【工具使用】STM32CubeMX-USB配置-实现U盘功能

一、概述

无论是新手还是大佬，基于STM32单片机的开发，使用STM32CubeMX都是可以极大提升开发效率的，并且其界面化的开发，也大大降低了新手对STM32单片机的开发门槛。
本文主要讲述STM32芯片USB功能的配置及其相关知识。

二、软件说明

STM32CubeMX是ST官方出的一款针对ST的MCU/MPU跨平台的图形化工具，支持在Linux、MacOS、Window系统下开发，其对接的底层接口是HAL库，另外习惯于寄存器开发的同学们，也可以使用LL库。STM32CubeMX除了集成MCU/MPU的硬件抽象层，另外还集成了像RTOS，文件系统，USB，网络，显示，嵌入式AI等中间件，这样开发者就能够很轻松的完成MCU/MPU的底层驱动的配置，留出更多精力开发上层功能逻辑，能够更进一步提高了嵌入式开发效率。
演示版本 6.1.0

三、USB功能简介

STM32F103C8T6的USB外设

顶部模块： - Analog transceiver：模拟收发器，通过 DP 和 DM 引脚实现物理层信号的收发，是 USB 与外部连接的接口。
绿色区域（USB 时钟 48MHz 驱动）： - Suspend timer：挂起定时器，用于管理 USB 的挂起状态。 - RX - TX、Control S.I.E.：负责数据的接收（RX）与发送（TX），以及控制相关操作。 - Clock recovery：时钟恢复模块，从输入信号中恢复时钟。 - Endpoint selection：端点选择模块，用于选择不同的 USB 端点。 - 这些模块连接到 Control registers and logic（控制寄存器及逻辑）和 Interrupt registers and logic（中断寄存器及逻辑），实现配置与中断管理；同时连接到多个 Endpoint registers（端点寄存器），用于存储端点相关数据。 - Packet buffer interface：数据包缓冲区接口，负责与下方的缓冲区模块交互。
灰色区域（PCLK 驱动，通过 APB1 总线通信）： - Arbiter：仲裁器，管理总线访问优先级。 - Packet buffer memory：数据包缓冲存储器，存储 USB 数据。 - Register mapper：寄存器映射，将端点寄存器映射到系统地址空间。 - Interrupt mapper：中断映射，将 USB 中断路由到 NVIC（嵌套向量中断控制器）。 - APB1 wrapper：APB1 总线封装，通过 APB1_bus 与系统连接，PCLK1 提供时钟。整体上，该框图展示了 USB 外设从物理信号收发、时钟处理、数据传输到系统接口（APB1）的完整流程，以及寄存器配置、中断管理等功能模块的协作关系。

四、USB配置及代码实现

STM32CubeMX配置

USB设备类选择

这是USB设备类选择的下拉菜单，因为我们要实现一个U盘的功能，所以这里我们选择Mass Storage Class（简称MSC）。
Disable：禁用，表示不使用任何设备类功能。
Audio Device Class：音频设备类，用于音频相关设备，如声卡、耳机等音频输入输出设备。
Communication Device Class (Virtual Port Com)：通信设备类（虚拟串口），用于实现虚拟串口通信功能，方便设备与计算机进行数据传输，常应用于一些需要串口通信模拟的场景。
Download Firmware Update Class (DFU)：下载固件更新类，用于设备固件的更新操作，允许设备在运行过程中通过特定方式更新自身固件。
Human Interface Device Class (HID)：人机接口设备类，像键盘、鼠标、游戏手柄等直接与用户交互的设备属于此类。
Custom Human Interface Device Class (HID)：自定义人机接口设备类，是在标准 HID 基础上，根据特定需求进行定制开发的人机交互设备类别。
Mass Storage Class：大容量存储类，用于 U 盘、移动硬盘等存储设备，使设备能像存储介质一样被计算机识别和读写数据。

