【经验分享】基于STM32F103C8的 USB 外部flash虚拟U盘

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STMCU小助手发布时间：2022-3-16 11:16

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文章简介:	基于STM32F103C8的 USB 外部flash虚拟U盘

学习stm32已经很长时间了，但是一直没有过多的学习stm32的USB部分，因为实际工作还是用的比较少。说起USB那就有的说了，因为USB的功能很强大，这里主要重点记录一下STM32的USB部分，这个官方给的有专门USB库，笔者目前使用的是Cotex-M3内核的STM32F103系列，实验的芯片为STM32F103C8，这个是目前市场上性价比非常高的芯片，也是用的非常多的芯片。

USB基础知识
USB按接口类型分
控制器/主机（controller/host）

设备（peripheral）

OTG（on-the-go），通过id线确定作为主机还是作为设备

按照USB速度分

低速（low speed）

全速（full speed）

高速（high speed）

USB接口一般是4根线，VCC GND DM(D-) DP(D+)

低速设备：在DM线上接入上拉

全速设备：在DP线上接入上拉

高速设备：在DP线上接入上拉，在主机对设备进行复位后进一步的确认

关于描述符
设备描述符（device description）

配置描述符（config description）

接口描述符（interface description）

端点描述符（endpoint description）

(HQG%R@V4W]{7LOY8DZE{L9.png

设备的“身份”信息存储在描述符中。每个USB设备中都有如下描述符。需要注意的是一个USB设备只能有一个设备描述符，一个设备描述符可以有多个配置描述符，一个配置描述符可以有多个接口描述符，一个接口描述符可以包含多个端点。

关于传输
1.在USB的通讯中，有传输（transfer），事务（Transaction），包（packet）三级。包是最基础的传输单元，与TCP/IP协议中的MAC层协议作用相同。
2.在一次传输中，由多次事务组成，每次的事务又由多个包组成
3.与众多协议相同，较高级别的协议的报文是基于/内嵌在低级协议的报文当中的，在USB中也不例外，例如，包中预留了DATA位，其目的就是填写报文
STM32F103芯片自带了有USB模块，可以用来做从设备，不能用作主机HOST。这里使用USB的目的是讲USB作为一个大容量，这个可以基于官方USB Mass_Storage例程来移植。这里就不过多的介绍里面复杂的通信原理了，要彻彻底底搞明白并灵活运用取来还是有很大难度的，因为内容太多了。这里仅仅介绍下移植过程和描述符相关的重点内容。

准备工作
第一步
确保自己的KEIL开发环境已经完善。

第二步
下载好了两份ST官方的库文件（我是基于标准库开发的），一个是标准外设库文件，一个是USB库文件。如下图：

AZ7H5GQWT4J%{N{6){9E]{3.png

第三步
建立一个带有存储介质驱动的STM32基础工程，存储介质常见有SD卡、外部FLASH芯片、内部的FLASH空间。的我是基于一个外部flash的工程去实现的，芯片具体型号是W25Q64，64Mbit的空间，换成字节就是8MByte。驱动部分如下：

