stm32 usb转串口的程序设计解析

2023-08-16 来源：elecfans

　　串口调试在项目中被使用越来越多，串口资源的紧缺也变的尤为突出。很多本本人群，更是深有体会，不准备一个USB转串口工具就没办法进行开发。

　　了解USB虚拟串口，为了在项目中用一下这个USB，调试方便一些，供电可直供。公司以后的产品开发就基于STM32这个平台，从contex_M3到contex-M4。不管速度、功耗、价格、采购的方便性都有竞争力，不想再修改了（除非它无法满足要求）。

　　STM32基本上都带有USB串口。如果不把它用上而另外加一个USB转串口单元，未免显得太落后了而且也是一种资源的浪费。顺便说一下，根据公司的状况，合适的才是好的。以前一直用TI的，从430到ARM到28XX。这个ST的包含了以前的所有，TI的ARM速度比较慢，而它的普通的DSP的速度与M4相当，有些还比不过M4，耗电却惊人，何况M4带了浮点后比定点在某些地方要快很多。难怪TI在推M4时故意将频率放慢，DSP功能减少，我想各个公司都有自已的考虑吧。而ST就把CMOS传感器接口也放进去。赶明儿啥时有空了再做块PCB试试。ST最让人不爽的是它的开发例程做的太浅，例如超速USB2。0，CMOS接口资料几乎没有，TCP/IP也浅尝即止，网页也设计得世界上最烂，让人找个芯片，找个资料很累。在应用上比NXP差远了，毕竟有个ZLG帮忙，FREESCALE在网络通讯方面的应用做得最好，看他们的TCP/IP源代码是一种享受。看来做芯片是ST的强项，做应用还非常有待加强。

　　说明：

　　1.跳过驱动。使用低速传输。最大可以设为921000即100KB/S。应该也差不多了。只传一些简单的东西。因为我们工作的重点是工业控制，无需高速，而我们是以完成任务为主要目的。而不是非要学什么东西，完成任务才是第一重要的。

　　2.由于例程中没有操作系统支持，也许以后可以用keil的操作系统。比较简单，最重要的是ucOS不支持M4的浮点运算。当然对于M3我们可以将USB部分移到ucOS上。而对于M4，我们直接用KeilOS，不想花很大力气去做OS移植了。

　　总是先从main开始

　　Set_System（）;///设置系统

　　Set_USBClock（）;///设置USB时钟

　　USB_Interrupts_Config（）;///配置USB中断

　　USB_Init（）;///USB初始化

　　while（1）

　　{

　　if（（count_out！=0）&&（bDeviceState==CONFIGURED））

　　{

　　USB_To_USART_Send_Data（&buffer_out［0］，count_out）;//如果有数据将它发送到串口中去

　　count_out=0;/////发送完后这个清零

　　}

　　初看一下，还算比较好理解，但是由于这个例子好象只有发，没有收。我想它的收大约在中断中进行的（也就是串口向USB发的过程，估计在串口中断中进行，后面我们可以再分析，不行可能需要自行加上这部分代码，希望不要这样）

　　我们还是一条一条的来看，首先看Set_System（）这个函数，如果没猜错的话，应该是设置时钟吧。

　　果然如此，我们下面一条一条看一下，它先是允许外部晶振---这里哆嗦一下，外部晶振我公司采用12M。而一般开发版采用8M。所以配置stm32f10x_conf.h文件中，要将外部晶振频率从8000000改为12000000。

　　然后，等外部晶振起来，如果晶振没焊接好，此时就会死在这里。如果你一运行就死，可找一下这个地方。

　　然后它做下列工作：

　　允许FLASH取指缓冲

　　FLASH时钟分频2倍-------这是否意味着FLASH的时钟是36M呢，记得好象有ST的文章中说FLASH可工作在50M的时钟下。

　　系统频率HCLK配置成SYSCLK

　　APB2的时钟配置成SYSCLK不分频

　　APB1的时钟配置成2分频。但要注意它下面的定时器2，3，4。。频率仍是72M因有倍频

　　ADC的时钟配置成6分频，即它是12MHz。注意AD需13.5个时钟完成意味着差不多1us可完成一次AD转换。

　　PLL配置成9倍频。8X9=72MHz。注意到对于12MHz就只能是6了。此处一定要注意。

　　允许PLL然后等PLL都OK了再做别的。--此后由PLL进行工作而不是HSI。

　　然后，我们要允许GPIOA，GPIOB和串口的时钟。因为我们只用到了这几个资源。当然USB是另外的，我想总会在某个地方允许的。下面这个就不好理解了：

　　RCC_APB2PeriphClockCmd（RCC_APB2Periph_GPIO_DISCONNECT，ENABLE）;这个叫允许USB断开线。从原理图上看好象是PE7来控制的。因为PE7连接到一个DP+的一个上拉电阻控制的三极管上面。请参考原理图。但是比较奇怪的是在platform_config.h中有下列定义：

