USB Device 기초 — Descriptor·Enumeration·Endpoint·HID/CDC
#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
| Type | 용도 | 보장 |
|---|---|---|
| Control | 설정·status | 시간 보장 (low priority) |
| Bulk | 큰 데이터 (CDC, MSC) | 시간 보장 없음, error 검출 강함 |
| Interrupt | 작고 빠른 데이터 (HID) | 정해진 주기 보장 |
| Isochronous | 실시간 (audio) | 주기 보장, error 검출 약함 |
#자주 쓰는 class
| Class | 용도 | OS driver |
|---|---|---|
| CDC ACM | virtual serial (printf, debug) | 내장 |
| HID | keyboard, mouse, custom raw | 내장 |
| MSC | USB drive (mass storage) | 내장 |
| MIDI | MIDI keyboard / synth | 내장 |
| UAC | audio | 내장 |
| Vendor | custom (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 64usb_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;}
// mainprintf("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 reportvoid send_hid(uint8_t *data) { if (tud_hid_ready()) { tud_hid_report(1, data, 8); }}
// Receive 8-bytevoid 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
# Linux$ lsusbBus 003 Device 005: ID cafe:4001
$ dmesg | tailcdc_acm 3-2:1.0: ttyACM0: USB ACM device
$ minicom -D /dev/ttyACM0Hello USBecho 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.
#관련 항목
Modern Embedded Recipes · 60 of 152
- 1Modern Embedded Recipes — 모던 임베디드 실전 레시피 시리즈 소개
- 2디지털 신호 기초 — Voltage Level·Edge·Setup/Hold 분석
- 3임베디드 클럭과 타이밍 — Skew·Jitter·PLL·MMCM 분석
- 4GPIO 내부 구조 분해 — Push-Pull·Open-Drain·Schmitt Trigger
- 5UART 하드웨어 동작 분석 — Baud Rate·Framing·FIFO
- 6SPI 하드웨어 분석 — Clock Mode·MOSI/MISO·Chip Select
- 7I2C 하드웨어 분석 — Open-Drain·Clock Stretching·Arbitration
- 8ADC 동작 원리 — SAR·Sigma-Delta·Pipelined 비교
- 9DAC 동작 원리 — R-2R Ladder·Sigma-Delta·Settling Time
- 10PWM 신호 생성 분석 — Duty·Frequency·Dead Time·Center-Aligned
- 11CAN 버스 전기적 특성 — Differential·Termination·Dominant/Recessive
- 12RS-485·RS-422 차동 신호 분석 — Termination·Biasing·Topology
- 13LVDS 차동 신호 분석 — Common-Mode·Impedance·Eye Pattern
- 14ARM Cortex-M 시리즈 비교 — M0·M3·M4·M7·M33·M55 분석
- 15ARM Cortex-A 시리즈 비교 — A53·A55·A72·A78·X1 분석
- 16ARM 레지스터 구조 분석 — R0~R15·CPSR·SPSR·Banked Registers
- 17Cortex-M 예외 처리 — Vector Table·NVIC·Tail-Chaining 추적
- 18ARM 메모리 맵 분석 — Normal·Device·Strongly-Ordered Region
- 19ARM L1·L2 캐시 분석 — Set Associative·Inclusive·Maintenance
- 20ARM MPU 활용 — Region·Attribute·Privilege Separation
- 21ARM MMU 기초 분석 — Translation Table·TLB·ASID
- 22ARM TrustZone-M 기초 — Secure/Non-Secure·NSC·MPC
- 23ARM Memory Barrier 실전 — DMB·DSB·ISB·DMA·MMIO
- 24임베디드 크로스 컴파일러 분석 — GCC·Clang·Sysroot 구성
- 25C 컴파일 4단계 — Preprocess·Compile·Assemble·Link 추적
- 26ELF 파일 구조 분석 — Section·Segment·Symbol Table·DWARF
- 27링커 스크립트 기초 — SECTIONS·MEMORY·entry point
- 28링커 스크립트 고급 — Overlay·BSS·init_array·LMA/VMA
- 29임베디드 스타트업 코드 분석 — Reset_Handler·Vector Table·SystemInit
- 30C 런타임 crt0 분석 — Stack·BSS Zero·Data Copy·atexit
- 31임베디드 메모리 레이아웃 — .text·.rodata·.data·.bss·.heap·.stack
- 32임베디드 컴파일러 최적화 분석 — -O0~-O3·-Os·-LTO 비교
- 33Map 파일 분석 — Symbol·Section·Size 추적으로 코드 크기 진단
- 34Make·CMake 크로스 컴파일 — Toolchain File·Sysroot 통합
- 35임베디드 Bootloader 체인 — BootROM·SPL·U-Boot·Kernel·Secure Boot
