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第 4 章：网络与总线——CAN / Ethernet / USB-OTG

news 2025/5/21 7:45:20

本章目标：

深入理解三种关键通信总线（CAN、Ethernet、USB-OTG）的协议架构、硬件接口与软件驱动
掌握 STM32（或同类 MCU）中各总线的寄存器配置、中断／DMA 驱动框架
通过实战案例，实现基于 CAN 总线的节点通信、基于 Ethernet 的 TCP/IP 通信，以及基于 USB-OTG 的虚拟串口与大容量存储访问

章节结构
4.1 CAN 总线
4.1.1 CAN 协议概览与帧结构
4.1.2 硬件电气特性与物理连接
4.1.3 STM32 CAN 控制器寄存器解析
4.1.4 CAN 驱动框架（中断与报文过滤）
4.1.5 实战案例：STM32 与多个节点的可靠通信
4.2 Ethernet
4.2.1 Ethernet 协议栈概览（MAC+PHY, TCP/IP）
4.2.2 硬件接口与 MII/RMII/PSE 报文时序
4.2.3 STM32 Ethernet MAC 寄存器解析
4.2.4 LwIP 驱动集成与零拷贝 DMA
4.2.5 实战案例：Web 服务器与 MQTT 客户端示例
4.3 USB-OTG
4.3.1 USB 枚举与端点模型（Host/Device/OTG）
4.3.2 硬件信号：DP/DM、ID 引脚、VBUS 检测
4.3.3 STM32 USB-OTG 控制器寄存器解析
4.3.4 USB-CDC（虚拟串口）与 MSC（大容量存储）实现
4.3.5 实战案例：STM32 同时支持 CDC 与 MSC Composite 设备
4.4 本章小结与选型建议

4.1 CAN 总线

4.1.1 CAN 协议概览与帧结构

Controller Area Network (CAN) 是一种多主、基于广播的实时通信总线，广泛用于汽车电子、工业控制与分布式系统。CAN 的关键特点包括：

多主访问：所有节点并行收发，使用位仲裁确保无冲突
帧结构：支持标准帧（11 位标识符）与扩展帧（29 位标识符）、数据字段长度 0–8 字节

—— CAN 数据报文结构（标准帧） ——
┌────────┬───────┬───────┬───────┬───────┐
│ 标识符(11b) │ RTR(1) │ IDE(1) │ DLC(4) │ Data(0–8×8b) │ CRC(15) │
└────────┴───────┴───────┴───────┴───────┘