　　#defineRCC_APB2Periph_GPIO_DISCONNECTRCC_APB2Periph_GPIOD

　　它将这个设为端口D。所以这个USB断开引脚到底是由谁来控制的还未确定。这里留下一个问号，等以后再解决。

　　接下来，将USB的断开脚配置成上拉的。这也就意味着在开始时，这个上拉电阻使得三极管导通，从而使这个DP脚被加了一个1.5K的电阻，可以开始枚举的。再看这个断开脚指的是哪一个脚，它不是PD9就是PB14。怎么也没有PE7的说法（原理图）。所以这里就有点不知所以然了。难道这个原理图与程序有冲突？

　　接下来配置PA10为输入浮空，配置PA9为PP输出。这两个脚是串口。这个是正确的。我们几孚所有的板子都用UART0，它就是这两个脚的。至此这个部分结束了。

　　下面再来看第2个函数Set_USBClock（）-------两句话：

　　RCC_USBCLKConfig（RCC_USBCLKSource_PLLCLK_1Div5）;/*EnableUSBclock*/

　　RCC_APB1PeriphClockCmd（RCC_APB1Periph_USB，ENABLE）;72M除1。5=48然后允许USB的时钟。这个要看一下数据手册。从数据手册比较好理解。它是直接从PCLK中除一个数，可以除1也可以除1.5.。这段还是比较好理解的。

　　再看第3个函数USB_Interrupts_Config（）-------配置USB中断

　　在该函数中使能了两个中断，一个是USB，一个是串口。至于中断放在RAM或FLASH当然一般是后者，所以在这也就没有什么意义了。串口优先级为1，USB为0。中断分组中我们将一位作为可重入的优先组，另3位作为优先级组。由于一个为0一个为1，故这两个中断都不会相互被另一个中断打断。

　　现在既然允许了两个中断，估计在中断中将做很多事情，大多数事情都在中断中完成的。这个中断程序等一会马上就来解读。最后是USB_Init（）这个函数了。在这是里先看到：

　　pInformation=&Device_Info;这个是设备资料部分，里面的全部变量，静态的。pInformation-》ControlState=2;

　　pInformation是一个指向Device_Info的指针。不知为什么要这样大费周折。不可以直接这样写吗：

　　Device_Info.ControlState=2

　　接下来：

　　pProperty=&Device_Property;

　　pUser_Standard_Requests=&User_Standard_Requests;pProperty是一个指针，指向DEVICE_PROP这个是设备属性部分

　　设备属性部分包含一些方法，即函数。也包括两个参数，一个是接收区的缓冲区地址，一个是最大的包的长度。都是用字节表示的。

　　这个属性是一个通用的属性，它指以相当于实例化套到USB这个头上去。故我们在这里看上去运行一个pProperty-》Init（）;实际上运行的是DEVICE_PROP中的Virtual_Com_Port_init（）这个函数。我们看在这个函数中做了什么：

　　Get_SerialNum（）;设置芯片序列号，将描述符中的例如STM等字符串修改没太大意义。

　　PowerOn（void）先使能芯片（三极管B极变高）强迫USB复位。再将全部USB中断都屏蔽后，将中断清除，最后再允许以下中断：CNTR_RESETM|CNTR_SUSPM|CNTR_WKUPM;

　　接下来，再一次清除中断标志，然后使能中断（CNTR_CTRM|CNTR_SOFM|CNTR_RESETM）这几个中断就是复位中断，正确传输中断，SOF中断

　　配置串口至缺省状态---在这里波特率被设为9600，并且允许了接收中断。发送中断没有允许。

　　将当前的状态定义为未连接状态。bDeviceState=UNCONNECTED;什么时候连接不知道。

　　至此，初始化结束。我们现在要看的是中断函数了。中断函数不外于一个是串口的接收中断。串口的发送中断是没有允许的。

　　串口是如何发送的呢？它直接写串口寄存器，显然如果有大量数据发送时就会出问题的。因为它根本不判断是否发送缓冲区为空。因此，感觉这个程序要进行大量的数据交互不可能，最多是敲打一下键盘可能还差不多。

