usbhost驱动相关疑问与调试记录

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：

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。

       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

   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。

   ...
   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

审核编辑：汤梓红