- 36첫 bare-metal 프로그램 작성 — Linker·Startup·main의 최소 구성
- 37MMIO 레지스터 직접 접근 — volatile·Memory Map·Aliasing 분석
- 38GPIO 드라이버 직접 구현 — STM32 HAL 없이 레지스터로
- 39임베디드 클럭 설정 분석 — HSE·PLL·SYSCLK·AHB/APB 분주
- 40Cortex-M 인터럽트 핸들링 — NVIC·Priority·Vector·EXTI
- 41SysTick 타이머 활용 — 24-bit Counter·1ms Tick·delay 구현
- 42UART 드라이버 구현 — polling·interrupt·DMA 3가지 방식 비교
- 43SPI 드라이버 구현 — Master·Slave·CRC·DMA
- 44I2C 드라이버 구현 — Master·7-bit/10-bit·Clock Stretching 처리
- 45임베디드 DMA 기초 — Memory-to-Memory·Peripheral·Circular Mode
- 46저전력 모드 분석 — Sleep·Stop·Standby·Wake-up Source
- 47IWDG·WWDG 워치독 구현 — Independent vs Window 비교
- 48임베디드 Flash 프로그래밍 — Erase·Program·Read While Write
- 49DDR 초기화 실패 진단 — Timing·Calibration·Walking Bit Test
- 50PWM 출력 실전 — LED 밝기·모터 속도 제어
- 51DC 모터 제어 — H-Bridge·PWM Duty·Encoder Feedback
- 52스테퍼 모터 제어 — Full Step·Half Step·Microstepping
- 53서보 모터 제어 — PWM 1ms~2ms·Closed Loop·PID
- 54Character LCD 제어 — HD44780·4-bit Mode·Custom Char
- 55SPI OLED 제어 — SSD1306·Frame Buffer·Page 단위 갱신
- 56TFT 디스플레이 구동 — RGB565·FSMC·LTDC·DMA2D
- 57환경 센서 활용 — BME280 온습압·SHT3x·BMP180 비교
- 58IMU 센서 활용 — MPU6050·LSM6DSO·Sensor Fusion
- 59CAN 통신 구현 — bxCAN·Filter·Mailbox·CAN-FD
- 60USB Device 기초 — Descriptor·Enumeration·Endpoint·HID/CDC
- 61Ethernet MAC+PHY 통합 — RMII·lwIP·DMA Descriptor
- 62SD Card + FatFs 구현 — SPI/SDIO 모드·CSD/CID·Wear
- 63RTC 활용 — Calendar·Alarm·Wake-up Timer·Backup Domain
- 64RTOS 도입 결정 분석 — Super Loop vs RTOS 트레이드오프
- 65RTOS Task 설계 패턴 — 우선순위·스택·State Machine
- 66RTOS Scheduler 동작 분석 — Tick·Context Switch·Yield
- 67RTOS Semaphore 활용 — Binary·Counting·ISR Give
- 68RTOS Mutex 활용 — Recursive·Priority Inheritance 적용
- 69RTOS Queue 활용 — By-Value·By-Reference·Timeout 패턴
- 70RTOS Event Group 활용 — Bit Wait·Sync·Notify
- 71RTOS Software Timer 활용 — One-shot·Auto-reload·Daemon Task
- 72ISR-Safe API 설계 — Reentrant·Atomic·Defer 패턴
- 73Priority Inversion 진단·예방 — Mars Pathfinder Lesson 추적
- 74Timer Wheel 분석 — Hashed·Hierarchical·O(1) Tick
- 75RTOS 디버깅 기법 — Tracealyzer·SystemView·Stack 추적
- 76임베디드 Linux 부팅 흐름 분석 — BootROM·U-Boot·Kernel·init
- 77U-Boot 활용 — bootcmd·env·tftp·boot.scr 분석
- 78Device Tree 실전 — DTS·DTB·Overlay·Phandle 추적
- 79Device Tree Overlay 적용 — Runtime fragment·dtoverlay
- 80임베디드 커널 빌드 — defconfig·menuconfig·Image·zImage
- 81커널 모듈 기초 — init/exit·Parameter·KBuild·DKMS
- 82캐릭터 드라이버 작성 — file_operations·cdev·register_chrdev
- 83Platform 드라이버 작성 — probe·remove·of_match·DT 바인딩
- 84mmap 4가지 모드 — Anonymous·File·Shared·Huge Page
- 85epoll 실전 — LT·ET·ONESHOT·EXCLUSIVE 비교
- 86UIO·VFIO 분석 — User-Space Driver와 IOMMU 격리
- 87sysfs·configfs 활용 — kobject 기반 User 인터페이스
- 88IRQ Affinity 튜닝 — smp_affinity·isolcpus·irqbalance
- 89루트 파일시스템 구축 — Buildroot 기초·Package·Toolchain
- 90임베디드 동적 메모리 — malloc 위험·결정성·대안 분석
- 91메모리 정렬과 패딩 분석 — Natural·Strict Alignment·Trap
- 92Cache Line Alignment — alignas·Padding·SoA 적용
- 93DMA-Friendly Allocator — dma_alloc_coherent·IOMMU·Pool
- 94Zero-Copy Pipeline — DMA-BUF·sendfile·io_uring·splice
- 95NUMA Memory Topology — numactl·numa_alloc·HBM 적용
