rt-thread STM32F4 usbhost 调试笔记

发布于 2021-07-12 18:28:37 浏览：6139 订阅该版

[tocm]

# 前言

rtt 里的 usbhost 驱动有问题这是众所周知的事情了，很多人在论坛上提问，也出现了各种解决方案。这里做个汇总，同时把我最终的解决方法说一下。

平台环境：STM32F429 正点原子阿波罗

## usbhost 驱动相关疑问

### 第一个疑问

https://club.rt-thread.org/ask/question/430499.html

关于这里的延时，好像 stm32 官方的某个手册或者 usb 规范里有讲，因为这里 https://bbs.21ic.com/icview-106567-1-1.html 也提到了这个 1ms 延时是必需的。

我曾经去掉过这个延时，去掉是有严重问题的。识别不出 U盘还是小事儿，还可能严重的搞坏系统，这一点儿下面细讲。

### 第二个疑问

https://club.rt-thread.org/ask/question/425072.html

出现死循环的原因只有一个，usb 控制器出现 nak 并且自己不可恢复。原驱动中相关代码如下：
```c
if (HAL_HCD_HC_GetState(&stm32_hhcd_fs, pipe->pipe_index) == HC_NAK)
{
    RT_DEBUG_LOG(RT_DEBUG_USB, ("nak\n"));
    if (pipe->ep.bmAttributes == USB_EP_ATTR_INT)
    {
        rt_thread_delay((pipe->ep.bInterval * RT_TICK_PER_SECOND / 1000) > 0 ? (pipe->ep.bInterval * RT_TICK_PER_SECOND / 1000) : 1);
    }
    HAL_HCD_HC_Halt(&stm32_hhcd_fs, pipe->pipe_index);
    HAL_HCD_HC_Init(&stm32_hhcd_fs,
                    pipe->pipe_index,
                    pipe->ep.bEndpointAddress,
                    pipe->inst->address,
                    USB_OTG_SPEED_FULL,
                    pipe->ep.bmAttributes,
                    pipe->ep.wMaxPacketSize);
    continue;
}
```

即便这里有初始化操作，但是实际上并不能恢复，也不能 continue 实现重新提交请求。

### 其它疑问

不识别，枚举设备失败，无法挂载。。。
其它各种问题都和 drv_usbh.c 的 `drv_pipe_xfer` 函数有千丝万缕的联系。

## 调试记录

### 删 `drv_pipe_xfer` 中的延时

这个延时应该是硬件的硬性要求，去掉它会很容易 nak，然后进入上面的死循环里面。我去掉了延时，所以在 nak 死循环了。接下来去掉 nak 的死循环。

### 修改一个 bug

原代码是这么写的 `else if (HAL_HCD_HC_GetState(&stm32_hhcd_fs, pipe->pipe_index) == URB_ERROR)` ，`HAL_HCD_HC_GetState` 返回值是 `HCD_HCStateTypeDef` 类型，而 `URB_ERROR` 是 `HCD_URBStateTypeDef` 类型的，明显调用的函数和比较值类型不一样。
修改后 `else if (HAL_HCD_HC_GetURBState(&stm32_hhcd_fs, pipe->pipe_index) == URB_ERROR)`。

### 重写任何可能引起**死循环**的代码

死循环可不是什么好东西，如果有这个可能，就必须改掉它，比如通过计数，重试有限次之后退出尝试。

#### nak retry

把 `continue` 改成重试 10 ，感觉把错误转移了，也没见有多少改善。

#### nak 退出

去掉 `continue` ，去掉 retry，直接返回错误退出 `drv_pipe_xfer` 函数。那么，问题来了。

首先说明，`drv_pipe_xfer` 函数被 `rt_usb_hcd_setup_xfer` 和 `rt_usb_hcd_pipe_xfer` 两个函数直接调用，然后被其它几十个函数间接调用。
`drv_pipe_xfer` 函数的第三个参数 `void *buffer`，用于传递输入输出数据缓存地址指针。输出数据过程没有多大问题，当它扮演接收数据缓存时就存在潜在的隐患。

因为接收数据的内存缓存多半不是全局的，而是临时申请的内存，或者是从栈上分配的。假如 `drv_pipe_xfer` 函数**“假”**失败返回，而 stm32 的 usb 控制器还在工作。比如上面的 nak，当我直接错误返回退出 `drv_pipe_xfer` 函数后，开始发现各种内存异常修改。比如返回上层调用函数的过程中发现局部变量（栈）莫名变成其它随机值。从这里我猜测虽然是 nak，但是并不一定表示有什么严重的问题。既然 usb 控制器仍然使用传递给他的寄存器地址，如果再稍微等待一下是不是变成完成状态了？

