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第五十九章 USB U盘(Host)实验
本章我们介绍STM32H750的USB HOST应用，即通过USB HOST功能，实现读写U盘/读卡器等大容量USB存储设备。
本章分为如下几个小节：
59.1 U盘简介
59.2 硬件设计
59.3 程序设计
59.4 下载验证
59.1 U盘简介
U盘，全称USB闪存盘，英文名“USB flash disk”。它是一种使用USB接口的无需物理驱动器的微型高容量移动存储产品，通过USB接口与主机连接，实现即插即用，是最常用的移动存储设备之一。
STM32H750的USB OTG FS支持U盘，并且ST官方提供了USB HOST大容量存储设备（MSC）例程，ST官方例程路径：光盘8，STM32参考资料1，STM32CubeH7固件包 STM32Cube_FW_H7_V1.6.0 ProjectsSTM32H743I-EVAL Applications USB_Host
MSC_Standalone。本实验，我们就要移植该例程到开发板上，以通过STM32H750的USB HOST接口，读写U盘或SD卡读卡器等设备。
59.2 硬件设计
- 例程功能
本实验代码，开机后，检测字库，然后初始化USB HOST，并不断轮询。当检测并识别U盘后，在LCD上面显示U盘总容量和剩余容量，此时便可以通过USMART调用FATFS相关函数，来测试U盘数据的读写了，方法同FATFS实验一模一样。
LED0闪烁，提示程序运行。 - 硬件资源
1）RGB灯
RED ：LED0 - PB4
GREEN ：LED1 - PE6
2）串口1(PA9/PA10连接在板载USB转串口芯片CH340上面)
3）正点原子2.8/3.5/4.3/7/10寸TFTLCD模块(仅限MCU屏，16位8080并口驱动)
4）USB_HOST接口(D-/D+连接在PA11/PA12上) - 原理图
本开发板的USB HOST接口采用的是贴片USB母座，它和USB SLAVE的5PIN MiniUSB接头是共用USB_DM和USB_DP信号的，所以USB HOST和USB SLAVE功能不能同时使用。USB HOST和STM32的连接原理图，如下图所示：
图59.2.1 USB母座与STM32的连接电路图
从上图可以看出，USB座是直接连接到STM32H750上面的，所以硬件上不需要我们做什么操作，可直接使用。
需要注意的是：这个USB母座（USB_HOST）和MiniUSB座是共用D+和D-的，所以他们不能同时使用。这个在使用的时候，要特别注意！本实验测试时，数据线要用USB_ UART接口连接到电脑！
下面，看看开发板上的USB母座（USB_HOST）的位置，请将U盘插入这个接口上。
图59.2.2 U盘与开发板的连接示意图
59.3 程序设计
59.3.1 程序流程图
图59.3.1.1 USB U盘(Host)实验程序流程图
59.3.2 程序解析
这里我们只讲解核心代码，详细的源码请大家参考光盘本实验对应源码。
本实验，我们在：实验37 硬件JPEG解码实验的基础上修改，代码移植自ST官方例程：STM32Cube_FW_H7_V1.6.0\Projects\STM32H743I_EVAL\Applications\USB_Host\MSC_Standalone。有了这个官方例程做指引，我们就知道具体需要哪些文件，从而实现本实验。
本实验的具体移植步骤，我们这里就不一一介绍了，最终移植好之后的工程分组截图，如图59.3.2.1所示：
图59.3.2.1 USB U盘(Host)实验工程分组
上图工程分组中的Middlewares/USB_CORE和Middlewares/USB_CLASS分组下的.c文件，直接拷贝ST官方USB HOST库，我们重点要修改的是USB_APP文件夹下面的代码，接下来重点介绍下。
- USB驱动代码
usbh_conf.c提供了USB主机库的回调及MSP初始化函数，当USB状态机处理完不同事务的时候，会调用这些回调函数，我们通过这些回调函数，就可以知道USB当前状态，比如：是否连接上了？是否断开了？等，根据这些状态，用户应用程序可以执行不同操作，完成特定功能。该.c文件我们重点介绍3个函数，首先是初始化PCD MSP函数，其定义如下：
/**
* @brief 初始化PCD MSP
* @param hpcd:PCD结构体指针
* @retval 无
*/
void HAL_PCD_MspInit(PCD_HandleTypeDef * hpcd)
{
GPIO_InitTypeDef gpio_init_struct;
/* USB时钟设置，使用HSI48MHz,具体配置请看sys_stm32_clock_init函数 */
if (hpcd->Instance == USB2_OTG_FS)
{
__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE(); /* 使能GPIOA时钟 */
gpio_init_struct.Pin = GPIO_PIN_11 | GPIO_PIN_12;
gpio_init_struct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP; /* 复用 */
gpio_init_struct.Pull = GPIO_NOPULL; /* 浮空 */
gpio_init_struct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_VERY_HIGH; /* 高速 */
