简介这是一份基于STM32F103ZE正点原子开发板与Keil 5环境的USB复合设备工程示例面向嵌入式开发者演示在STM32标准外设库下将HID与CDC接口组合到同一USB设备中解决主机同时识别两种接口并协同通信的问题。压缩包共253个文件C源文件与头文件为可读代码大量.o/.crf/.lst为编译中间与列表文件.uvprojx为Keil工程入口.hex为烧录固件.map可辅助分析链接映射整体约6.75MB。作者在USB官方例程基础上修改实测电脑可同时识别HID和CDC且两个接口能同时使用读者可学习USB描述符配置、端点分配及中断处理等关键实现。数据发送部分虽写得比较粗糙但便于在此基础上继续优化工程结构完整可直接在Keil 5中打开编译适合希望快速上手USB复合设备的开发者。当前已有2114人学习浏览。 看到“USB_Composite(HIDCDC).rar”这个包名我第一反应就是当年调STM32 USB复合设备的那些日子。一个USB口插上去以后电脑同时识别出“USB输入设备”和“USB串行设备”一边当键盘鼠标敲字模拟操作一边走虚拟串口传业务数据这种设备在自动化测试、外设控制、游戏脚本、数据采集这些场景里太常用了。HID不用装驱动随插随用CDC虚拟串口又比单纯HID自定义传输灵活两者合体刚好互补。这篇文章我就把整套东西从头拆一遍原理、描述符、代码实现、踩坑记录全写上给准备做USB复合设备的朋友一份能直接抄作业的参考。开头先说明白这套复合设备适合谁大概三类人用得最多。第一类做自动化工具需要同时占一个键盘/鼠标口做输入模拟还要留一个串口跟PC交换数据第二类做调试设备既要虚拟串口输出日志又要HID通道做固件升级或命令下发第三类纯粹就是想把手头的STM32用好把USB协议栈吃透。无论哪类你都需要在协议层同时处理好HID和CDC两个设备类。注意搜“CDC”的时候很容易串到数据库同步那种CDCFlink CDC、达梦CDC那是另一条技术线跟USB的Communications Device Class不是一回事别搞混了。1. 为什么一个USB口非要塞两个设备类1.1 需求场景拆解先说说我当初为什么碰这个方案。我在做一个PC外设的自动化产测工具需要被测设备把测试结果通过串口上报到上位机同时还要自动模拟键盘按键来触发PC端的测试流程。最简单的做法是接两个USB设备一个HID键盘一个USB转串口模块但这样占两个物理USB口线也乱换到笔记本上还得带个扩展坞现场很狼狈。把HID和CDC塞进同一个USB口后一根线解决所有问题。上位机打开串口读数据同时这个设备又是个标准键盘可以定向给指定窗口发按键指令。实际用下来这套方案稳定性比两个独立设备更高因为驱动栈和枚举过程都在同一个设备上下文里省去不同设备之间配合的麻烦。HID天然免驱Windows、Linux、macOS三端都认CDC在Win10以上也是系统自带usbser.sys驱动不需要额外装VCP软件。这就是为什么HIDCDC这个组合这么流行——两头都免驱部署成本低到离谱。1.2 复合设备到底在“复合”什么协议上有个容易混的概念我这里先钉死USB Composite Device复合设备和IADInterface Association Descriptor不是一回事。我们做的HIDCDC这种是同一个配置里挂多个独立接口每个接口实现不同的设备类属于真正的“一拖二”。而IAD是当多个接口逻辑上属于同一个功能时用来告诉OS“这仨接口是一个整体”的描述符典型就是CDC模式里通信接口和数据接口必须靠Union功能描述符绑定在一起。从主机的视角看复合设备枚举完成后会实例化出多个独立的驱动栈。比如Windows上就是“HID设备”栈挂hidclass.sys“USB串行设备”栈挂usbser.sys互不干扰。这意味着你在设备端写代码时两个类要各自有独立的端点、独立的接收回调、独立的发送接口不能混用。资源分配上也要各自独立比如HID用中断端点CDC的数据通道用批量端点通知端点用中断端点这些都是硬性约束。1.3 方案选型为什么不走“单类上位机桥接”有人会问只做HID自定义传输不也能双向收发吗或者只做CDC把键盘指令走虚拟串口让上位机模拟理论上都行但在实际工程项目里各有各的憋屈。HID自定义传输收发要走ReportWindows下用ReadFile/WriteFile打开HID设备句柄Linux下用hidraw封装起来很麻烦而且驱动兼容性偶尔抽风。