【STM32H7S78-DK】USB虚拟 U盘

Bruceou · 发表于2024-10-19 10:58

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开发环境：

IDE：MKD 5.38a

STM32CubeMX: V6.12.0

开发板：STM32H7S78-DK开发板

MCU：STM32H7S7L8H6H

1 虚拟U盘简介

USB（Universal Serial BUS）通用串行总线，是一个外部总线标准，用于规范电脑与外部设备的连接和通讯。是应用在 PC 领域的接口技术。USB 接口支持设备的即插即用和热插拔功能。USB 是在 1994 年底由英特尔、康柏、IBM、Microsoft 等多家公司联合提出的。

USB 发展到现在已经有 USB1.0/1.1/2.0/3.0 等多个版本。目前用的最多的就是 USB1.1 和 USB2.0，USB3.0 目前已经开始普及。

标准 USB 共四根线组成,除 VCC/GND 外,另外为 D+,D-; 这两根数据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 的电阻到低的，所以在没有设备接入的时候，D+、D-均是低电平。而在 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，而如果是低速设备，则会在 D-上接一个 1.5K 的电阻到 VCC。这样当设备接入主机的时候，主机就可以判断是否有设备接入，并能判断设备是高速设备还是低速设备。

USB大容量存储设备类（The USB mass storage device class）是一种计算机和移动设备之间的传输协议，它允许一个通用串行总线（USB）设备来访问主机的计算设备，使两者之间进行文件传输。通过这个标准的计算机连接到的设备包括：移动硬盘、移动光驱、U盘、SD、TF等储存卡读卡器、数码相机、各种数字音频播放器和便携式媒体播放器、智能卡阅读器、掌上电脑和手机。

MSC的通用性和操作简单使他成为移动设备上最常见的文件系统，USB MSC并不需要任何特定的文件系统, 相反，它提供了一个简单的界面来读写接口用于访问任何硬盘驱动器。操作系统可以把MSC像本地硬盘一样格式化，并可以与他们喜欢的任何文件系统格式它，当然也可以创建多个分区。

2 USB硬件电路

USB的硬件电路如下：

Figure 2-1 USB的硬件电路

USB接口PM11和PM12。

3 利用SD Card实现U盘功能

SD Card实现U盘功能，利用文件系统对SD Card进行读写操作，同时PC端也可对U盘内文件进行操作。其外设SD Card的硬件电路如下。

Figure 6-1 SD卡硬件电路

STM32 控制器可以控制使用单线或 4 线传输，本开发板设计使用 4 线传输。

3.1 利用SD Card实现U盘

3.1.1 STM32CubeMX配置工程

STM32H7S的USB还有个MDC能够实现MSD（Mass Stroage Device）功能，也就是我们常说的U盘。于是就直接用STM32CubeMX配置工程，添加相应代码，实现U盘功能。

首先打开USB使能。

USB有主机（Host）和设备（Device）之分。一般电脑的USB接口为主机接口，而键盘、鼠标、U盘等则为设备。

STM32H7S系列的有2个USB接口，既可以作为HOST，又可以作为Device，还可以作为OTG接口。

然后选择中间件USB_DEVICE，如下图所示，USB IP选择Mass Storage Class，下方的配置参数只改一个MSC_MEDIA_PACKET，默认是512。这项参数要大于或等于存储器的块（页）大小，否则将出现请插入U盘或者无法读写U盘的情况。

MSC_MEDIA_PACKET (Media I/O buffer Size)（读写缓冲区大小）： 512（默认为512，这个的大小对于USB读写速度会有一些影响，最好和存储介质的最小存储单元一致）

本实验板使用的SD卡（三种卡的统称）的存储空间是由一个一个扇区组成的，SD卡的扇区大小是固定的，为512byte（这一点很重要），若干个扇区又可以组成一个分配单元（也被成为簇），分配单元常见的大小为4K、8K、16K、32K、64K。