USB设备相关参数

这部分是 USB 设备相关的参数设置，分为 Basic Parameters（基本参数）和 Class Parameters（类参数）两部分，这些参数共同配置了 USB 设备的基本属性、调试行为以及大容量存储类的缓冲区设置，确保设备在特定场景下正常工作。

Basic Parameters
USBD_MAX_NUM_INTERFACES：表示 USB 设备支持的最大接口数量，图中设置为 1。接口用于区分设备的不同功能（如一个设备仅实现单一功能时，接口数为 1）。
USBD_MAX_NUM_CONFIGURATION：最大配置数量，设为 1。USB 设备配置代表不同工作模式，此处表示仅有一种工作模式。
USBD_MAX_STR_DESC_SIZE：USB 描述符字符串的最大长度，为 512 bytes，用于定义设备名称等描述信息的最大长度。
USBD_SELF_POWERED：设备自供电状态，显示 Enabled，即设备采用自供电方式，而非依赖 USB 主机供电。
USBD_DEBUG_LEVEL：调试级别为 0: No debug message，表示调试时不输出任何调试信息。
Class Parameters
MSC_MEDIA_PACKET：针对大容量存储类（Mass Storage Class, MSC），定义媒体输入 / 输出缓冲区大小为 512 bytes，用于数据传输时的缓冲处理。

USB设备描述符相关配置

这部分是 USB 设备描述符相关的配置信息，分为 Device Descriptor（设备描述符）和 Device Descriptor FS（全速设备描述符）两部分，这些描述符信息是 USB 设备在与主机通信时，用于向主机声明自身属性和功能的关键参数，确保设备能被正确识别和驱动，这部分不需要修改，了解下其作用即可。

Device Descriptor
VID (Vendor Identifier)：厂商标识符，值为 1155，用于唯一标识设备的生产厂商。
LANGID_STRING (Language Identifier)：语言标识符，值为 English(United States)，表示设备使用的语言为美国英语。
MANUFACTURER_STRING (Manufacturer Identifier)：制造商标识符，值为 STMicroelectronics，表明设备由意法半导体制造。
Device Descriptor FS
PID (Product Identifier)：产品标识符，值为 22314，用于唯一标识该厂商下的具体产品。
PRODUCT_STRING (Product Identifier)：产品描述字符串，值为 STM32 Mass Storage，说明这是一个基于 STM32 的大容量存储设备（如 U 盘、移动存储等）。
CONFIGURATION_STRING (Configuration Identifier)：配置描述字符串，值为 MSC Config，表示设备的配置与大容量存储类（Mass Storage Class, MSC）相关。
INTERFACE_STRING (Interface Identifier)：接口描述字符串，值为 MSC Interface，表明设备使用的接口属于大容量存储类接口，用于实现数据的存储读写功能。

完整配置如下，USB 协议规定时钟误差需≤±0.25%，而STM32F103的内部 RC 振荡器（HSI，8MHz）精度仅 ±1%，无法满足要求，所以这时必须使用外部晶振。时钟按CubeMX自己计算的即可，一般是用48MHz。
USB配置

相关接口实现

完成以上配置后生成工程，为实现电脑对U盘的读写功能，这里还需要实现usbd_storage_if.c文件下的STORAGE_Read_FS和STORAGE_Write_FS接口，以完成电脑识别USB后对单片机内部Flash的操作，同时可以修改一下STORAGE_GetCapacity_FS接口，用来给电脑识别U盘设备的容量大小。如果需要使用外部Flash，则在此处实现外部Flash的读写操作。

/** @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解锁 */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写入 */HAL_FLASH_Program(FLASH_TYPEPROGRAM_WORD, FLASH_START_ADDR + blk_addr * FLASH_PAGE_SIZE + i, *(uint32_t *)(&buf[i]));}/* Flash锁 */HAL_FLASH_Lock();}return (USBD_OK);/* USER CODE END 7 */
}