只做CDC上位机要自己实现键盘事件注入在UAC提权、远程桌面这些场景下各种权限问题纠缠不清。真正让我坚持双类的理由是一个细节模拟键盘事件的可靠性。当设备端自己就是HID键盘时按键是从USB底层直接进系统输入栈的Windows的SendInput、PostMessage这些API在提权窗口下会失效物理HID不会。自动化测试工具里这一点太重要了稳定性直接决定产测良率。需要传大量结构化数据时再走CDC虚拟串口两边各司其职。2. 协议底座HID和CDC如何在一个描述符里共存2.1 HID的“伪装术”原理HIDHuman Interface Device类最大的优势是系统已经替你封装好了所有驱动逻辑。键盘、鼠标、游戏手柄、自定义控制设备归根结底都是往中断端点上丢特定格式的Report。对STM32上的实现来说你要做的就是三件事定义报告描述符、定义中断输入端点和用来收主机数据的可选中断输出端点、在收到发送请求时把缓冲区里的数据填进端点FIFO。以标准键盘为例报告描述符定义了一个8字节的输入报告第0字节是修饰键Ctrl、Shift、Alt这些第1字节固定为0第2到7字节是当前按下的普通键值最多同时报6个键。这8字节的格式是通用的主机不认识具体是哪个厂商的设备只认报告描述符里的Usage Page和Usage ID。顺带一提网上流传的“红米12c hid固件”之类的刷机玩法本质就是给手机刷一个枚举成HID键盘的固件让手机可以模拟击键去操作电脑原理跟我们的键盘Report一模一样只是跑在手机平台上。2.2 CDC的设备类三件套CDCCommunications Device Class在USB协议族里是个大家族我们最常用的还是其中的“抽象控制模型”CDC ACM也就是虚拟串口。一个完整的CDC ACM设备在描述符层面由三块拼起来一个是通信接口Communication Interface里面带一个中断IN通知端点用来上报串口状态一个是数据接口Data Interface带一对批量IN/OUT端点真正传输数据走这里第三个就是把这俩接口绑在一起的Union功能描述符告诉主机“通信接口0和数据接口1是同一个串口功能”。注意通信接口里的通知端点不是必须的很多精简实现里它甚至不出现。但Windows的usbser.sys驱动对Union描述符是强制要求的缺了它设备可能枚举出来却打不开串口或者直接报设备错误。我在后面调试时遇到过一次枚举成功但串口无法打开的怪问题排查到最后就是Union里bMasterInterface写错了绑错了子接口。2.3 配置描述符合并复合设备的真正难点如果只做一个HID或者只做一个CDCCubeMX生成完基本就能跑。要把两个类并进同一个配置描述符这才是整个工程里最需要抠细节的地方。// 合并后的配置描述符结构简化示意 // 配置描述符 9字节 // 接口描述符 - CDC通信接口 9字节 // CDC功能描述符 - Header 5字节 // CDC功能描述符 - ACM 4字节 // CDC功能描述符 - Union 5字节 // 端点描述符 - 通知端点(0x81) 7字节 // 接口描述符 - CDC数据接口 9字节 // 端点描述符 - 批量OUT(0x02) 7字节 // 端点描述符 - 批量IN(0x82) 7字节 // 接口描述符 - HID接口 9字节 // HID描述符 9字节 // 端点描述符 - 中断IN(0x83) 7字节这个数组一旦拼接错Windows直接拒认设备Linux大概率也枚举失败。最容易踩的坑有三个一是接口编号必须连续CDC通信接口占了0数据接口占1HID就得是2二是所有端点的地址不能重复一个设备里端点地址是全局唯一的我在早期版本里把CDC的通知端点和HID的端点都写成0x81插电脑上直接一个设备报代码10三是wTotalLength要跟实际情况完全一致多一字节少一字节都可能导致枚举中途失败。有一个实用技巧描述符里的接口编号和端点地址不是靠背的是拿协议分析仪或者Bus Hound直接抓出来的。设备枚举失败时看抓包里主机到底收到什么、卡在哪一步比盯着代码瞎猜高效得多。3. STM32F103实操从CubeMX到双类通信3.1 硬件前提与时钟配置STM32F103这颗芯片的USB是Full Speed12Mbps设备控制器外设模块叫USB_FS自带PMAPacket Memory Area缓冲区。