gpio_init_struct.Alternate = GPIO_AF10_OTG1_FS; /* 复用为OTG1_FS */
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &gpio_init_struct);/* 初始化PA11和PA12引脚 */
__HAL_RCC_USB2_OTG_FS_CLK_ENABLE(); /* 使能OTG FS时钟 */
HAL_NVIC_SetPriority(OTG_FS_IRQn, 1, 0);/* 优先级设置为抢占1,子优先级0 */
HAL_NVIC_EnableIRQ(OTG_FS_IRQn); /* 使能OTG FS中断 */
}
else if (hpcd->Instance == USB1_OTG_HS)
{
/* USB1 OTG本例程没用到,故不做处理 */
}
}
HAL_HCD_MspInit函数，用于使能USB时钟，选择内核时钟源，初始化IO口，设置中断等。该函数在HAL_HCD_Init函数里面被调用。
接下来介绍的是USB OTG 中断服务函数，其定义如下：
/**
* @brief USB OTG 中断服务函数
* @note 处理所有USB中断
* @param 无
* @retval 无
*/
void OTG_FS_IRQHandler(void)
{
HAL_HCD_IRQHandler(&hhcd);
}
OTG_FS_IRQHandler函数，是USB的中断服务函数，通过调用HAL_HCD_IRQHandler函数，实现对USB各种事务的处理。
最后介绍的是USBH底层初始化函数，其定义如下：
/**
* @brief USBH 底层初始化函数
* @param phost : USBH句柄指针
* @retval USB状态
* @arg USBH_OK(0) , 正常;
* @arg USBH_BUSY(1) , 忙;
* @arg 其他 , 失败;
*/
USBH_StatusTypeDef USBH_LL_Init(USBH_HandleTypeDef *phost)
{
#ifdef USE_USB_FS
/* 设置LL驱动相关参数 */
hhcd.Instance = USB2_OTG_FS; /* 使用USB2 OTG */
hhcd.Init.Host_channels = 11; /* 主机通道数为11个 */
hhcd.Init.dma_enable = 0; /* 不使用DMA */
hhcd.Init.low_power_enable = 0; /* 不使能低功耗模式 */
hhcd.Init.phy_itface = HCD_PHY_EMBEDDED; /* 使用内部PHY */
hhcd.Init.Sof_enable = 0; /* 禁止SOF中断 */
hhcd.Init.speed = HCD_SPEED_FULL; /* USB全速(12Mbps) */
hhcd.Init.vbus_sensing_enable = 0; /* 不使能VBUS检测 */
hhcd.Init.lpm_enable = 0; /* 使能连接电源管理 */
hhcd.pData = phost; /* hhcd的pData指向phost */
phost->pData = &hhcd; /* phost的pData指向hhcd */
HAL_HCD_Init(&hhcd); /* 初始化LL驱动 */
#endif
#ifdef USE_USB_HS
/* 未实现 */
#endif
USBH_LL_SetTimer(phost, HAL_HCD_GetCurrentFrame(&hhcd));
return USBH_OK;
}
USBH_LL_Init函数，用于初始化USB底层设置，因为我们定义的是：USE_USB_FS，因此会设置USB OTG使用USB2_OTG_FS，然后完成各种设置，比如，使用内部PHY，使用全速模式，不使能VBUS检测等，详见以上代码。该函数在USBH_Init函数里面被调用。
usbh_diskio.c提供U盘和FATFS文件系统之间的输入/输出接口函数，这里总共有5个函数，首先介绍的是初始化USBH函数，其定义如下：
/**
* @brief 初始化 USBH
* @param 无
* @retval 无
*/
DSTATUS USBH_initialize(void)
{
return RES_OK;
}
USBH_initialize函数，用于初始化U盘，我们不需要做任何事情，直接返回OK即可。
下面介绍的是获取U盘状态函数，其定义如下：
/**
* @brief 获取U盘状态
* @param 无
* @retval 无
*/
DSTATUS USBH_status(void)
{
DRESULT res=RES_ERROR;
MSC_HandleTypeDef *MSC_Handle=hUSBHost.pActiveClass->pData;
if(USBH_MSC_UnitIsReady(&hUSBHost,MSC_Handle->current_lun))
{
printf("U盘状态查询成功\r\n");
res=RES_OK;
}else
{
printf("U盘状态查询失败\r\n");
res=RES_ERROR;
}
return res;
}
USBH_status函数，用于获取U盘状态，本实验暂时用不到。
下面介绍的是U盘读扇区操作函数，其定义如下：
/**
* @brief U盘读扇区操作
* @param buff : 数据缓冲首地址
* @param sector : 扇区地址