C文件

#include "fy_w25qxx.h"
u16 W25QXX_TYPE=0;//W25Q64
//4Kbytes为一个Sector,16个扇区为1个Block,容量为16M字节,共有128个Block,4096个Sector
//初始化SPI FLASH的IO口
void W25QXX_Configuration(void)
{
SPI2_SetSpeed(SPI_BaudRatePrescaler_2);//设置为18M时钟,高速模式
W25QXX_TYPE=W25QXX_ReadID();//读取FLASH ID.
}
//读取W25QXX的状态寄存器
//BIT7 6 5 4 3 2 1 0
//SPR RV TB BP2 BP1 BP0 WEL BUSY
//SPR:默认0,状态寄存器保护位,配合WP使用
//TB,BP2,BP1,BP0:FLASH区域写保护设置
//WEL:写使能锁定
//BUSY:忙标记位(1,忙;0,空闲)
//默认:0x00
u8 W25QXX_ReadSR(void)
{
u8 byte=0;
W25QXX_CS_L(); //使能器件
SPI2_ReadWriteByte(W25X_ReadStatusReg); //发送读取状态寄存器命令
byte=SPI2_ReadWriteByte(0Xff); //读取一个字节
W25QXX_CS_H(); //取消片选
return byte;
}
//写W25QXX状态寄存器
//只有SPR,TB,BP2,BP1,BP0(bit 7,5,4,3,2)可以写!!!
void W25QXX_Write_SR(u8 sr)
{
W25QXX_CS_L(); //使能器件
SPI2_ReadWriteByte(W25X_WriteStatusReg);//发送写取状态寄存器命令
SPI2_ReadWriteByte(sr); //写入一个字节
W25QXX_CS_H(); //取消片选
}
//W25QXX写使能
//将WEL置位
void W25QXX_Write_Enable(void)
{
W25QXX_CS_L(); //使能器件
SPI2_ReadWriteByte(W25X_WriteEnable); //发送写使能
W25QXX_CS_H(); //取消片选
}
//W25QXX写禁止
//将WEL清零
void W25QXX_Write_Disable(void)
{
W25QXX_CS_L(); //使能器件
SPI2_ReadWriteByte(W25X_WriteDisable); //发送写禁止指令
W25QXX_CS_H(); //取消片选
}
//读取芯片ID
u16 W25QXX_ReadID(void)
{
u16 Temp = 0;
W25QXX_CS_L();
SPI2_ReadWriteByte(0x90);//发送读取ID命令
SPI2_ReadWriteByte(0x00);
SPI2_ReadWriteByte(0x00);
SPI2_ReadWriteByte(0x00);
Temp|=SPI2_ReadWriteByte(0xFF)<<8;
Temp|=SPI2_ReadWriteByte(0xFF);
W25QXX_CS_H();
return Temp;
}
//在指定地址开始读取指定长度的数据
//pBuffer:数据存储区,ReadAddr:开始读取的地址(24bit),NumByteToRead:要读取的字节数(最大65535)
void W25QXX_Read(u8* pBuffer,u32 ReadAddr,u16 NumByteToRead)
{
u16 i;
W25QXX_CS_L(); //使能器件
SPI2_ReadWriteByte(W25X_ReadData); //发送读取命令
SPI2_ReadWriteByte((u8)((ReadAddr)>>16)); //发送24bit地址
SPI2_ReadWriteByte((u8)((ReadAddr)>>8));
SPI2_ReadWriteByte((u8)ReadAddr);
for(i=0;i<NumByteToRead;i++)
{
pBuffer=SPI2_ReadWriteByte(0XFF); //循环读数
}
W25QXX_CS_H();
}
//SPI在一页(0~65535)内写入少于256个字节的数据
//在指定地址开始写入最大256字节的数据
//pBuffer:数据存储区,WriteAddr:开始写入的地址(24bit),NumByteToWrite:要写入的字节数(最大256),该数不应该超过该页的剩余字节数!!!
void W25QXX_Write_Page(u8* pBuffer,u32 WriteAddr,u16 NumByteToWrite)
{
u16 i;
W25QXX_Write_Enable(); //SET WEL
W25QXX_CS_L(); //使能器件
SPI2_ReadWriteByte(W25X_PageProgram); //发送写页命令
SPI2_ReadWriteByte((u8)((WriteAddr)>>16)); //发送24bit地址
SPI2_ReadWriteByte((u8)((WriteAddr)>>8));
SPI2_ReadWriteByte((u8)WriteAddr);
for(i=0;i<NumByteToWrite;i++)SPI2_ReadWriteByte(pBuffer);//循环写数
W25QXX_CS_H(); //取消片选
W25QXX_Wait_Busy(); //等待写入结束
}
//无检验写SPI FLASH
//必须确保所写的地址范围内的数据全部为0XFF,否则在非0XFF处写入的数据将失败!
//具有自动换页功能
//在指定地址开始写入指定长度的数据,但是要确保地址不越界!
//pBuffer:数据存储区
//WriteAddr:开始写入的地址(24bit)
//NumByteToWrite:要写入的字节数(最大65535)
//CHECK OK
void W25QXX_Write_NoCheck(u8* pBuffer,u32 WriteAddr,u16 NumByteToWrite)
{
u16 pageremain;
pageremain=256-WriteAddr%256; //单页剩余的字节数
if(NumByteToWrite<=pageremain)pageremain=NumByteToWrite;//不大于256个字节