它内部有时钟要求USB外设必须工作在48MHz。F103没有内置的USB PHY PLL所以一般用外部8MHz晶振经过PLL倍频到72MHz系统时钟再经过USB预分频器1.5分频得到48MHz。如果你用的是STM32F103C8T6这种小封装在CubeMX的RCC配置里把HSE设为Crystal/Ceramic Resonator时钟树选好PLL输出72MUSB时钟会自动配到48M这一步基本不用操心。硬件上提醒一句F103的USB是直接通过D引脚上拉1.5k电阻来向主机通告“这里有个全速设备”。很多最小系统板用软件控制D上拉来实现软连接Soft ConnectCubeMX生成的工程里会默认在初始化时把D拉高。如果你自己画的板子没有软件控制上拉就得保证硬件上D一直有上拉否则USB枚举永远起不来。3.2 用CubeMX铺底工程先建一个最普通的CubeMX工程芯片选STM32F103C8T6时钟配置好USB模块选DeviceFS。在USB_Device标签下CubeMX默认只让你选一种设备类——要么CDC、要么HID、要么自定义类。我建议先选CDC让它把整个USB Device中间层、CDC的收发回调都生成好然后在生成的代码里手动“塞”一个HID类进去。反过来选HID也一样但CDC生成的那套应用层回调VCP收发更典型我们后面复用它的代码结构。生成工程后你会看到核心文件包括usbd_cdc.c、usbd_cdc_if.c、usbd_desc.c、usbd_conf.c、usbd_core.c。这些文件里usbd_cdc.c是类驱动usbd_cdc_if.c是用户接口层就是你要填收发逻辑的地方。我们不用全新写一个HID类库直接把ST标准库里的usbd_hid.c和usbd_hid.h拿过来用把两个类的注册都挂上。3.3 手工合并配置描述符这一节是核心操作。先在usbd_conf.h里把资源上限改对#define USBD_MAX_NUM_CONFIGURATION 1U #define USBD_MAX_NUM_INTERFACES 3U #define USBD_MAX_NUM_ENDPOINTS 4U接口数是3CDC通信、CDC数据、HID端点数是4CDC通知0x81、CDC批量OUT 0x02、CDC批量IN 0x82、HID中断0x83如果HID还开输出端点就是5本例不开。接下来把usbd_desc.c里的配置描述符数组替换成合并后的版本。我这里贴一个能用的关键结构实际工程里建议直接从网上靠谱的例程抄一个跑通的描述符再照着改端点__ALIGN_BEGIN static uint8_t USBD_CFGDesc[] __ALIGN_END { // 配置描述符 0x09, /* bLength */ USB_DESC_TYPE_CONFIGURATION, /* bDescriptorType */ LOBYTE(CDC_HID_CFG_DESC_SIZ), /* wTotalLength L */ HIBYTE(CDC_HID_CFG_DESC_SIZ), /* wTotalLength H */ 0x03, /* bNumInterfaces */ 0x01, /* bConfigurationValue */ 0x00, /* iConfiguration */ 0xC0, /* bmAttributes: 自供电 */ 0x32, /* bMaxPower: 100mA */ // ---- 接口0CDC通信接口 ---- 0x09, 0x04, 0x00, 0x00, 0x01, 0x02, 0x02, 0x00, 0x00, ... // CDC Header、ACM、Union功能描述符 ... // 通知端点 0x81 // ---- 接口1CDC数据接口 ---- 0x09, 0x04, 0x01, 0x00, 0x02, 0x0A, 0x00, 0x00, 0x00, ... // 批量OUT端点 0x02 ... // 批量IN端点 0x82 // ---- 接口2HID接口 ---- 0x09, 0x04, 0x02, 0x00, 0x01, 0x03, 0x00, 0x00, 0x00, 0x09, 0x21, 0x11, 0x01, 0x00, 0x01, 0x22, 0x40, 0x00, // HID报告描述符长度 64字节 ... // 中断IN端点 0x83 };注意HID描述符里bInterfaceProtocol字段键盘是1鼠标是2。