　　看它的库中的函数：直接发送，也不管是否空。难道它有16字节缓冲吗？没有。voidUSART_SendData（USART_TypeDef*USARTx，u16Data）{

　　/*TransmitData*/

　　USARTx-》DR=（Data&（u16）0x01FF）;}

　　先从简单的看起，串口的接收中断，它在哪里呢？发现它在stm32f10x_it.c中有如下：

　　USART_To_USB_Send_Data（）;表示从串口向USB端发送数据。

　　再看这个定义如下：

　　voidUSART_To_USB_Send_Data（void）{

　　if（USART_InitStructure.USART_WordLength==USART_WordLength_8b）{

　　buffer_in［count_in］=USART_ReceiveData（USART1）&0x7F;}

　　elseif（USART_InitStructure.USART_WordLength==USART_WordLength_9b）{

　　buffer_in［count_in］=USART_ReceiveData（USART1）;}

　　count_in++;

　　UserToPMABufferCopy（buffer_in，ENDP1_TXADDR，count_in）;SetEPTxCount（ENDP1，count_in）;SetEPTxValid（ENDP1）;}

　　输入的数据长度++即count_in++

　　将收到的数据拷贝到端口1的发送缓冲区中。设置发送缓冲区的长度

　　发送数据，它是从ENDP1发送。

　　我相信，发送完后，这个count_in会被清零。

　　果然，在EP1_IN_Callback（）函数中，它被清零。

　　最后，我们就来看一下USB的中断。USB的中断入口有一个还是多个？它有一个高优先级中断和一个低优先级中断。应该只用其中一个。

　　看程序中有下列：

　　voidUSB_LP_CAN_RX0_IRQHandler（void）{

　　USB_Istr（）;}

　　这个说明，在程序中将USB设为相对低的优先级中断。回想起我们好象在什么地方这样设过？果然，在USB_Interrupts_Config（）中，有这么一段：

　　NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel=USB_LP_CAN_RX0_IRQChannel;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=0;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority=0;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd=ENABLE;NVIC_Init（&NVIC_InitStructure）;

　　所以所有的中断都是进到这个中断中去了。赶紧看一看，这个是怎么处理的？它被发现在usb_istr.c中。我想所有的最麻烦的部分就是比较精彩的部分应该就在这里了（对初学者）下面我们就来分析这个部分，分析完之后就可以回去了，做完今天的工作。因为精彩，所以拷贝在下面了：

　　voidUSB_Istr（void）{

　　wIstr=_GetISTR（）;

　　#if（IMR_MSK&ISTR_RESET）

　　if（wIstr&ISTR_RESET&wInterrupt_Mask）{

　　_SetISTR（（u16）CLR_RESET）;Device_Property.Reset（）;#ifdefRESET_CALLBACK

　　RESET_Callback（）;#endif}#endif

　　/*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*/

　　#if（IMR_MSK&ISTR_DOVR）

　　if（wIstr&ISTR_DOVR&wInterrupt_Mask）{

　　_SetISTR（（u16）CLR_DOVR）;#ifdefDOVR_CALLBACK

　　DOVR_Callback（）;#endif}#endif

　　/*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*/

　　#if（IMR_MSK&ISTR_ERR）

　　if（wIstr&ISTR_ERR&wInterrupt_Mask）{

　　SetISTR（（u16）CLR_ERR）;#ifdefERR_CALLBACK

　　ERR_Callback（）;#endif}#endif

　　/*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*/#if（IMR_MSK&ISTR_WKUP）

　　if（wIstr&ISTR_WKUP&wInterrupt_Mask）{

　　_SetISTR（（u16）CLR_WKUP）;Resume（RESUME_EXTERNAL）;#ifdefWKUP_CALLBACK

　　WKUP_Callback（）;#endif}#endif

　　/*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*/#if（IMR_MSK&ISTR_SUSP）

　　if（wIstr&ISTR_SUSP&wInterrupt_Mask）{

　　/*checkifSUSPENDispossible*/if（fSuspendEnabled）{

　　Suspend（）;}else{

　　/*ifnotpossiblethenresumeafterxxms*/Resume（RESUME_LATER）;}

　　/*clearoftheISTRbitmustbedoneaftersettingofCNTR_FSUSP*/_SetISTR（（u16）CLR_SUSP）;#ifdefSUSP_CALLBACK

