STM32F4_USB读卡器（USB_Slave）/USB U盘（Host）

前言

        STM32F4芯片自带了USB OTG FS（FS，即全速，12Mbps）和USB OTG HS，支持USB Host和USB Device。

1. USB简介

        USB，是英文Universal Serial BUS（通用串行总线）的缩写，是一个外部总线标准，用以规范电脑与外部设备的连接和通讯。应用在PC领域的接口技术上。USB接口技术支持设备的即插即用和热插拔功能。USB是在1994年底由因特尔、康柏、IBM、Microsoft等多家公司联合提出的。USB发展到现在已经有了USB1.0/1.1/2.0/3.0等多个版本。目前USB3.0 已经开始普及。

        标准的USB共四根线组成，除VCC/GND外，还有的就是D+和D-，这两根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时，D+和D-都是低电压。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，如果是低速设备，则会在D-接一个1.5K的电阻到VCC。当设备接入主机的时候，主机可以判断是否有设备接入，并且还能判断设备是高速设备还是低速设备。

        STM32F4芯片中自带有USB OTG FS（全速）和USB OTG HS（高速），其中HS需要外扩高速PHY芯片实现。

        STM32F4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（就是OTG，实现在没有Host主机的情况下，实现设备间的数据传送）补充标准。并且该控制器还可以配置为 “仅主机” 模式或 “仅从机” 模式。主机模式下，OTG FS支持全速（FS，12Mb/s）和低速（LS，1.5Mb/s）收发器，在从机模式下仅支持全速（FS，12Mb/s）收发器。

        STM32F4的USB OTG FS主要特性可以分为：通用特性、主机模式特性和从机模式特性。

1. 通用特性

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，以保证在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

2. 主机 Host 模式特性

1.         通过外部电荷泵生成VBUS电压
2.         多达8个主机通道：每个通道都可以动态实现重新配置，可以支持任何类型的USB传输
3.         内置硬件调度器可： 1，在周期性硬件队列中存储多达 8 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 8 个控制加批量传输请求
4.         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 模式特性

1.         1个双向控制端点0
2.         3个 IN 端点EP，可配置为支持批量传输、中断传输或同步传输
3.         3 个 OUT 端点(EP)，可配置为支持批量传输、中断传输或同步传输
4.         管理一个共享 Rx FIFO 和一个 Tx-OUT FIFO，以高效使用 USB 数据 RAM
5.         管理多达 4 个专用 Tx-IN FIFO（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。

USB 拓扑结构：

USB总线基于分层的星状拓扑结构；USB 总线以Hub为中心，连接周围设备；总线上最多可连接127个设备；Hub串联数量最多5个；线缆长度最长5米；

连接和断开连接：

没有设备连上主机时

        D+和D-数据线上的下拉电阻起作用，使得两根数据线在空闲状态下都处于低电平；主机端看来就是SE0状态；同样的，当数据线上的SE0状态持续一段时间了，就认为主机处于断开状态；

设备连上主机时

        根据之前的学习，我们知道如果是高速设备，那么D+上会接一个1.5K的上拉电阻到VCC，如果是低速设备，那么D-上会接一个1.5K的上拉电阻到VCC；那么当设备连上主机时，主机检测到某一数据线电平拉高并保持了一段时间，此时就认为有设备连上来啦；主机在驱动SE0状态复位设备之前，采样总线状态来判断设备的速度（究竟是高速设备还是低速设备）。

USB传输：Packet、Transaction、Transfer

Packet的组成：SOP、SYNC、Packet Content、EOP

Packet主要分为四类：命令（Token）Packet、帧首（Start of Frame）Packet、数据（Data）Packet、握手（Handshake）Packet

2. USB U盘（Host）

        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接口和主机连接，实现即插即用，是最常用的移动存储设备之一。