- 96SIMD 활용 분석 — Intrinsics·Auto-Vectorization·OpenMP SIMD
- 97ARM NEON 심화 — Matrix Multiply·FFT·Image Filter 적용
- 98임베디드 스택 분석 — high-water·overflow 탐지
- 99임베디드 코드 크기 최적화 — -Os·LTO·Section Garbage Collection
- 100임베디드 전력 최적화 — Sleep Mode·Clock Gating·DVFS
- 101WCET 분석 기법 — Static·Measurement·Hybrid 방법론
- 102Lock-Free Ring Buffer 구현 — SPSC·Power-of-2·Memory Order
- 103Wait-Free Signaling — Atomic Flag·Sequence·Latest-Value
- 104RCU (Read-Copy-Update) 기초 — Quiescent State·Grace Period
- 105Hazard Pointer 분석 — Lock-Free Memory Reclamation
- 106Compare-And-Swap 패턴 — Stack·Counter·Linked List 적용
- 107Atomic Operation 비용 분석 — Fence·Cache Line·Contention
- 108Spinlock vs Mutex 결정 가이드 — Context Switch·Hold Time
- 109ABA 문제 회피 — Tagged Pointer·Hazard·Generation Counter
- 110False Sharing 해결 — Cache Line Padding·SoA 적용
- 111MPMC Queue 구현 — Multi-producer Multi-consumer Lock-Free
- 112임베디드 디버깅 마인드셋 — 가설·격리·재현·이분탐색
- 113JTAG·SWD 안 붙을 때 — 핀·전압·속도·세션 진단
- 114GDB 원격 디버깅 — OpenOCD·J-Link·target remote 구성
- 115Cortex-M 하드폴트 분석 — Stacked Frame·CFSR 읽기
- 116UART 안 찍힐 때 — Bare-metal 체크리스트
- 117임베디드 부팅 실패 진단 — 단계별 Isolation
- 118인터럽트 누락·중복 진단 — Priority·Pending·Re-entry 추적
- 119메모리 오버플로우·오염 진단 — Canary·MPU·Pattern 분석
- 120타이밍·Race 진단 — Heisenbug 잡는 법
- 121통신 프로토콜 분석 — Logic Analyzer와 Protocol Decoder
- 122임베디드 로깅 시스템 설계 — 레벨·버퍼·SWO·Deferred
- 123임베디드 포스트모템 분석 — Core Dump와 Field Crash
- 124FPGA 기초 분석 — LUT·FF·BRAM·DSP 자원 구조
- 125Vivado 사용법 — Project·Constraint·Synth·Impl·Bitstream
- 126PCIe BAR 매핑 분석 — Config Space·Enumeration·MMIO 접근
- 127AXI 인터페이스 — AXI4·AXI4-Lite·AXI-Stream 비교
- 128Zynq PS-PL 통신 — GP·HP·ACP 인터페이스 선택
- 129Mailbox Protocol 분석 — Host와 Accelerator를 잇는 Doorbell
- 130Command Queue·Submission Queue — NVMe·XDMA 공통 패턴
- 131DMA Completion 메커니즘 — Interrupt·Polling·Completion Ring
- 132PCIe Streaming 분석 — BAR Type·MSI-X·Kernel Bypass
- 133Vitis HLS 분석 — Pragma·Pipeline II·Dataflow 실전 감각
- 134HLS 최적화 기법 — Pipeline·Unroll·Partition·Dataflow
- 135Vitis AI 분석 — DPU·xmodel·VART
- 136OpenCL on FPGA — Kernel·Channel·Burst Memory 분석
- 137Intel Quartus 사용법 — Platform Designer·Nios II·HLS
- 138Edge Inference 분석 — Cloud vs Edge·Latency·Privacy
- 139NPU 아키텍처 분석 — Ethos·Hexagon·Systolic Array 비교
- 140딥러닝 Quantization 분석 — PTQ·QAT·INT8·INT4·Calibration
- 141TensorRT 분석 — ONNX→Engine·FP16·INT8·DLA·Multi-Stream
- 142TFLite Micro 분석 — Op Resolver·Tensor Arena·Cortex-M
- 143ONNX Runtime 분석 — Execution Provider와 Cross-Platform 배포
- 144Edge Thermal Management — Throttling·DVFS·Fan Curve·Sustained
- 145NVIDIA Jetson 분석 — Nano·Xavier·Orin·Thor·JetPack·DLA·VPI
- 146Zero-Copy Camera Pipeline — V4L2·DMA-BUF·GPU Import·NPU 직결
- 147온디바이스 LLM 추론 — llama.cpp·GGUF·MLX·KV Cache·NPU Backend
- 148Cortex-M33 TF-M·TrustZone — Secure Firmware·PSA·MCUboot
- 149Matter·Thread 분석 — IoT 통합 표준·Commissioning·Multi-Fabric
- 150PCIe → CXL 진화 — 같은 PHY 위 cache-coherent 프로토콜 추가
- 151QEMU CXL Type 3 디바이스 에뮬레이션 — 노트북에서 CXL 개발 환경 구축
- 152Linux CXL 드라이버 분석 — cxl_pci·cxl_core·region·DAX