还可以配置设备信息。

配置USB的时钟为48MHz。

在 Connetivity 中选择 SDIO 设置，并选择 SD 4 bits Wide bus 四线SD模式。

在 Parameter Settings 进行具体参数配置。

Clock transition on which the bit capture is made： Rising transition。主时钟 SDIOCLK 产生 CLK 引脚时钟有效沿选择，可选上升沿或下降沿，它设定 SDIO 时钟控制寄存器(SDIO_CLKCR)的 NEGEDGE 位的值，一般选择设置为上升沿。

SDIO Clock divider bypass： Disable。时钟分频旁路使用，可选使能或禁用，它设定 SDIO_CLKCR 寄存器的 BYPASS 位。如果使能旁路，SDIOCLK 直接驱动 CLK 线输出时钟；如果禁用，使用 SDIO_CLKCR 寄存器的 CLKDIV 位值分频 SDIOCLK，然后输出到 CLK 线。一般选择禁用时钟分频旁路。

SDIO Clock output enable when the bus is idle： Disable the power save for the clock。节能模式选择，可选使能或禁用，它设定 SDIO_CLKCR 寄存器的 PWRSAV 位的值。如果使能节能模式，CLK 线只有在总线激活时才有时钟输出；如果禁用节能模式，始终使能 CLK 线输出时钟。

SDIO hardware flow control： The hardware control flow is disabled。硬件流控制选择，可选使能或禁用，它设定 SDIO_CLKCR 寄存器的 HWFC_EN 位的值。硬件流控制功能可以避免 FIFO 发送上溢和下溢错误。

SDIOCLK clock divide factor： 6。时钟分频系数，它设定 SDIO_CLKCR 寄存器的 CLKDIV 位的值，设置 SDIOCLK 与 CLK 线输出时钟分频系数：CLK 线时钟频率=SDIOCLK/([CLKDIV+2])。

SDIO_CK 引脚的时钟信号在卡识别模式时要求不超过 400KHz，而在识别后的数据传输模式时则希望有更高的速度（最大不超过 25MHz），所以会针对这两种模式配置 SDIOCLK 的时钟。

这里参数描述建议将SDIOCLK clock divede factor 参数使用默认值为0，SDIOCLK为72MHz，可以得到最大频率36MHz，但请注意，有些型号的SD卡可能不支持36MHz这么高的频率，所以还是要以实际情况而定。

配置NVIC

当在Middleware and SoftwarePacks中配置了USB_DEVICE的模式不为Disable时，便会自动开启USB_OTG的全局中断，且不可关闭，用户配置合适的中断优先级即可，具体配置如下图所示

3.1.2 代码实现

修改存储读写函数。

/* Includes ------------------------------------------------------------------*/
#include "usbd_storage_if.h"

/* USER CODE BEGIN INCLUDE */

/* USER CODE END INCLUDE */

/* Private typedef -----------------------------------------------------------*/
/* Private define ------------------------------------------------------------*/
/* Private macro -------------------------------------------------------------*/

/* USER CODE BEGIN PV */
/* Private variables ---------------------------------------------------------*/

/* USER CODE END PV */

/** @addtogroup STM32_USB_OTG_DEVICE_LIBRARY
  * [url=home.php?mod=space&uid=159083]@brief[/url] Usb device.
  * @{
  */

/** @defgroup USBD_STORAGE
  * @brief Usb mass storage device module
  * @{
  */

/** @defgroup USBD_STORAGE_Private_TypesDefinitions
  * @brief Private types.
  * @{
  */

/* USER CODE BEGIN PRIVATE_TYPES */

/* USER CODE END PRIVATE_TYPES */

/**
  * @}
  */

/** @defgroup USBD_STORAGE_Private_Defines
  * @brief Private defines.
  * @{
  */