### nak 超时

处理 HC 状态和 URB 状态前先判断是否是 nak，如果是 nak 就等待，等待 timeout 个 tick 超时，然后交给下面处理；不是 nak， ok 的可能性很大，直接交给下面处理。
```c
        tick = rt_tick_get();
        while(HAL_HCD_HC_GetState(&stm32_hhcd_fs, pipe->pipe_index) == HC_NAK)
        {
            if ((rt_tick_get() - tick) >= timeout)
            {
                break;
            }
            else
            {
                rt_thread_yield();
            }
        }
```

这么处理以后，nak 少多了，但是还是有，而且一经出现就很难再继续。

### 阶段小结

修改了状态比较的错误，添加上 `drv_pipe_xfer` 中的 1ms 延时，同时添加了 nak 状态等待。去掉任何死循环操作，如果 nak 等待超时后还是 nak 就错误退出。到此，U 盘失败和 sd 卡识别已经有明显的改观了，大多时候可以走到 df_mount 之前（修改前走到 rt_udisk_run 就很难，rt_udisk_run 和 df_mount 中间有几个地方都可能出错终止）。

下面继续 debug。

### 上层操作 retry

`drv_pipe_xfer` 里 retry 的操作尝试过了，经过测试才知道，底层的工作原理不允许这么暴力 retry，这样可能引起 usb 控制器工作异常。
换个思路 retry，把 retry 往上层移动，找最容易出错误的函数调用路径中的某个接口，比如 `rt_usbh_storage_read10` 或 `rt_usbh_storage_write10` ，读操作最多返回错误，应用层操作失败。写操作失败意味着可能写 U 盘的任意节点出现问题了，这个时候放任不管可能会丢失数据的。
于是 `rt_usb_bulk_only_xfer(intf, &cmd, buffer, timeout);`  返回值不是 OK 就重试。这种尝试好像有效果，但是还是有多次重试后失败的。

### 继续查找原因

最底层的和比较上层的部分都使用各种方法尝试过了，问题还是存在。而且，让人头疼的是出现问题后 U 盘的文件系统有被损坏的概率。经过多次格式化 U 盘后发现也只有 `rt_usbh_storage_write10` -> `rt_usb_bulk_only_xfer` 出错概率最大，写坏 U 盘的操作也出现在这里。
那么，进入 `rt_usb_bulk_only_xfer` 函数寻找机会。

### rt_usb_bulk_only_xfer

这个函数大概率出错，肯定有它自己的独特的操作。 `rt_usbh_storage_read10` 也调用了这个函数但是不出错，由此，我把可疑范围缩小到
```c
    if(cmd->xfer_len != 0)
    {
        ...
        size = rt_usb_hcd_pipe_xfer(pipe->inst->hcd, pipe, (void*)buffer,
            cmd->xfer_len, timeout);
        ...
    }
```

`cmd->xfer_len` 比较大的时候，也就是说读写数据量大的时候，`rt_usb_hcd_pipe_xfer` 函数执行就容易出错。

为什么呢？数据量多少直接影响了出错概率。其它地方调用 `drv_pipe_xfer` 能正常工作，这里出错，能说明硬件配置有问题吗？

`rt_usb_hcd_pipe_xfer` 里面把大数据分包，分成 64 字节的小包一次次发送，这个包能改大一点儿吗？发大包会有影响吗？

多处判断包大小和 wMaxPacketSize 的关系， wMaxPacketSize 能修改大一点吗？

加延时，还是 retry ？哪种解决方法更高效？

### 最终方案

调用 `rt_usb_hcd_pipe_xfer` 之前加个短延时，比如 3ms 的延时。因为其它方法都尝试过，暂时没找到能解决问题的。
如果对延时引起的性能降低比较在意，先判断发送的包大小有多大，如果一包处理不完，延时一下；如果一包就可以处理完不需要延时。
读和写延时也不一样，写操作要求延时时间长，读操作可能不延时也没问题。
当这里加延时后，手头的 U 盘和读卡器识别和读写文件都正常了。
因为这里的延时是经验值，有的需要延时时间短，有的需要延时时间长。不确定延时多少怎么办？可以如下动态调整延时时间。
```c
    ...
    if(cmd->xfer_len > pipe->ep.wMaxPacketSize)
    {
        rt_thread_mdelay(wr_delay);
    }
    size = rt_usb_hcd_pipe_xfer(pipe->inst->hcd, pipe, (void*)buffer,
        cmd->xfer_len, timeout);
    if(size != cmd->xfer_len)
    {
        if (wr_delay < 5)
        {
            wr_delay += 2;
        }
        ...
    }
```