while(1)
{
W25QXX_Write_Page(pBuffer,WriteAddr,pageremain);
if(NumByteToWrite==pageremain)break;//写入结束了
else //NumByteToWrite>pageremain
{
pBuffer+=pageremain;
WriteAddr+=pageremain;
NumByteToWrite-=pageremain; //减去已经写入了的字节数
if(NumByteToWrite>256)pageremain=256; //一次可以写入256个字节
else pageremain=NumByteToWrite; //不够256个字节了
}
};
}
//写SPI FLASH
//在指定地址开始写入指定长度的数据
//该函数带擦除操作!
//pBuffer:数据存储区
//WriteAddr:开始写入的地址(24bit)
//NumByteToWrite:要写入的字节数(最大65535)
u8 W25QXX_BUFFER[4096];
void W25QXX_Write(u8* pBuffer,u32 WriteAddr,u16 NumByteToWrite)
{
u32 secpos;
u16 secoff;
u16 secremain;
u16 i;
u8 *W25QXX_BUF;
W25QXX_BUF=W25QXX_BUFFER;
//
// W25QXX_BUF = (u8 *)_mem.Alloc(4096);//申请一个扇区大小的内存
// if(W25QXX_BUF==NULL) return;
secpos=WriteAddr/4096;//扇区地址
secoff=WriteAddr%4096;//在扇区内的偏移
secremain=4096-secoff;//扇区剩余空间大小
//printf("ad:%X,nb:%X\r\n",WriteAddr,NumByteToWrite);//测试用
if(NumByteToWrite<=secremain)secremain=NumByteToWrite;//不大于4096个字节
while(1)
{
W25QXX_Read(W25QXX_BUF,secpos*4096,4096);//读出整个扇区的内容
for(i=0;i<secremain;i++)//校验数据
{
if(W25QXX_BUF[secoff+i]!=0XFF)break;//需要擦除
}
if(i<secremain)//需要擦除
{
W25QXX_Erase_Sector(secpos); //擦除这个扇区
for(i=0;i<secremain;i++) //复制
{
W25QXX_BUF[i+secoff]=pBuffer;
}
W25QXX_Write_NoCheck(W25QXX_BUF,secpos*4096,4096);//写入整个扇区
}else W25QXX_Write_NoCheck(pBuffer,WriteAddr,secremain);//写已经擦除了的,直接写入扇区剩余区间.
if(NumByteToWrite==secremain)break;//写入结束了
else//写入未结束
{
secpos++;//扇区地址增1
secoff=0;//偏移位置为0
pBuffer+=secremain; //指针偏移
WriteAddr+=secremain; //写地址偏移
NumByteToWrite-=secremain; //字节数递减
if(NumByteToWrite>4096)secremain=4096;//下一个扇区还是写不完
else secremain=NumByteToWrite; //下一个扇区可以写完了
}
}
// _mem.Free(W25QXX_BUF);
}
//擦除整个芯片
//等待时间超长...
void W25QXX_Erase_Chip(void)
{
W25QXX_Write_Enable(); //SET WEL
W25QXX_Wait_Busy();
W25QXX_CS_L(); //使能器件
SPI2_ReadWriteByte(W25X_ChipErase); //发送片擦除命令
W25QXX_CS_H(); //取消片选
W25QXX_Wait_Busy(); //等待芯片擦除结束
}
//擦除一个扇区
//Dst_Addr:扇区地址根据实际容量设置
//擦除一个山区的最少时间:150ms
void W25QXX_Erase_Sector(u32 Dst_Addr)
{
//监视falsh擦除情况,测试用
// printf("fe:%x\r\n",Dst_Addr);
Dst_Addr*=4096;
W25QXX_Write_Enable(); //SET WEL
W25QXX_Wait_Busy();
W25QXX_CS_L(); //使能器件
SPI2_ReadWriteByte(W25X_SectorErase); //发送扇区擦除指令
SPI2_ReadWriteByte((u8)((Dst_Addr)>>16)); //发送24bit地址
SPI2_ReadWriteByte((u8)((Dst_Addr)>>8));
SPI2_ReadWriteByte((u8)Dst_Addr);
W25QXX_CS_H(); //取消片选
W25QXX_Wait_Busy(); //等待擦除完成
}
//等待空闲
void W25QXX_Wait_Busy(void)
{
while((W25QXX_ReadSR()&0x01)==0x01); // 等待BUSY位清空
}
//进入掉电模式
void W25QXX_PowerDown(void)
{
W25QXX_CS_L(); //使能器件
SPI2_ReadWriteByte(W25X_PowerDown); //发送掉电命令
W25QXX_CS_H(); //取消片选
Delay_us(3); //等待TPD
}
//唤醒
void W25QXX_WAKEUP(void)
{
W25QXX_CS_L(); //使能器件
SPI2_ReadWriteByte(W25X_ReleasePowerDown); // send W25X_PowerDown command 0xAB
W25QXX_CS_H(); //取消片选
Delay_us(3); //等待TRES1
}