#define STORAGE_LUN_NBR                  1
#define STORAGE_BLK_NBR                  0x10000
#define STORAGE_BLK_SIZ                  0x200

/* USER CODE BEGIN PRIVATE_DEFINES */

/* USER CODE END PRIVATE_DEFINES */

/**
  * @}
  */

/** @defgroup USBD_STORAGE_Private_Macros
  * @brief Private macros.
  * @{
  */

/* USER CODE BEGIN PRIVATE_MACRO */

/* USER CODE END PRIVATE_MACRO */

/**
  * @}
  */

/** @defgroup USBD_STORAGE_Private_Variables
  * @brief Private variables.
  * @{
  */

/* USER CODE BEGIN INQUIRY_DATA_FS */
/** USB Mass storage Standard Inquiry Data. */
const int8_t STORAGE_Inquirydata_FS[] = {/* 36 */

  /* LUN 0 */
  0x00,
  0x80,
  0x02,
  0x02,
  (STANDARD_INQUIRY_DATA_LEN - 5),
  0x00,
  0x00,
  0x00,
  'S', 'T', 'M', ' ', ' ', ' ', ' ', ' ', /* Manufacturer : 8 bytes */
  'P', 'r', 'o', 'd', 'u', 'c', 't', ' ', /* Product      : 16 Bytes */
  ' ', ' ', ' ', ' ', ' ', ' ', ' ', ' ',
  '0', '.', '0' ,'1'                      /* Version      : 4 Bytes */
};
/* USER CODE END INQUIRY_DATA_FS */

/* USER CODE BEGIN PRIVATE_VARIABLES */

/* USER CODE END PRIVATE_VARIABLES */

/**
  * @}
  */

/** @defgroup USBD_STORAGE_Exported_Variables
  * @brief Public variables.
  * @{
  */

extern USBD_HandleTypeDef hUsbDeviceFS;

/* USER CODE BEGIN EXPORTED_VARIABLES */
extern SD_HandleTypeDef hsd1;
/* USER CODE END EXPORTED_VARIABLES */

/**
  * @}
  */

/** @defgroup USBD_STORAGE_Private_FunctionPrototypes
  * @brief Private functions declaration.
  * @{
  */

static int8_t STORAGE_Init_FS(uint8_t lun);
static int8_t STORAGE_GetCapacity_FS(uint8_t lun, uint32_t *block_num, uint16_t *block_size);
static int8_t STORAGE_IsReady_FS(uint8_t lun);
static int8_t STORAGE_IsWriteProtected_FS(uint8_t lun);
static int8_t STORAGE_Read_FS(uint8_t lun, uint8_t *buf, uint32_t blk_addr, uint16_t blk_len);
static int8_t STORAGE_Write_FS(uint8_t lun, uint8_t *buf, uint32_t blk_addr, uint16_t blk_len);
static int8_t STORAGE_GetMaxLun_FS(void);

/* USER CODE BEGIN PRIVATE_FUNCTIONS_DECLARATION */

/* USER CODE END PRIVATE_FUNCTIONS_DECLARATION */

/**
  * @}
  */

USBD_StorageTypeDef USBD_Storage_Interface_fops_FS =
{
  STORAGE_Init_FS,
  STORAGE_GetCapacity_FS,
  STORAGE_IsReady_FS,
  STORAGE_IsWriteProtected_FS,
  STORAGE_Read_FS,
  STORAGE_Write_FS,
  STORAGE_GetMaxLun_FS,
  (int8_t *)STORAGE_Inquirydata_FS
};