　　SUSP_Callback（）;#endif}#endif

　　/*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*/#if（IMR_MSK&ISTR_SOF）

　　if（wIstr&ISTR_SOF&wInterrupt_Mask）{

　　_SetISTR（（u16）CLR_SOF）;

　　bIntPackSOF++;

　　#ifdefSOF_CALLBACK

　　SOF_Callback（）;#endif}#endif

　　/*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*/#if（IMR_MSK&ISTR_ESOF）

　　if（wIstr&ISTR_ESOF&wInterrupt_Mask）{

　　_SetISTR（（u16）CLR_ESOF）;

　　/*resumehandlingtimingismadewithESOFs*/

　　Resume（RESUME_ESOF）;/*requestwithoutchangeofthemachinestate*/#ifdefESOF_CALLBACK

　　ESOF_Callback（）;#endif}#endif

　　/*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*-*/#if（IMR_MSK&ISTR_CTR）

　　if（wIstr&ISTR_CTR&wInterrupt_Mask）{

　　/*servicingoftheendpointcorrecttransferinterrupt*//*clearoftheCTRflagintothesub*/CTR_LP（）;

　　#ifdefCTR_CALLBACK

　　CTR_Callback（）;#endif}#endif

　　}/*USB_Istr*/

　　下面象城管一样，逐一分拆每户。

　　wIstr=_GetISTR（）;得到中断的原因，这个根本不是函数，而是得到ISTR的值。

　　由于我们没有外挂复位，故外挂的复位就不进行了。我们只处理这个：voidVirtual_Com_Port_Reset（void），这个函数在usb_prop.c这个文件中。它的目的是恢复上电时的缺省设置。这个我们就不去深究了。因为好象也没有必要。

　　首先将全局变量pInformation（它定义在初始化中usb_init.c）中的配置值置为0表示设备还没配置过。（这个变量猜想应该在枚举之类的地方用于判断是否已枚举过）其次将当前的特征值赋值Virtual_Com_Port_ConfigDescriptor［7］。（含义先不管它）然后再将当前的通讯口设为端口0即pInformation-》Current_Interface=0;端口0大约就是控制口吧。

　　接下来设置缓冲表的地址或寄存器为00。这个我们暂不管它含义是什么放一边去。

　　再接下来，初始化三个端口，它们是端口0，1和2。其中端口0是控制口，端口1是发送口，端口3是接收口。

　　在.h中定义了缓冲区表的基地址为00，而端口0收为0x40，端口0的发为0x80，端口1的发地址为0xC0.端口2的发地址为0x100.端3的收地址为0x110.可以看到其缓冲区端口2的为16字节，其它的都为64字节。感觉ST公司太节省了点吧。这么短的包，如果用480M的超速的话怎么够？

　　最后一句：bDeviceState=ATTACHED;表示USB进入一个新状态。

　　接下来，看中断是否响应DMA上溢下溢，错误处理，唤醒、挂起中断我们都没有用到，故全部不看它。现在主要要看的一个终于出现了，它就是我们三个要响应的中断之一（三个中断分别是复位中断，帧头SOF中断，正确收发中断）SOF中断。这个表示帧的起始中断。不过这个中断的处理却是异常的简单，就是将这个SOF标志清除后再bIntPackSOF++;即可

　　当然最重要的总是在总后的，接下来的一个中断可要费点周章了。它就是正确的收发到数据的中断，它调用了CTR_LP（）函数，这个函数它定义在usb_int.c中。我们重点解读它：这个程序名为低优先级正确接收中断

　　★首先这个中断是一个循环，它一直在等ISTR_CTR==0为止。因为当它等于0时，表示里面的数据已经全部取完。没取完它是不会罢休的。就象强盗进了金库要将它搬空为止，结果是阿里巴巴胜出一样。

　　★清除这个CTR标志位，为了这个，我们去看一下数据手册，庆幸是中文的看得快一点（如果老是这么想，也许是不幸的开始）。发现CTR标志位只是一个只读的位，要清除它，它能是去清除USB_EpnR中的对应位。所以为什么用一个while（）的原因是中断一个处理完后，可能还有其它的中断未处理完，如果是这样的话，这个CTR位就一直是高电平。可是程序中却将ISTR的CTR位清除（在数据手册中它被说明为只读位）难道这是ST的一个小失误？别人不信，反正我是信了。

