緩沖區設置，確保設備在特定場景下正常工作。

Basic Parameters
USBD_MAX_NUM_INTERFACES：表示 USB 設備支持的最大接口數量，圖中設置為 1。接口用于區分設備的不同功能（如一個設備僅實現單一功能時，接口數為 1）。
USBD_MAX_NUM_CONFIGURATION：最大配置數量，設為 1。USB 設備配置代表不同工作模式，此處表示僅有一種工作模式。
USBD_MAX_STR_DESC_SIZE：USB 描述符字符串的最大長度，為 512 bytes，用于定義設備名稱等描述信息的最大長度。
USBD_SELF_POWERED：設備自供電狀態，顯示 Enabled，即設備采用自供電方式，而非依賴 USB 主機供電。
USBD_DEBUG_LEVEL：調試級別為 0: No debug message，表示調試時不輸出任何調試信息。
Class Parameters
MSC_MEDIA_PACKET：針對大容量存儲類（Mass Storage Class, MSC），定義媒體輸入 / 輸出緩沖區大小為 512 bytes，用于數據傳輸時的緩沖處理。

USB設備描述符相關配置

????這部分是 USB 設備描述符相關的配置信息，分為 Device Descriptor（設備描述符）和 Device Descriptor FS（全速設備描述符）兩部分，這些描述符信息是 USB 設備在與主機通信時，用于向主機聲明自身屬性和功能的關鍵參數，確保設備能被正確識別和驅動，這部分不需要修改，了解下其作用即可。

Device Descriptor
VID (Vendor Identifier)：廠商標識符，值為 1155，用于唯一標識設備的生產廠商。
LANGID_STRING (Language Identifier)：語言標識符，值為 English(United States)，表示設備使用的語言為美國英語。
MANUFACTURER_STRING (Manufacturer Identifier)：制造商標識符，值為 STMicroelectronics，表明設備由意法半導體制造。
Device Descriptor FS
PID (Product Identifier)：產品標識符，值為 22314，用于唯一標識該廠商下的具體產品。
PRODUCT_STRING (Product Identifier)：產品描述字符串，值為 STM32 Mass Storage，說明這是一個基于 STM32 的大容量存儲設備（如 U 盤、移動存儲等）。
CONFIGURATION_STRING (Configuration Identifier)：配置描述字符串，值為 MSC Config，表示設備的配置與大容量存儲類（Mass Storage Class, MSC）相關。
INTERFACE_STRING (Interface Identifier)：接口描述字符串，值為 MSC Interface，表明設備使用的接口屬于大容量存儲類接口，用于實現數據的存儲讀寫功能。

????完整配置如下，USB 協議規定時鐘誤差需≤±0.25%，而STM32F103的內部 RC 振蕩器（HSI，8MHz）精度僅 ±1%，無法滿足要求，所以這時必須使用外部晶振。時鐘按CubeMX自己計算的即可，一般是用48MHz。
USB配置

相關接口實現

????完成以上配置后生成工程，為實現電腦對U盤的讀寫功能，這里還需要實現usbd_storage_if.c文件下的STORAGE_Read_FS和STORAGE_Write_FS接口，以完成電腦識別USB后對單片機內部Flash的操作，同時可以修改一下STORAGE_GetCapacity_FS接口，用來給電腦識別U盤設備的容量大小。如果需要使用外部Flash，則在此處實現外部Flash的讀寫操作。

/** @defgroup USBD_STORAGE_Private_Defines* @brief Private defines.* @{*/#define STORAGE_LUN_NBR                  1
#define STORAGE_BLK_NBR                  44//0x10000
#define STORAGE_BLK_SIZ                  0x400//0x200/* USER CODE BEGIN PRIVATE_DEFINES */
#define FLASH_START_ADDR                 0x08005000
/* USER CODE END PRIVATE_DEFINES *//*** @brief  .* @param  lun: .* @param  block_num: .* @param  block_size: .* @retval USBD_OK if all operations are OK else USBD_FAIL*/
int8_t STORAGE_GetCapacity_FS(uint8_t lun, uint32_t *block_num, uint16_t *block_size)
{/* USER CODE BEGIN 3 */*block_num  = STORAGE_BLK_NBR;*block_size = STORAGE_BLK_SIZ;return (USBD_OK);/* USER CODE END 3 */
}/*** @brief  .* @param  lun: .* @retval USBD_OK if all operations are OK else USBD_FAIL*/
int8_t STORAGE_Read_FS(uint8_t lun, uint8_t *buf, uint32_t blk_addr, uint16_t blk_len)
{/* USER CODE BEGIN 6 */if (lun == 0){memcpy(buf, (uint8_t *)(FLASH_START_ADDR + blk_addr * FLASH_PAGE_SIZE), blk_len * FLASH_PAGE_SIZE);}return (USBD_OK);/* USER CODE END 6 */
}/*** @brief  .* @param  lun: .* @retval USBD_OK if all operations are OK else USBD_FAIL*/
int8_t STORAGE_Write_FS(uint8_t lun, uint8_t *buf, uint32_t blk_addr, uint16_t blk_len)
{/* USER CODE BEGIN 7 */if (lun == 0){FLASH_EraseInitTypeDef f;uint32_t err = 0;uint16_t i;/* Flash解鎖 */HAL_FLASH_Unlock();f.TypeErase = FLASH_TYPEERASE_PAGES;f.PageAddress = FLASH_START_ADDR + blk_addr * FLASH_PAGE_SIZE;f.NbPages = blk_len;f.Banks = FLASH_BANK_1;/* Flash擦除 */HAL_FLASHEx_Erase(&f, &err);for (i = 0; i < blk_len * FLASH_PAGE_SIZE; i += 4){/* Flash寫入 */HAL_FLASH_Program(FLASH_TYPEPROGRAM_WORD, FLASH_START_ADDR + blk_addr * FLASH_PAGE_SIZE + i, *(uint32_t *)(&buf[i]));}/* Flash鎖 */HAL_FLASH_Lock();}return (USBD_OK);/* USER CODE END 7 */
}