/* Private functions ---------------------------------------------------------*/
/**
  * @brief  Initializes the storage unit (medium) over USB FS IP
  * @param  lun: Logical unit number.
  * @retval USBD_OK if all operations are OK else USBD_FAIL
  */
int8_t STORAGE_Init_FS(uint8_t lun)
{
  /* USER CODE BEGIN 2 */
 UNUSED(lun);

  return (USBD_OK);
  /* USER CODE END 2 */
}

/**
  * @brief  Returns the medium capacity.
  * @param  lun: Logical unit number.
  * @param  block_num: Number of total block number.
  * @param  block_size: 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 */
  HAL_SD_CardInfoTypeDef info;
  if(HAL_SD_GetCardState(&hsd1) == HAL_SD_CARD_TRANSFER)
  {
    HAL_SD_GetCardInfo(&hsd1, &info);
    *block_num = info.LogBlockNbr;
    *block_size = info.LogBlockSize;
 
    return  USBD_OK;
  }
  return  USBD_FAIL;

  /* USER CODE END 3 */
}

/**
  * @brief   Checks whether the medium is ready.
  * @param  lun:  Logical unit number.
  * @retval USBD_OK if all operations are OK else USBD_FAIL
  */
int8_t STORAGE_IsReady_FS(uint8_t lun)
{
  /* USER CODE BEGIN 4 */
  UNUSED(lun);

  return (USBD_OK);
  /* USER CODE END 4 */
}

/**
  * @brief  Checks whether the medium is write protected.
  * @param  lun: Logical unit number.
  * @retval USBD_OK if all operations are OK else USBD_FAIL
  */
int8_t STORAGE_IsWriteProtected_FS(uint8_t lun)
{
  /* USER CODE BEGIN 5 */
  UNUSED(lun);

  return (USBD_OK);
  /* USER CODE END 5 */
}

/**
  * @brief  Reads data from the medium.
  * @param  lun: Logical unit number.
  * @param  buf: data buffer.
  * @param  blk_addr: Logical block address.
  * @param  blk_len: Blocks number.
  * @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 */
    int8_t ret = USBD_FAIL;
    if(HAL_SD_ReadBlocks(&hsd1, buf, blk_addr,  blk_len, HAL_MAX_DELAY) == HAL_OK)
    {
        ret = USBD_OK;
        while(HAL_SD_GetState(&hsd1) == HAL_SD_STATE_BUSY);
        while(HAL_SD_GetCardState(&hsd1) != HAL_SD_CARD_TRANSFER);
    }
    return ret;

  /* USER CODE END 6 */
}

/**
  * @brief  Writes data into the medium.
  * @param  lun: Logical unit number.
  * @param  buf: data buffer.
  * @param  blk_addr: Logical block address.
  * @param  blk_len: Blocks number.
  * @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 */
    int8_t ret = USBD_FAIL;
    if(HAL_SD_WriteBlocks(&hsd1, buf, blk_addr, blk_len, HAL_MAX_DELAY) == HAL_OK)
    {
        ret = USBD_OK;
        while(HAL_SD_GetState(&hsd1) == HAL_SD_STATE_BUSY);
        while(HAL_SD_GetCardState(&hsd1) != HAL_SD_CARD_TRANSFER);
    }
 
    return ret;
  /* USER CODE END 7 */
}

/**
  * @brief  Returns the Max Supported LUNs.
  * @param  None
  * @retval Lun(s) number.
  */
int8_t STORAGE_GetMaxLun_FS(void)
{
  /* USER CODE BEGIN 8 */
  return (STORAGE_LUN_NBR - 1);
  /* USER CODE END 8 */
}

/* USER CODE BEGIN PRIVATE_FUNCTIONS_IMPLEMENTATION */

/* USER CODE END PRIVATE_FUNCTIONS_IMPLEMENTATION */

/**
  * @}
  */

/**
  * @}
  */

3.2 实验现象

编译代码，将程序下载至开发板，并通过USB连接至电脑，格式化后，如下图所示显示容量为2.58G的U盘，当然U盘的大小硬件和设定的大小决定的。

这样就可往U盘中存放数据。

huwuren1a · 发表于2024-10-19 15:58

占个楼刷下积分三克油了啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊啊

huwuren1a · 发表于2024-10-19 15:59

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