复制代码

H文件

#ifndef __FY_W25QXX_H
#define __FY_W25QXX_H
#include "fy_includes.h"
//W25QXX对应唯一识别ID
#define W25Q80 0XEF13
#define W25Q16 0XEF14
#define W25Q32 0XEF15
#define W25Q64 0XEF16
#define W25Q128 0XEF17
//指令表
#define W25X_WriteEnable 0x06
#define W25X_WriteDisable 0x04
#define W25X_ReadStatusReg 0x05
#define W25X_WriteStatusReg 0x01
#define W25X_ReadData 0x03
#define W25X_FastReadData 0x0B
#define W25X_FastReadDual 0x3B
#define W25X_PageProgram 0x02
#define W25X_BlockErase 0xD8
#define W25X_SectorErase 0x20
#define W25X_ChipErase 0xC7
#define W25X_PowerDown 0xB9
#define W25X_ReleasePowerDown 0xAB
#define W25X_DeviceID 0xAB
#define W25X_ManufactDeviceID 0x90
#define W25X_JedecDeviceID 0x9F
void W25QXX_Configuration(void);
u16 W25QXX_ReadID(void); //读取FLASH ID
u8 W25QXX_ReadSR(void); //读取状态寄存器
void W25QXX_Write_SR(u8 sr); //写状态寄存器
void W25QXX_Write_Enable(void); //写使能
void W25QXX_Write_Disable(void); //写保护
void W25QXX_Write_NoCheck(u8* pBuffer,u32 WriteAddr,u16 NumByteToWrite);
void W25QXX_Read(u8* pBuffer,u32 ReadAddr,u16 NumByteToRead); //读取flash
void W25QXX_Write(u8* pBuffer,u32 WriteAddr,u16 NumByteToWrite);//写入flash
void W25QXX_Erase_Chip(void); //整片擦除
void W25QXX_Erase_Sector(u32 Dst_Addr); //扇区擦除
void W25QXX_Wait_Busy(void); //等待空闲
void W25QXX_PowerDown(void); //进入掉电模式
void W25QXX_WAKEUP(void); //唤醒
extern u16 W25QXX_TYPE; //定义W25QXX芯片型号
#endif