你如果想让Windows把它识别成“USB输入设备”而不是“USB键盘”可以把协议号写0系统会当成自定义HID设备处理功能上不影响但部分安全管控软件会不认。实际测试中键盘协议号会让它出现在“键盘”列表里可以用系统级按键注入更符合我们做脚本模拟的场景。3.4 双类初始化和收发逻辑描述符改完后在usbd_conf.c或者CubeMX生成的usbd_conf.h里把两个类都注册进去。初始化顺序有讲究先注册CDC再注册HID这样在Windows的设备管理器里串口一般排在前面看起来更直观。如果反了也不是不能用就是设备节点顺序会有变化。USBD_HandleTypeDef hUsbDeviceFS; void MX_USB_DEVICE_Init(void) { USBD_Init(hUsbDeviceFS, FS_Desc, DEVICE_FS); USBD_RegisterClass(hUsbDeviceFS, USBD_CDC); USBD_RegisterClass(hUsbDeviceFS, USBD_HID); USBD_Start(hUsbDeviceFS); }收发逻辑上CDC的发送走CDC_Transmit_FS接收由CDC_Receive_FS回调上报用法和普通虚拟串口完全一样。HID这边没有现成的发送API需要你自己在usbd_hid.c里加一个类似USBD_HID_SendReport的函数把内存里的数据copy到HID的端点缓冲区然后开传输。最简单的实现uint8_t USBD_HID_SendReport(USBD_HandleTypeDef *pdev, uint8_t *report, uint16_t len) { USBD_HID_HandleTypeDef *hhid pdev-pClassData; if (hhid-state HID_EP_BUSY) return USBD_BUSY; USBD_LL_Transmit(pdev, HID_EPIN_ADDR, report, len); hhid-state HID_EP_BUSY; return USBD_OK; }按键报告的填充代码更直接按下A键就把第2字节改成0x04查表即可。要注意每次发送的是完整的8字节报告不是只改变化的字节主机拿到的状态是“当前所有按下的键”所以松开按键时要再发一帧全0报告否则系统会认为A键一直被按着。3.5 复合设备下的数据流向设计两个类的数据通道在设备端是独立的但应用层经常需要联动。比如我的设备收到CDC下发的“按下CtrlShiftEsc”指令HID侧需要立刻拆解成修饰键普通键两个字节填进报告。这个联动逻辑一定要放在主循环或独立任务里不要直接在USB中断回调里做因为HID发送要求上一次传输完成后才能再发下一次在中断里硬开第二次传输大概率丢数据。我的做法是CDC接收回调只负责把数据放进环形缓冲区主循环里解析指令再通过HID发送。HID发送完成后在中断回调里置一个“发送完成”标志主循环确认标志后再从队列里取下一个指令。实测下来按每10ms一次的键盘事件频率这个设计跑一整天都不会丢一条。4. 常见问题与排查实录4.1 设备管理器报错代码12找不到足够资源先说这个热词里被问烂的“该设备找不到足够资源可以使用。(代码 12)”。这个错误在USB复合设备里出现九成是端点冲突。我遇到过的情况是HID和CDC的端点地址写了同一个数Windows在枚举时发现第二个接口试图使用已被占用的端点地址直接不给分配资源。解决的方法是打开设备管理器查看设备详细信息的“位置路径”再用Bus Hound抓一次枚举包把配置描述符完整拉出来逐个端点对一遍。在我的HIDCDC设计里端点分配建议如下接口端点方向端点地址传输类型用途CDC通信接口IN0x81中断串口状态通知CDC数据接口OUT0x02批量上位机→设备数据CDC数据接口IN0x82批量设备→上位机数据HID接口IN0x83中断键盘/鼠标报告只要这4个地址互不重复配置描述符里wTotalLength正确代码12基本不会出现。