* @param count : 需要读取的扇区数
* @retval 执行结果(详见DRESULT定义)
*/
DRESULT USBH_read(BYTE *buff, DWORD sector, UINT count)
{
DRESULT res = RES_ERROR;
MSC_LUNTypeDef info;
MSC_HandleTypeDef *MSC_Handle=hUSBHost.pActiveClass->pData;
if(USBH_MSC_Read(&hUSBHost,MSC_Handle->current_lun,sector,buff,count)
==USBH_OK)
{
res = RES_OK;
}else
{
printf("U盘读取失败\r\n");
USBH_MSC_GetLUNInfo(&hUSBHost,MSC_Handle->current_lun, &info);
switch (info.sense.asc)
{
case SCSI_ASC_LOGICAL_UNIT_NOT_READY:
case SCSI_ASC_MEDIUM_NOT_PRESENT:
case SCSI_ASC_NOT_READY_TO_READY_CHANGE:
USBH_ErrLog("USB Disk is not ready!");
res = RES_NOTRDY;
break;
default:
res = RES_ERROR;
break;
}
}
return res;
}
USBH_read函数，用于从U盘指定位置，读取指定长度的数据。
下面介绍的是U盘写扇区操作函数，其定义如下：
/**
* @brief U盘写扇区操作
* @param buff : 数据缓冲首地址
* @param sector : 扇区地址
* @param count : 需要写入的扇区数
* @retval 执行结果(详见DRESULT定义)
*/
DRESULT USBH_write(const BYTE *buff,DWORD sector,UINT count)
{
DRESULT res = RES_ERROR;
MSC_LUNTypeDef info;
MSC_HandleTypeDef *MSC_Handle=hUSBHost.pActiveClass->pData;
if(USBH_MSC_Write(&hUSBHost,MSC_Handle->current_lun,sector,
(BYTE *)buff,count) == USBH_OK)
{
res=RES_OK;
}else
{
printf("U盘写入失败\r\n");
USBH_MSC_GetLUNInfo(&hUSBHost,MSC_Handle->current_lun, &info);
switch (info.sense.asc)
{
case SCSI_ASC_WRITE_PROTECTED:
USBH_ErrLog("USB Disk is Write protected!");
res = RES_WRPRT;
break;
case SCSI_ASC_LOGICAL_UNIT_NOT_READY:
case SCSI_ASC_MEDIUM_NOT_PRESENT:
case SCSI_ASC_NOT_READY_TO_READY_CHANGE:
USBH_ErrLog("USB Disk is not ready!");
res = RES_NOTRDY;
break;
default:
res = RES_ERROR;
break;
}
}
return res;
}
USBH_write函数，用于往U盘指定位置，写入指定长度的数据。
最后介绍的是U盘IO控制操作函数，其定义如下：
/**
* @brief U盘IO控制操作
* @param cmd : 控制命令
* @param buff : 控制数据
* @retval 执行结果(详见DRESULT定义)
*/
DRESULT USBH_ioctl(BYTE cmd,void *buff)
{
DRESULT res = RES_ERROR;
MSC_LUNTypeDef info;
MSC_HandleTypeDef *MSC_Handle=hUSBHost.pActiveClass->pData;
switch(cmd)
{
case CTRL_SYNC:
res=RES_OK;
break;
case GET_SECTOR_COUNT : /* 获取扇区数量 */
if(USBH_MSC_GetLUNInfo(&hUSBHost,MSC_Handle->current_lun,
&info)==USBH_OK)
{
*(DWORD*)buff=info.capacity.block_nbr;
res = RES_OK;
printf("扇区数量:%d\r\n",info.capacity.block_nbr);
}else
{
res = RES_ERROR;
}
break;
case GET_SECTOR_SIZE :/* 获取扇区大小 */
if(USBH_MSC_GetLUNInfo(&hUSBHost,MSC_Handle->current_lun,&info)
== USBH_OK)
{
*(DWORD*)buff=info.capacity.block_size;
res = RES_OK;
printf("扇区大小:%d\r\n",info.capacity.block_size);
}else
{
res = RES_ERROR;
}
break;
case GET_BLOCK_SIZE : /* 获取一个扇区里面擦除块的大小 */
