知芯上篇 | APM32F407集成内部高速PHY，支持USB2.0通信

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知芯上篇 | APM32F407集成内部高速PHY，支持USB2.0通信

极海APM32F407系列USB模块介绍 ·

极海APM32F407系列工业级高性能MCU，支持USB2.0协议，兼容低速（1.5Mbps）、全速（12Mbps）和高速模式（480Mbps）。高速模式下集成了内部的PHY（物理层），可以节约外部器件成本，操作简便。

APM32F407高速模式下支持4K字节的专用RAM管理数据FIFO传输。单独一帧不需要应用程序参与，从而达到最大的传输带宽。作为设备时，支持最多6个端点，作为主机则支持最多12个通道。支持OTG标准，允许在主机和设备之间进行动态角色切换，支持模块内嵌的DMA传输。

在功耗方面，APM32F407内置电源管理模块，在USB模块挂起时可关闭USB模块所有时钟源来降低功耗，还能通过停止物理层时钟节省其翻转而产生的动态功耗，同时支持OTG应用的主机关闭Vbus降低功耗。由此可知，APM32F407的USB模块可高效地实现USB2.0协议，通过多个管道和FIFO缓存区使传输达到最大的USB带宽，符合OTG补充标准，功耗管理表现优秀。

USB简介 ·

USB（Universal Serial Bus）即通用串行总线，作为一种传输速度快、使用方便、连接灵活的数据通信技术被市场广泛使用，但大家对它的了解有多少呢？今天极海芯君就与大家来聊聊USB的发展历程、通讯形式。

USB传输标准进化史 ·

自1996年USB-IF（USB Implementers Forum）组织发布USB 1.0标准以来，USB已经演化了诸多版本。其中 USB1.1支持1.5Mbps低速模式和12Mbps全速模式，而USB2.0作为MCU常用数据通信版本，在兼容低速和全速的同时，还支持480Mbps的高速模式。

USB标准版本

标准 版本	发布 日期	官方代号	最大传输 速率	电压电流 支持
USB 1.0	1996.01	Low-Speed	1.5 Mbps	5V/500mA
USB 1.1	1998.09	Full-Speed	12 Mbps	5V/500mA
USB 2.0	2000.04	High-Speed	480 Mbps	5V/500mA
USB 3.2 Gen1	2008.11	SuperSpeed	5 Gbps	15V/900mA
USB 3.2 Gen*1	2013.07	SuperSpeed+	10 Gbps	20V/5A
USB 3.2 Gen*2	2017.09	SuperSpeed+	20 Gbps	20V/5A
USB 4	2019.09	-	40 Gbps	20V/5A

USB通信过程解析 ·

USB通信组件

USB通信由主机和设备（从机）组成，主机发起通信，符合条件的设备做出响应。最前线的端点接收主机数据，多个“志同道合”的端点组成接口，多个接口组成配置，一个设备可有个配置，然后USB通过四线电缆传输信号和电源。

Q：数据线（D-/D+）和端点有什么关系？

A：数据线是传送带，端点负责向传送带收放数据，而对应的主机则是使用通道来收放数据。端点存在设备内部，用于管理数据。

USB描述符

Q：如何区分设备呢？

A：这就涉及到USB描述符了。描述符是USB协议规定的符号集，可以分为设备描述符、配置描述符、接口描述符、端点描述符、字符串描述符等。

描述符	用途
设备描述符	表明协议版本、厂商信息、使用的类信息等
配置描述符	表明配置用到的接口数、电源信息、集合总长度等
接口描述符	表明接口使用的类、接口用到的端点数等
端点描述符	表明该端点的类型、端点最大包长等端点属性
字符串描述符	包含字符串数据

*需注意，接口描述符和端点描述符通常是和配置描述符绑定的。配置描述符自身长度为9字节，接口、端口等描述符衔接在配置描述符后面。所以主机只需要获取配置描述符集合就能知道设备的通信信息。

Q：什么是USB的类？

A：USB常见的传输形式有鼠标、U盘、音视频等，不同类型的传输有着不同的传输规则，同类型传输规则则保持一致，这就产生了“类”的概念。主机识别出设备的类代码，就会按照该类的规则来传输。不同基类还有自己的子类和协议。类代码一般存放于接口描述符，少数存放于设备描述符。