注意USB规范里端点地址的编号规则低4位是端点号最高位是方向。0x81和0x01其实是同一个端点号1的不同方向不能同时被两个功能占用。这个细节最容易忽略。4.2 枚举失败设备描述符请求失败这个报错的排查顺序有讲究。先用USBlyzer或USBTreeView看设备枚举进程卡在哪里是设备地址分配失败还是配置描述符请求超时还是HID报告描述符解析出错。ST官方工具STM32CubeMonitor-USB也能看一部分。根据我的经验HIDCDC复合设备枚举失败最隐蔽的原因是配置描述符总长度没算对。CDC部分加上HID部分中间还有各种功能描述符手工数经常出错。保险的办法是在代码里动态计算或者干脆在描述符数组里用宏定义来算长度别手写数字。比如#define CDC_HID_CFG_DESC_SIZ (995457977997)这样改一个端点长度宏自动跟着变不可能算错。4.3 Linux下识别成键盘但串口打不开Windows下设备一切正常插到Linux上出现了“键盘能识别但/dev/ttyACM0打不开”的怪事。这个问题的根源往往不是枚举失败而是CDC ACM的线路编码Line Coding没有被初始化。Windows的usbser.sys在打开串口时会自动发送SetLineCoding请求把波特率、数据位、停止位这些参数配置好但Linux的tty层有时不主动发这个请求如果你的CDC类驱动没有给默认值就会导致数据通道虽然枚举成功却始终没有进入可收发状态。解决办法很简单在设备端对CDC_Control_FS回调里处理SET_LINE_CODING请求时把接收到的参数保存下来同时立刻应用默认的波特率而不是等主机主动配置。另外把CDC的初始线编码值默认115200-8-N-1在初始化时就设进去能减少很多麻烦。4.4 HID报告偶尔丢失但CDC数据一直正常HID和CDC并发传输时HID报告偶发丢失。排查后发现是STM32的USB中断优先级太低CDC的批量传输频繁抢占CPUHID中断端点发送请求被推迟了几十毫秒主机认为超时丢包。解决方法是把USB全局中断的优先级提到最高同时HID发送用双缓冲Double Buffering模式在硬件层缓解主机轮询不到的问题。F103的USB支持PMA双缓冲但CubeMX默认对HID不开启需要手动在usbd_hid.c里初始化端点时配置成双缓冲。这个问题的教训是USB复合设备里的两个类不只是逻辑上共存它们在底层会争夺同一个USB控制器的传输机会。设计时一定要评估每个类的最坏时延需求。比如键盘报告的发送周期是1ms那么任何情况下都不能被别的传输阻塞超过1ms否则PC端键盘事件就会出现“按键重复”或“按键丢失”。4.5 调试工具清单最后整理一份我在调试这个工程时觉得靠谱的工具链按使用频率排序工具用途备注USBTreeView查看设备枚举状态、配置描述符Windows下首选Bus Hound抓USB总线包、分析枚举细节枚举失败时神器USBlyzer协议级分析可以看到每个控制请求的返回Wireshark usbpcap抓USB数据流适合看HID报告收发Saleae逻辑分析仪硬件信号级排查D/D-波形异常时用调试USB设备最重要的原则是一层一层排查先确认物理层D/D-有波形再确认枚举层配置描述符被正确读取最后才谈驱动和数据传输。我见过太多人一上来就怀疑代码结果最后发现是杜邦线太长导致D信号失真。5. 写在最后的工程经验把这套HIDCDC复合设备跑通之后我个人最大的体会是USB协议栈的代码量虽然不大但每一处细节都可能卡你半天。描述符里一个字节抄错所有代码看起来都对设备就是起不来。所以我现在做任何USB设备第一件事不是写业务代码而是先确保枚举成功、设备管理器里出现预期的节点然后再开始填功能逻辑。如果你打算在现有项目里加一个HID通道又不想动已经稳定的CDC工程最省力的做法是先备份一份能跑的代码然后把描述符合并在一个分支里改每一步都用USBTreeView验证枚举结果再往下走。另外HID和CDC双类的组合在F103上是很成熟的方案如果你用的芯片是F4、G4或者H7系列换汤不换药几个API名字变一下而已。真正值得提前规划的是你应用层的状态机——设备同时具备键盘和串口能力后你会忍不住想让它干更多事状态机设计不清晰后面改起来累死。本文还有配套的精品资源点击获取