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Modern Embedded Recipes · 59/152

USB Device 기초 — Descriptor·Enumeration·Endpoint·HID/CDC

· Hawk · 5분 읽기

#한 줄 요약

“USB stack을 직접 쓰지 마세요.” TinyUSB나 ST USB Device library를 통합하고 descriptor만 작성하는 것이 표준.

#어떤 상황에서 쓰나

USB로 PC와 통신해야 할 때 — debug serial output (CDC), 자체 USB-HID device (keyboard, mouse, custom), audio (UAC), MIDI, mass storage. 단일 module이 USB cable로 PC와 직결되면 driver 설치 없이 동작 (CDC, HID는 OS 기본 driver).

이 글은 STM32 USB peripheral의 hardware 구조를 짧게 살펴본 뒤 TinyUSB로 CDC와 HID device를 만드는 패턴을 다룹니다.

#핵심 개념

#USB 계층

Application (CDC, HID, MSC, ...)
Class driver (각 class별 protocol)
USB stack (descriptor 관리, control transfer, transfer queue)
USB peripheral (HAL, endpoint hardware)
PHY (D+/D- driver, OTG)

직접 stack을 쓰는 일은 거의 없습니다. TinyUSB (open-source, multi-MCU)나 ST USB Device library를 사용.

#Descriptor

USB device는 Descriptor로 자신을 PC에 설명. PC OS가 이를 보고 driver를 매칭합니다.

Device Descriptor:

  • Vendor ID (VID) — 회사 식별
  • Product ID (PID) — 제품 식별
  • USB version, class, max packet size, …

Configuration Descriptor:

  • Interface count, attributes (power, …)

Interface Descriptor:

  • Class (CDC=0x02, HID=0x03, MSC=0x08, …)
  • Subclass, protocol

Endpoint Descriptor:

  • Address (IN/OUT, number)
  • Type (control, bulk, interrupt, isochronous)
  • Max packet size, interval

#Endpoint 종류

Type용도보장
Control설정·status시간 보장 (low priority)
Bulk큰 데이터 (CDC, MSC)시간 보장 없음, error 검출 강함
Interrupt작고 빠른 데이터 (HID)정해진 주기 보장
Isochronous실시간 (audio)주기 보장, error 검출 약함

#자주 쓰는 class

Class용도OS driver
CDC ACMvirtual serial (printf, debug)내장
HIDkeyboard, mouse, custom raw내장
MSCUSB drive (mass storage)내장
MIDIMIDI keyboard / synth내장
UACaudio내장
Vendorcustom (libusb 필요)driver 작성

#코드 예제

#1. TinyUSB CDC (virtual COM port)

tusb_config.h:

#define CFG_TUSB_RHPORT0_MODE OPT_MODE_DEVICE
#define CFG_TUD_CDC 1
#define CFG_TUD_CDC_RX_BUFSIZE 512
#define CFG_TUD_CDC_TX_BUFSIZE 512
#define CFG_TUD_CDC_EP_BUFSIZE 64

usb_descriptors.c:

#include "tusb.h"
tusb_desc_device_t const desc_device = {
.bLength = sizeof(tusb_desc_device_t),
.bDescriptorType = TUSB_DESC_DEVICE,
.bcdUSB = 0x0200,
.bDeviceClass = TUSB_CLASS_MISC,
.bDeviceSubClass = MISC_SUBCLASS_COMMON,
.bDeviceProtocol = MISC_PROTOCOL_IAD,
.bMaxPacketSize0 = CFG_TUD_ENDPOINT0_SIZE,
.idVendor = 0xCafe,
.idProduct = 0x4001,
.bcdDevice = 0x0100,
.iManufacturer = 0x01,
.iProduct = 0x02,
.iSerialNumber = 0x03,
.bNumConfigurations = 0x01
};
uint8_t const desc_configuration[] = {
TUD_CONFIG_DESCRIPTOR(1, 2, 0, 75, 0x00, 100),
TUD_CDC_DESCRIPTOR(0, 4, 0x81, 8, 0x02, 0x82, 64),
};
uint8_t const *tud_descriptor_device_cb(void) {
return (uint8_t const *)&desc_device;
}
uint8_t const *tud_descriptor_configuration_cb(uint8_t idx) {
(void)idx;
return desc_configuration;
}