USB请求

USB规定了8个字节作为一个请求，通过主机发送标准的获取描述符请求，设备接收到请求后，将对应描述符发送至主机。

USB设备请求结构

字节序号	域	描述
0	bmRequestType	字节中每个位的意义： D7: 表明数据阶段的传输方向 0=主机至设备 1=设备至主机 D6~D5: 表明请求的类型 0=标准请求 1=类请求 2=厂商请求 3=保留 D4~D0: 表明请求的接收方 0=设备 1=接口 2=端点 3=其他 4..31=保留
1	bRequest	表明具体请求
2、3	wValue	根据不同请求，其含义不同
4、5	wIndex	根据不同请求，其含义不同
6、7	wLength	数据阶段的数据长度，以字节为单位，无数据则为0

表注：D0表示字节的第0位，D1表示第1位，依次类推

USB标准请求

bmRequestType	bRequest	wValue	wIndex	wLength
0000 0000B 0000 0001B 0000 0010B	CLEAR_FEATURE (1)	特性选择	0 接口号 端点号	0
1000 0000B	GET_CONFIGURATION (8)	0	0	1
1000 0000B	GET_DESCRIPTOR (6)	描述符类型、索引	0或语言ID	描述符长度
1000 0000B	GET_INTERFACE (10)	0	接口号	1
1000 0000B 1000 0001B 1000 0010B	GET_STATUS (0)	0	0 接口号 端点号	2
0000 0000B	SET_ADDRESS (5)	设备地址	0	0
0000 0000B	SET_ CONFIGURATION(9)	配置值	0	0
0000 0000B	SET_DESCRIPTOR (7)	描述符类型、索引	0或语言ID	描述符长度
0000 0000B 0000 0001B 0000 0010B	SET_FEATURE (3)	特性选择	0 接口号 端点号	0
0000 0001B	SET_ INTERFACE (11)	备用接口号	接口号	0
1000 0010B	SYNCH_FRAME (12)	0	端点号	2

表注：B后缀表示二进制

利用标准请求即可实现设备枚举，枚举的过程其实就是主机识别设备的过程。枚举的大致流程：

*除了标准请求外，还有类请求、供应商请求，当请求中bmRequestType的第5、6位的值对应为类请求时，该8个字节请求的规范就会按照类的规则来定义。

USB传输类型

USB控制传输

主机发送请求至设备，设备返回描述符至主机，主机收到设备发过来的描述符，需要返回一个0数据包表示状态，表明成功接收数据，这个传输方式在USB中称为控制传输。

一次USB控制传输需要Setup事务发送请求至设备，然后根据请求判断数据传输方向及数据长度，数据事务（IN或OUT）之后，数据的接收方需要发送一个0长度数据事务（IN或OUT）来结束控制传输。控制传输必须有主机的请求（Setup），而数据过程取决于该请求，若无数据，则直接到状态过程。状态过程属于数据包，但它没有内容。

USB批量传输	USB中断传输	USB同步传输
没有请求过程，只有数据收发。 特点：传输数据量大，实时性不高。 常用于U盘等大容量传输设备。	没有请求过程，只有数据收发。 特点：数据传输量不大，实时性高 常用于鼠标、键盘等设备。 *中断传输只是一个概念，不是中断异常，它在固定的实际间隔，主机间歇性地安排一次传输，使得及时收到设备更新数据。	没有请求过程，只有数据收发。 特点：传输量大且实时性高，但对数据准确性要求不高。 *同步传输的事务和其他传输不一样，它没有应答包。通常事务的结尾会以应答包汇报此事务的传输状态，当没有应答包时，可以通过数据包的CRC来判断数据的准确性。

USB事务构成
USB包构成

令牌包由主机发出，设备接到令牌包后，如果为Setup，则接收数据包（8字节请求）；如果为IN令牌，则发送数据至主机，OUT令牌相反。握手包是在数据包结束之后，数据的接收方进行应答，应答方式有ACK（确认）、NAK（未就绪）、STALL（出错）和NYET（高速OUT事务中表示无空间）。

MCU中USB设备的数据流

数据缓冲区-FIFO

MCU通常使用FIFO作为数据缓存区，MCU中的FIFO是一种先进先出的数据缓存寄存器。从USB事务和包中，我们可以了解到，当设备收到主机的令牌包后，根据不同的令牌包，进行接收或发送数据。比如收到了Setup令牌，那设备会先将数据保存在接收FIFO中，置起相关标准位，设备就可以去接收FIFO中取出Setup请求；比如收到的是IN令牌，那设备会从发送FIFO中发送预先压栈的数据，若发送FIFO无数据则返回NAK握手包。

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