## 其它

不知道这个算不算问题，无论从理论上还是实际应用中，读写 U 盘的时候是禁止拔掉 U 盘的。
不说写 U 盘，假设读 U 盘的时候拔掉 U 盘，原驱动有一定的机率在读操作过程中清理掉了对应通道的设备。因为，监测 usb 端口在一个独立线程，然后读写接口被文件系统调用，肯定是另外的应用层线程操作的了。两个不同的线程，一个使用 usb 通道时，另一个清理掉了它！
所以，在 `rt_usbh_hub_port_change` `rt_udisk_read` `rt_udisk_write` 等接口出添加互斥操作避免上述情况出现。这个对读写都是有效的。

> 本文所有提到的更改已经提交到 gitee ，欢迎大家测试 https://gitee.com/thewon/rt_thread_repo

30 条评论

bblythe2016 2021-08-29

这家伙很懒，什么也没写！

bblythe2016 2021-08-29

这家伙很懒，什么也没写！

fhqmcu 2021-09-28

个人博客：https://blog.csdn.net/fhqlongteng

fhqmcu 2021-09-28

个人博客：https://blog.csdn.net/fhqlongteng

出出啊 2021-09-29

恃人不如自恃，人之为己者不如己之自为也

出出啊 2021-09-29

恃人不如自恃，人之为己者不如己之自为也

fhqmcu 2021-09-29

个人博客：https://blog.csdn.net/fhqlongteng

fhqmcu 2021-09-29

个人博客：https://blog.csdn.net/fhqlongteng

出出啊 2021-09-29

恃人不如自恃，人之为己者不如己之自为也

fhqmcu 2021-10-28

个人博客：https://blog.csdn.net/fhqlongteng

anqi 2021-10-29

这家伙很懒，什么也没写！

anqi 2021-10-29

这家伙很懒，什么也没写！

anqi 2021-10-29

这家伙很懒，什么也没写！

去掉那个1ms延时的问题，我是这样修改了，修改了后枚举就可以了，速度也非常快了407可以到600kB/S
```c
static int drv_pipe_xfer(upipe_t pipe, rt_uint8_t token, void *buffer, int nbytes, int timeouts)
{
    int timeout = timeouts;
    
    int status = 0;
    while (1)
    {
        if (!connect_status)
        {
            return -1;
        }

switch(status)
        {
        case 0:
            rt_completion_init(&urb_completion);
            RT_DEBUG_LOG(RT_DEBUG_USB, ("pipe xfer:%d\n", nbytes));
            rt_base_t lvl = rt_hw_interrupt_disable();
            HAL_HCD_HC_SubmitRequest(&stm32_hhcd_fs,
                                 pipe->pipe_index,
                                 (pipe->ep.bEndpointAddress & 0x80) >> 7,
                                 pipe->ep.bmAttributes,
                                 token,
                                 buffer,
                                 nbytes,
                                 0);
            rt_hw_interrupt_enable(lvl);
            status = 1;                     
        case 1:
            RT_DEBUG_LOG(RT_DEBUG_USB, ("wait_comp\n"));
            if(rt_completion_wait(&urb_completion, timeout) != RT_EOK)
            {
                rt_kprintf("pipe xfer timeout:%d\n", timeout);
                return -1;
            }
            status = 2;
            break;
        case 2:
            HCD_URBStateTypeDef urbstate = HAL_HCD_HC_GetURBState(&stm32_hhcd_fs, pipe->pipe_index);
            if(URB_DONE == urbstate){
                pipe->status = UPIPE_STATUS_OK;
                if (pipe->callback != RT_NULL)
                {
                    pipe->callback(pipe);
                }
                size_t size = HAL_HCD_HC_GetXferCount(&stm32_hhcd_fs, pipe->pipe_index);
                RT_DEBUG_LOG(RT_DEBUG_USB, ("HC_XFRC:%d\n", size));
                if (pipe->ep.bEndpointAddress & 0x80)
                {
                    return size;
                }
                return nbytes;
            }
            else if(URB_IDLE == urbstate){
                HCD_HCStateTypeDef usbstate = HAL_HCD_HC_GetState(&stm32_hhcd_fs, pipe->pipe_index);
                RT_DEBUG_LOG(RT_DEBUG_USB, ("urb_state:%d,%d\n", urbstate, usbstate));
                if(usbstate == HC_IDLE)
                {
                    HAL_HCD_HC_Halt(&stm32_hhcd_fs, pipe->pipe_index);
                    status = 0;
                    continue;
                }
                rt_completion_init(&urb_completion);
                status = 1;
            }
            else if(URB_NOTREADY == urbstate)
            {
                RT_DEBUG_LOG(RT_DEBUG_USB, ("URB_NOTREADY:%d\n", HAL_HCD_HC_GetState(&stm32_hhcd_fs, pipe->pipe_index)));
                status = 0;
            }
            else if(URB_NYET == urbstate)
            {
                RT_DEBUG_LOG(RT_DEBUG_USB, ("URB_NYET:%d\n", HAL_HCD_HC_GetState(&stm32_hhcd_fs, pipe->pipe_index)));
                status = 0;
            }
            else if(URB_ERROR == urbstate)
            {
                RT_DEBUG_LOG(RT_DEBUG_USB, ("URB_ERROR:%d\n", HAL_HCD_HC_GetState(&stm32_hhcd_fs, pipe->pipe_index)));
                status = 0;
            }
            else{
                rt_kprintf("urb_state:%d\n", urbstate);
                return -1;
            }
            break;
        }
    }
}