if(USBH_MSC_GetLUNInfo(&hUSBHost,MSC_Handle->current_lun,&info)
==USBH_OK)
{
*(DWORD*)buff=info.capacity.block_size/USB_DEFAULT_BLOCK_SIZE;
printf("每个扇区擦除块:%d\r\n",
info.capacity.block_size/USB_DEFAULT_BLOCK_SIZE);
res = RES_OK;
}else
{
res = RES_ERROR;
}
break;
default:
res = RES_PARERR;
}
return res;
}
USBH_ioctl函数，可以用于获取U盘扇区数量、扇区大小和块大小等信息。
我们将这5个函数在diskio.c里面和FATFS完成对接，同时需要设置FATFS支持3个磁盘（SD卡、SPI FLASH和U盘），需要在ffconf.h文件里面将FF_VOLUMES的宏定义值改成3，以支持FATFS操作U盘。
2. main.c代码
下面是main.c的程序，具体如下：
USBH_HandleTypeDef hUSBHost; /* USB Host处理结构体 */
static void USBH_UserProcess(USBH_HandleTypeDef *phost, uint8_t id)
{
uint32_t total, free;
uint8_t res = 0;
printf("id:%d\r\n", id);
switch (id)
{
case HOST_USER_SELECT_CONFIGURATION:
break;
case HOST_USER_DISCONNECTION:
f_mount(0, "2:", 1); /* 卸载U盘 */
text_show_string(30, 140, 200, 16, "设备连接中...", 16, 0, RED);
lcd_fill(30, 160, 239, 220, WHITE);
break;
case HOST_USER_CLASS_ACTIVE:
text_show_string(30, 140, 200, 16, "设备连接成功!", 16, 0, RED);
f_mount(fs[2], "2:", 1); /* 重新挂载U盘 */
res = exfuns_get_free("2:", &total, &free);
if (res == 0)
{
lcd_show_string(30, 160, 200, 16, 16, "FATFS OK!", BLUE);
lcd_show_string(30, 180, 200, 16, 16, "U Disk Total Size: MB",
BLUE);
lcd_show_string(30, 200, 200, 16, 16, "U Disk Free Size: MB",
BLUE);
/* 显示U盘总容量 MB */
lcd_show_num(174, 180, total >> 10, 5, 16, BLUE);
lcd_show_num(174, 200, free >> 10, 5, 16, BLUE);
}
else
{
printf("U盘存储空间获取失败\r\n");
}
break;
case HOST_USER_CONNECTION:
break;
default:
break;
}
}
int main(void)
{
uint8_t t = 0;
sys_cache_enable(); /* 打开L1-Cache */
HAL_Init(); /* 初始化HAL库 */
sys_stm32_clock_init(240, 2, 2, 4); /* 设置时钟, 480Mhz */
delay_init(480); /* 延时初始化 */
usart_init(115200); /* 串口初始化为115200 */
mpu_memory_protection(); /* 保护相关存储区域 */
led_init(); /* 初始化LED */
lcd_init(); /* 初始化LCD */
key_init(); /* 初始化按键 */
my_mem_init(SRAMIN); /* 初始化内部内存池(AXI) */
my_mem_init(SRAM12); /* 初始化SRAM12内存池(SRAM1+SRAM2) */
my_mem_init(SRAM4); /* 初始化SRAM4内存池(SRAM4) */
my_mem_init(SRAMDTCM); /* 初始化DTCM内存池(DTCM) */
my_mem_init(SRAMITCM); /* 初始化ITCM内存池(ITCM) */
exfuns_init(); /* 为fatfs相关变量申请内存 */
f_mount(fs[0], "0:", 1); /* 挂载SD卡 */
f_mount(fs[1], "1:", 1); /* 挂载FLASH */
piclib_init(); /* 初始化画图 */
while (fonts_init()) /* 检查字库 */
{
lcd_show_string(30, 50, 200, 16, 16, "Font Error!", RED);
delay_ms(200);
lcd_fill(30, 50, 240, 66, WHITE); /* 清除显示 */
delay_ms(200);
}
text_show_string(30, 50, 200, 16, "STM32", 16, 0, RED);