　　★根据端点的ID号（ISTR寄存器）决定它是控制端点0的响应呢还是其它端点的响应。原来控制端点0的响应在这里，估计枚举就在这里进行的吧。不过枚举过程我暂不想看，因为我相信ST会把所有的过程都给搞定的。读程序时，如果过分的分支再分支，最后就一无所有，有时要反复4~5遍才知道，如此就只好先舍去一些确定性的，象两平行线一定不相交的证明就不要看了。先看与要达到的目的密切相关的才行。如果要看枚举过程，“圈圈的教我玩USB”写得非常好，完全是由浅入深，建议买这本书看一看（赞一个，尽管不很深入，谈到教书育人，比清华的教授要强得多了，某些教授就是只会骗国家经费，找学生做事，大学搞出来的科研成果99%没有价值）。

　　★重点看其它端点的响应中断由于前面我们已经得知了ID号，我们就到对应的端点寄存器中去找，即臂如是端点2的响应，我们就到端点2的USB_EP2R中去找。看它是发送中断还是接收中断。它是B15位就是它的CTR_RX，如果不等于0说明它就是该端点的接收中断。

　　★接收中断处理的过程：

　　_ClearEP_CTR_RX（EPindex）;///清除这个接收标志

　　（*pEpInt_OUT［EPindex-1］）（）;///调用相应的接收中断的处理函数

　　注意这个函数数组的用法。它的定义如下：void（*pEpInt_OUT［7］）（void）={

　　EP1_OUT_Callback，EP2_OUT_Callback，EP3_OUT_Callback，。。。

　　};回忆一下，大学C语言学过的函数的定义：void*function（void）学的时候没用功吧。其实，要是我来做的话，还不如用几个if语句来得简明。

　　★所幸，我们在这里只用到两个回调函数，只需看2个即可，一个是EP1_IN_Callback（）另一个是EP3_OUT_Callback（）

　　而EP1这个，只是执行这么简单的一句：count_in=0;这个是当串口向USB发时时，串口的数据，在串口中断中已经做了处理。它就是我们前面看过的：

　　buffer_in［count_in］=USART_ReceiveData（USART1）;count_in++;

　　UserToPMABufferCopy（buffer_in，ENDP1_TXADDR，count_in）;SetEPTxCount（ENDP1，count_in）;SetEPTxValid（ENDP1）;

　　如果串口上我们连一个键盘，当敲打它时，就产生了串口中断，这个中断中将数据接收好，然后拷到缓冲区中（这是一个64字节的缓冲区）然后只需设置EP1的长度，开始发送就可以了。注意到这个发送字节的个数的寄存器在缓冲区中的某个地方。它在［USB_BTABLE］+n×16+4处。这点还请参考数据手册。

　　SetEPTxValid（ENDP1）这个函数还有点烦。要是将它全面解剖开来，就有下列东东：（为简化起见，中间的一些变量我用实际的数表表示了）#define_SetEPTxStatus（1，0x0030）{////我们这里是将两位都置为11

　　registeru16_wRegVal;

　　_wRegVal=_GetENDPOINT（1）&EPTX_DTOGMASK;///这个数就是0x0030/*togglefirstbit？*/if（（EPTX_DTOG1&wState）！=0）///如果原来的值不为0_wRegVal^=EPTX_DTOG1;

　　///异或一下即原来如果为0则变为1而如果已经是1了就变为0---已经为1就不能再发了

　　/*togglesecondbit？*/if（（EPTX_DTOG2&wState）！=0）///第5位也是如此做_wRegVal^=EPTX_DTOG2;_SetENDPOINT（bEpNum，_wRegVal）;}

　　于我我们就知道，如果原来的STAT_TX［1:0］（位于第5，4位就是0x0030处）就是为00的，则我们就置这个STAT_TX［1:0］=11发送就成功了。而如果原来就是11，则置为00。意味着发送就失败了。原来为01就变为10，原来为10就变为01。而01代表的是STALL。10代表的是NAK。具体为什么要这样，这个STALL，NAK在USB中的含义到现在有点模糊，可参考圈圈的书。但精确的在这里的含义还有待以后再弄清楚