main loop:

void usb_init(void) {
// GPIO PA11/12 (D-/D+), AF10
gpio_init(GPIOA, 11, &(gpio_config_t){.mode=GPIO_MODE_AF, .speed=GPIO_SPEED_VH, .af=10});
gpio_init(GPIOA, 12, &(gpio_config_t){.mode=GPIO_MODE_AF, .speed=GPIO_SPEED_VH, .af=10});
// OTG_FS clock enable
RCC->AHB2ENR |= RCC_AHB2ENR_OTGFSEN;
tusb_init();
}
int main(void) {
clock_init_168mhz();
usb_init();
while (1) {
tud_task(); // TinyUSB device task
if (tud_cdc_available()) {
char buf[64];
uint32_t n = tud_cdc_read(buf, sizeof(buf));
tud_cdc_write(buf, n);
tud_cdc_write_flush();
}
}
}

PC에서 /dev/ttyACM0 (Linux) 또는 COM 포트 (Windows)로 보임. terminal로 송수신 echo.

#2. CDC retarget printf

int _write(int file, char *data, int len) {
(void)file;
tud_cdc_write(data, len);
tud_cdc_write_flush();
return len;
}
// main
printf("Hello USB\n");

newlib의 _write syscall을 retarget. 일반 printf가 USB CDC로 출력.

#3. HID custom report (raw)

#define CFG_TUD_HID 1
// 8-byte report (custom application data)
uint8_t const desc_hid_report[] = {
HID_USAGE_PAGE_N (0xFFAB, 2),
HID_USAGE (0x0001),
HID_COLLECTION (HID_COLLECTION_APPLICATION),
HID_REPORT_ID (1)
HID_USAGE (0x0002),
HID_LOGICAL_MIN (0x00),
HID_LOGICAL_MAX_N (0xFF, 2),
HID_REPORT_SIZE (8),
HID_REPORT_COUNT (8),
HID_INPUT (HID_DATA | HID_VARIABLE | HID_ABSOLUTE),
HID_USAGE (0x0003),
HID_REPORT_COUNT (8),
HID_OUTPUT (HID_DATA | HID_VARIABLE | HID_ABSOLUTE),
HID_COLLECTION_END
};
// Send 8-byte report
void send_hid(uint8_t *data) {
if (tud_hid_ready()) {
tud_hid_report(1, data, 8);
}
}
// Receive 8-byte
void tud_hid_set_report_cb(uint8_t instance, uint8_t report_id,
hid_report_type_t report_type,
uint8_t const *buffer, uint16_t bufsize) {
process_hid_command(buffer, bufsize);
}

PC side는 hidapi library로 raw read/write.

#4. HID keyboard

uint8_t const keyboard_desc[] = {
HID_USAGE_PAGE ( HID_USAGE_PAGE_DESKTOP ),
HID_USAGE ( HID_USAGE_DESKTOP_KEYBOARD ),
HID_COLLECTION ( HID_COLLECTION_APPLICATION ),
// ...
HID_COLLECTION_END
};
void send_key(uint8_t keycode) {
uint8_t report[8] = {0};
report[2] = keycode; // single key press
tud_hid_keyboard_report(0, 0, report + 2);
delay_ms(10);
tud_hid_keyboard_report(0, 0, NULL); // release
}

button을 누르면 PC에 A 키를 보내는 등의 macro keyboard가 100줄 안에.

#측정 / 동작 확인

Terminal window
# Linux
$ lsusb
Bus 003 Device 005: ID cafe:4001
$ dmesg | tail
cdc_acm 3-2:1.0: ttyACM0: USB ACM device
$ minicom -D /dev/ttyACM0
Hello USB
echo back...

device가 enumerate 안 되면 D+ pull-up (1.5 kΩ to 3.3V) 확인. STM32F4 OTG는 internal pull-up — 코드에서 enable.

lsusb -v -d cafe:4001로 descriptor dump.

#자주 보는 함정

⚠️ Crystal frequency 잘못

USB는 48 MHz가 정확히 필요. HSE crystal과 PLL_Q 계산이 정확히 48 MHz가 안 되면 enumeration 실패.