复制代码

基础工程如下：

第四步：USB代码移植
拷贝USB底层库到工程根目录，新建一个目录命名成USB，拷贝Mass_Storage例程下的src和inc目录下的所以文件到USB。

6Q]9Q9812B]OXMA8GNV[PCC.png

拷贝过来是有37个文件，这个时候需要删除一些不必要的文件，因为官方的例程里面有nand，这里的话先删除以下文件

VN1JDR_I@JO271YJKNV1(HE.png

4.打开工程把分组和文件及包含路径添加进去，这里就不细说了，结果如下

X$DZH7HHYEC}266_`72~4EH.png

打开usb下面的main和it 把重要的代码先拷贝出来

OA]E5J8OQ0[B{UJV@KXPUG2.png

把main和stm32_it里面的内容拷贝到自己的main里面进行下封装去掉不要的保留剩下的，然后就删除it和main三个文件。

@G5L9U9`9]${JVP}AD@KN0E.png

然后编译下，这个时候会出现一堆报错，需要慢慢一步步搞定，编译前注意路径包含，

[~3UDXP_99@A_@~XV14BNPB.png

定位到第一个错误进去

5L28CK8A4)MY@OJR7KK~KOY.png

这个定义的是官方的开发板我们直接修改成自己的公共文件就可以，并且注释掉开发板定义

TR]6[QMF5`A7X$MYZIL])9I.png

公共文件如下，并且添加usb部分的头文件

Z7Z6YX`QZR}6~KCC_GDDLD8.png

继续编译，定位第一个错误，这部分主要修改hw_config文件

_9RUE5O1M][P)IRX]S2S_$D.png

删除Set_System函数

N~R76S188E[X(N6NID1WQ$V.png

删除Led_Config函数

~HA$Z23~@)XV2TEQ8CUTS.png

注释LED相关的内容

_FKQ$_}1}S8W%PG(2VT2]C7.png

删除USB_Disconnect_Config

4K@_T@@XVZ@P]EEH37}QAJX.png

接下来主要修改mass_mal部分，我这里是只有一个flash，所以我修改成如下：

2_1P4[7IG68PG%9TS@41BI4.png

头文件

下面修改memory文件，主要修改变量定义，C文件和H文件分别如下

T]Y~~F2{V(H`V{$X(}FMNNJ.png

接下来是usb_scsi部分的变量定义

R$Z1OIMFO6JWKJE~XX[{2$B.png

这时候再次编译就发现没有错误了，但是这个地方USB中断部分还需要配置下，官方用的宏定义方式去实现不同的代码，这里一开始就去掉了宏，所以最终修改如下：

/*******************************************************************************
* Function Name : USB_Interrupts_Config
* Description : Configures the USB interrupts
* Input : None.
* Return : None.
*******************************************************************************/
void USB_Interrupts_Config(void)
{
NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
EXTI_InitTypeDef EXTI_InitStructure;
/* Configure the EXTI line 18 connected internally to the USB IP */
EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line18);
// 开启线18上的中断
EXTI_InitStructure.EXTI_Line = EXTI_Line18; // USB resume from suspend mode
EXTI_InitStructure.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Rising; //line 18上事件上升降沿触发
EXTI_InitStructure.EXTI_LineCmd = ENABLE;
EXTI_Init(&EXTI_InitStructure);
/* Enable the USB interrupt */
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USB_LP_CAN1_RX0_IRQn; //组2，优先级次之
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
/* Enable the USB Wake-up interrupt */
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = USBWakeUp_IRQn; //组2，优先级最高
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;
NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
}

复制代码

再注释掉USB_Cable_Config的内容（DP上有1.5K上拉电阻）并修改中断函数

//USB唤醒中断服务函数
void USBWakeUp_IRQHandler(void)
{
EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line18);//清除USB唤醒中断挂起位
}

复制代码

修改pwr的Suspend内容：

void Suspend(void)
{
uint32_t i =0;
uint16_t wCNTR;
__IO uint32_t savePWR_CR=0;
/* suspend preparation */
/* ... */
/*Store CNTR value */
wCNTR = _GetCNTR();
/* This a sequence to apply a force RESET to handle a robustness case */
/*Store endpoints registers status */
for (i=0;i<8;i++) EP = _GetENDPOINT(i);
/* unmask RESET flag */
wCNTR|=CNTR_RESETM;
_SetCNTR(wCNTR);
/*apply FRES */
wCNTR|=CNTR_FRES;
_SetCNTR(wCNTR);
/*clear FRES*/
wCNTR&=~CNTR_FRES;
_SetCNTR(wCNTR);
/*poll for RESET flag in ISTR*/
while((_GetISTR()&ISTR_RESET) == 0);
/* clear RESET flag in ISTR */
_SetISTR((uint16_t)CLR_RESET);
/*restore Enpoints*/
for (i=0;i<8;i++)
_SetENDPOINT(i, EP);
/* Now it is safe to enter macrocell in suspend mode */
wCNTR |= CNTR_FSUSP;
_SetCNTR(wCNTR);
/* force low-power mode in the macrocell */
wCNTR = _GetCNTR();
wCNTR |= CNTR_LPMODE;
_SetCNTR(wCNTR);
Enter_LowPowerMode();
}

复制代码

把USB初始化部分不要的注释掉：

void USB_MSC_Configuration(void)
{
// Set_System();
Set_USBClock();
// Led_Config();
USB_Interrupts_Config();
USB_Init();
// while (bDeviceState != CONFIGURED);
// USB_Configured_LED();
// while (1)
// {}
}

复制代码

最后在USB初始化之前给U盘定义的数组赋值，不然就只有个盘符

Mass_Memory_Size[0]=1024*1024*4; //w25q64->8M 给4M做U盘
Mass_Block_Size[0] =512; //设置SPI FLASH的操作扇区大小为512
Mass_Block_Count[0]=Mass_Memory_Size[0]/Mass_Block_Size[0];
USB_MSC_Configuration();

复制代码

编译下载后就可以正常运行了。

$_IXXNOSIUI%KX_{0NPN2T%2.png$

传输文件、新建文件夹都可以了，就是传输速度感人。

以上就是USB虚拟U盘的所有内容了，内容太多而且复杂，所以如果真的想亲手试试，还是要点耐心的。虽然能学到的并不是很多，这里主要可以干茶mass_mal部分，可以学到不少东西，方便以后的熟练运用。我这里也是为以后更进一步的开发做铺垫。