text_show_string(30, 70, 200, 16, "USB U盘 实验", 16, 0, RED);
text_show_string(30, 90, 200, 16, "正点原子@ALIENTEK", 16, 0, RED);
text_show_string(30, 120, 200, 16, "设备连接中...", 16, 0, RED);
USBH_Init(&hUSBHost, USBH_UserProcess, 0);
USBH_RegisterClass(&hUSBHost, USBH_MSC_CLASS);
USBH_Start(&hUSBHost);
while (1)
{
USBH_Process(&hUSBHost);
delay_ms(10);
t++;
if (t == 50)
{
t = 0;
LED0_TOGGLE();
}
}
}
其中，USBH_HandleTypeDef是一个用于USB主机类通信处理的结构体类型，它包含了USB主机通信的各种变量、结构体参数、传输状态和管道信息等。凡是USB主机类通信，都必须要用定义一个这样的结构体，这里定义成：hUSBHost。
同USB Device类通信类似，USB Host的初始化过程如下：
1，调用USBH_Init函数，初始化USB主机内核；
2，调用USBH_RegisterClass函数，链接MSC主机类驱动程序到主机内核；
3，调用USBH_Start函数，启动USB通信；
经过以上三步处理，USB主机就启动了，所有USB事务，都是通过USB中断触发，并由USB驱动库自动处理。USB中断服务函数在usbh_conf.c里面：
/**
* @brief USB OTG 中断服务函数
* @note 处理所有USB中断
* @param 无
* @retval 无
*/
void OTG_FS_IRQHandler(void)
{
HAL_HCD_IRQHandler(&hhcd);
}
该函数调用HAL_HCD_IRQHandler函数来处理各种USB中断请求。
整个main函数代码比较简单，不过我们在main函数里面，必须不停的调用：USBH_Process函数，该函数用于实现USB主机通信的核心状态机处理，该函数必须在主函数里面被循环调用，而且调用频率得比较快才行（越快越好），以便及时处理各种事务。
USBH_UserProcess函数是USB主机用户处理回调函数，参数id表示USB主机当前的一些状态，总共有6种状态：
#define HOST_USER_SELECT_CONFIGURATION 0x01U /* USB进入配置状态 */
#define HOST_USER_CLASS_ACTIVE 0x02U /* USB初始化配置完成 */
#define HOST_USER_CLASS_SELECTED 0x03U /* USB选择了一个类 */
#define HOST_USER_CONNECTION 0x04U /* USB连接成功 */
#define HOST_USER_DISCONNECTION 0x05U /* USB连接断开 */
#define HOST_USER_UNRECOVERED_ERROR 0x06U /* USB发生了不可恢复错误 */
本例程我们只用了：HOST_USER_DISCONNECTION和HOST_USER_CLASS_ACTIVE两个状态。程序运行后，如果没有U盘插入，则不会执行到USBH_UserProcess函数，当插入U盘，并成功识别之后，USBH_UserProcess函数会进入：HOST_USER_CLASS_ACTIVE状态，我们就可以挂载U盘，并显示容量等信息，表示U盘识别完成。此时，如果我们把U盘拔出，则会进入：HOST_USER_DISCONNECTION状态，表示U盘拔出，我们取消U盘的挂载，并显示设备连接中…（表示当前正在连接设备）。
最后，我们需要将FATFS相关测试函数(mf_open/ mf_close等函数)，加入USMART管理，这里和FATFS实验一模一样，可以参考该实验的方法操作。
59.4 下载验证
将程序下载到开发板后，然后在USB_HOST端子插入U盘/读卡器（带卡），注意：此时USB SLAVE口不要插USB线到电脑，否则会干扰！
等U盘成功识别后，便可以看到LCD显示U盘容量等信息，如图59.4.1所示：
图59.4.1 U盘识别成功
此时，我们便可以通过USMART来测试U盘读写了，如图59.4.2和图59.4.3所示：
图59.4.2 测试读取U盘读取
图59.4.3 测试U盘写入
图59.4.2分别是通过发送：mf_scan_files(“2:”)和mf_scan_files(“2:/PICTURE”)，扫描U盘根目录所有文件和PICTURE目录下的所有文件，然后通过piclib_ai_load_picfile(“2:/PICTURE/示例图片.jpg”,0,0,480,800,1)，解码图片，并显示在LCD上面。说明读U盘是没问题的。
图59.4.3通过发送：mf_open(“2:test u disk.txt”,7)，在U盘根目录创建test u disk.txt这个文件，然后发送：mf_write(“这是一个测试，写入文件”,22)，写入“这是一个测试，写入文件”到这个文件里面，然后发送：mf_close()，关闭文件，完成一次文件创建。最后，发送：mf_scan_files(“2:”)，扫描U盘根目录文件，发现比图59.4.3所示多出了一个test u disk.txt的文件，说明U盘写入成功。
这样，就完成了本实验的设计目的：实现U盘的读写操作。最后，大家还可以调用其他函数，实现相关功能测试，这里就不给大家一一演示了。