⚠️ D+/D- 핀 잘못

USB OTG FS는 PA11=D-, PA12=D+. HS는 다른 핀. silkscreen·schematic 확인.

⚠️ Series resistor 누락

D+/D-에 직렬 22 Ω가 표준. impedance matching.

⚠️ ESD protection 없음

USB cable plug/unplug에 ESD가 들어옴. USBLC6-2 같은 TVS array 권장.

⚠️ VID

임의 선택

USB-IF에 등록된 VID 없이 임의 값을 쓰면 상용 출시 시 문제. test에는 cafe:xxxx 같은 임의 값 OK, 상용은 VID 구매.

⚠️ Vendor class에 OS driver 없음

Vendor class는 libusb·WinUSB driver가 별도 필요. 가능하면 CDC, HID로 우회.

#정리

  • USB는 TinyUSB 같은 stack을 통합. 직접 작성 안 함.
  • 가장 자주 쓰는 class: CDC (virtual COM), HID (custom report 또는 keyboard/mouse).
  • Descriptor에 VID/PID + class + endpoint 정의.
  • D+/D- = PA11/PA12 + 22Ω, 48 MHz USB clock 정확히.
  • HID raw + hidapi가 PC connectivity의 가장 빠른 길.

다음 편은 **Ethernet MAC + PHY (lwIP)**입니다. RMII, MDIO, lwIP raw API, DHCP를 다룹니다.

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  115. 115Cortex-M 하드폴트 분석 — Stacked Frame·CFSR 읽기
  116. 116UART 안 찍힐 때 — Bare-metal 체크리스트
  117. 117임베디드 부팅 실패 진단 — 단계별 Isolation
  118. 118인터럽트 누락·중복 진단 — Priority·Pending·Re-entry 추적
  119. 119메모리 오버플로우·오염 진단 — Canary·MPU·Pattern 분석
  120. 120타이밍·Race 진단 — Heisenbug 잡는 법
  121. 121통신 프로토콜 분석 — Logic Analyzer와 Protocol Decoder
  122. 122임베디드 로깅 시스템 설계 — 레벨·버퍼·SWO·Deferred
  123. 123임베디드 포스트모템 분석 — Core Dump와 Field Crash
  124. 124FPGA 기초 분석 — LUT·FF·BRAM·DSP 자원 구조
  125. 125Vivado 사용법 — Project·Constraint·Synth·Impl·Bitstream
  126. 126PCIe BAR 매핑 분석 — Config Space·Enumeration·MMIO 접근
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  135. 135Vitis AI 분석 — DPU·xmodel·VART
  136. 136OpenCL on FPGA — Kernel·Channel·Burst Memory 분석
  137. 137Intel Quartus 사용법 — Platform Designer·Nios II·HLS
  138. 138Edge Inference 분석 — Cloud vs Edge·Latency·Privacy
  139. 139NPU 아키텍처 분석 — Ethos·Hexagon·Systolic Array 비교
  140. 140딥러닝 Quantization 분석 — PTQ·QAT·INT8·INT4·Calibration
  141. 141TensorRT 분석 — ONNX→Engine·FP16·INT8·DLA·Multi-Stream
  142. 142TFLite Micro 분석 — Op Resolver·Tensor Arena·Cortex-M
  143. 143ONNX Runtime 분석 — Execution Provider와 Cross-Platform 배포
  144. 144Edge Thermal Management — Throttling·DVFS·Fan Curve·Sustained
  145. 145NVIDIA Jetson 분석 — Nano·Xavier·Orin·Thor·JetPack·DLA·VPI
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  147. 147온디바이스 LLM 추론 — llama.cpp·GGUF·MLX·KV Cache·NPU Backend
  148. 148Cortex-M33 TF-M·TrustZone — Secure Firmware·PSA·MCUboot
  149. 149Matter·Thread 분석 — IoT 통합 표준·Commissioning·Multi-Fabric
  150. 150PCIe → CXL 진화 — 같은 PHY 위 cache-coherent 프로토콜 추가
  151. 151QEMU CXL Type 3 디바이스 에뮬레이션 — 노트북에서 CXL 개발 환경 구축
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