```

出出啊 2021-10-29

恃人不如自恃，人之为己者不如己之自为也

fhqmcu 2021-11-01

个人博客：https://blog.csdn.net/fhqlongteng

杰瑞鼠 2021-11-01

2024龙行天下

出出啊 2021-11-02

恃人不如自恃，人之为己者不如己之自为也

出出啊 2021-11-02

恃人不如自恃，人之为己者不如己之自为也

fhqmcu 2021-11-03

个人博客：https://blog.csdn.net/fhqlongteng

fhqmcu 2021-11-03

个人博客：https://blog.csdn.net/fhqlongteng

@gaoan1985 用你的这个方法，关中断的方式，可以去除这1ms，真正提高了OUT传输的发送速度，原理还有待深入的分析一下。
```c
static int drv_pipe_xfer(upipe_t pipe, rt_uint8_t token, void *buffer, int nbytes, int timeouts)
{
    rt_int32_t tick = 0;
    rt_base_t lvl = 0;

rt_sem_control(usb_urb_sem[pipe->pipe_index], RT_IPC_CMD_RESET, RT_NULL);  
    lvl = rt_hw_interrupt_disable();   
    HAL_HCD_HC_SubmitRequest(&stm32_hhcd_fs,
                             pipe->pipe_index,
                             (pipe->ep.bEndpointAddress & 0x80) >> 7,
                             pipe->ep.bmAttributes,
                             token,
                             buffer,
                             nbytes,
                             0);
    rt_hw_interrupt_enable(lvl);
    if(timeouts == 0)
    {
        tick = RT_WAITING_FOREVER;
    }
    else
    {
        tick = rt_tick_from_millisecond(timeouts);
    }
   
    if(-RT_ETIMEOUT == rt_sem_take(usb_urb_sem[pipe->pipe_index], tick))
    {
        rt_kprintf("sem %d timeout!\n", pipe->pipe_index);
        HAL_HCD_HC_Halt(&stm32_hhcd_fs, pipe->pipe_index);
        return -RT_ETIMEOUT;
    }
    if((pipe->ep.bEndpointAddress & 0x80) == 0)
    {
        /*between twice usb out transfer, should add the less 1ms delay. 
         if not next out transfer return NAK zhaoshimin 2021050 */
        //rt_thread_mdelay(1);
    }
    
    if (!connect_status)
    {
        return -RT_ERROR;
    }
    
    if (HAL_HCD_HC_GetURBState(&stm32_hhcd_fs, pipe->pipe_index) == URB_NOTREADY)
    {
        RT_DEBUG_LOG(RT_DEBUG_USB, ("nak\n"));
        if (pipe->ep.bmAttributes == USB_EP_ATTR_INT)
        {
            rt_thread_delay((pipe->ep.bInterval * RT_TICK_PER_SECOND / 1000) > 0 ? (pipe->ep.bInterval * RT_TICK_PER_SECOND / 1000) : 1);
        }                 
        
    }
    else if(HAL_HCD_HC_GetURBState(&stm32_hhcd_fs, pipe->pipe_index) == URB_STALL)
    {
        RT_DEBUG_LOG(RT_DEBUG_USB, ("stall\n"));
        pipe->status = UPIPE_STATUS_STALL;
        if (pipe->callback != RT_NULL)
        {
            pipe->callback(pipe);
        }
        return -RT_ERROR;
    }
    else if (HAL_HCD_HC_GetURBState(&stm32_hhcd_fs, pipe->pipe_index) == URB_ERROR)
    {
        RT_DEBUG_LOG(RT_DEBUG_USB, ("error\n"));
        pipe->status = UPIPE_STATUS_ERROR;
        if (pipe->callback != RT_NULL)
        {
            pipe->callback(pipe);
        }
        return -RT_ERROR;
    }
    else if(URB_DONE == HAL_HCD_HC_GetURBState(&stm32_hhcd_fs, pipe->pipe_index))
    {
        RT_DEBUG_LOG(RT_DEBUG_USB, ("ok\n"));
        pipe->status = UPIPE_STATUS_OK;
        if (pipe->callback != RT_NULL)
        {
            pipe->callback(pipe);
        }
        return HAL_HCD_HC_GetXferCount(&stm32_hhcd_fs, pipe->pipe_index);
        
        
    }
    HAL_HCD_HC_Halt(&stm32_hhcd_fs, pipe->pipe_index);
    return -RT_ERROR;
}
```