STM32 USB Mass Storage 例程調(diào)試筆記

近來有幾個客戶反映STM3210E的開發(fā)板的USB Mass Storage 例程有點(diǎn)問題,組長安排我來調(diào)試。Mass Storage例程在PC上實(shí)現(xiàn)兩個U盤，一個是SD盤，一個是NAND Flash盤，把程序下載到開發(fā)板后，PC上能夠檢測到NAND Flash盤和SD盤，卻提示磁盤要格式化，按照提示操作，格式化不成功，可用磁盤空間和已用磁盤空間都為0。

調(diào)試前的準(zhǔn)備

二、調(diào)試前準(zhǔn)備

　　調(diào)試之前花了三天的時間，大致的看了一下USB的框架，后來才發(fā)現(xiàn)，沒什么必要，不過多學(xué)點(diǎn)知識總是好的。

1.USB只提供一個數(shù)據(jù)通道，USB總線并不知道設(shè)備具體是怎么操作，有什么狀態(tài)，USB設(shè)備的狀態(tài)是設(shè)備自己來決定的，這就是USB描述符的功能了。描述符中記錄了設(shè)備的類型、廠商、產(chǎn)品ID、端點(diǎn)信息等。描述符主要要：設(shè)備描述符、接口描述符、端點(diǎn)描述符、字符串描述符等。設(shè)備描述符記錄了該設(shè)備使用的USB版本號、廠商ID、產(chǎn)品ID、可能的配置數(shù)等與設(shè)備相關(guān)的信息；配置描述符記錄了配置包含的接口數(shù)、供電方式、是否支持遠(yuǎn)程喚醒等；接口描述符記錄了接口的端點(diǎn)數(shù)、接口使用的類、協(xié)議等；端點(diǎn)描述符記錄了端點(diǎn)號、數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较颉鬏旑愋?、最大包長度等；字符串描述符記錄了一些文字信息，方便客戶理解。

USB協(xié)議中規(guī)定了四種傳輸類型：批量傳輸、同步傳輸、中斷傳輸和控制傳輸

MassStorage例程中只用到了批量傳輸和控制傳輸，所以這里只介紹這兩種方式

（1）批量傳輸使用bulk transaction傳輸數(shù)據(jù)，主要應(yīng)用在數(shù)據(jù)大量數(shù)據(jù)傳輸和接受數(shù)據(jù)上同時又沒有帶寬和間隔時間要求的情況下。特點(diǎn)：要求保證傳輸。打印機(jī)、大容量存儲設(shè)備和掃描儀屬于這種類型這種類型的設(shè)備。適合于傳輸非常慢和大量被延遲的傳輸，可以等到所有其它類型的數(shù)據(jù)的傳輸完成之后再傳輸和接收數(shù)據(jù)。

一次批量事物有三個階段：令牌包階段、數(shù)據(jù)包階段和握手包階段。

第一階段 令牌包階段
Host端發(fā)出一個Bulk的令牌請求、令牌包中包含了設(shè)備地址、端點(diǎn)號。
如果令牌是IN請求 ，則是從Device到Host的請求；
如果令牌是OUT請求，則是從Host到Device端的請求。
第二階段 數(shù)據(jù)包階段
根據(jù)先前請求的令牌的類型，數(shù)據(jù)傳輸有可能是IN方向，也有可能是OUT方向。傳輸數(shù)據(jù)的時候用DATA0和DATA1令牌攜帶著數(shù)據(jù)交替?zhèn)魉汀?br />數(shù)據(jù)傳輸格式DATA1和DATA0，這兩個是重復(fù)數(shù)據(jù)，確保在1數(shù)據(jù)丟失時0可以補(bǔ)上，不至于數(shù)據(jù)丟失。
第三階段 握手包階段
如果數(shù)據(jù)是IN 方向，握手信號應(yīng)該是Host端發(fā)出；
如果數(shù)據(jù)是OUT方向，握手信號應(yīng)該是Device端發(fā)出。
握手信號可以為ACK， 表示正常響應(yīng)，
NAK， 表示沒有正確傳送。
STALL，表示出現(xiàn)主機(jī)不可預(yù)知的錯誤。

（2）控制傳輸

　　作用：USB系統(tǒng)用來主要進(jìn)行查詢配置和給USB設(shè)備發(fā)送通用的命令，它要保證數(shù)據(jù)傳輸過程的數(shù)據(jù)完整性。設(shè)備枚舉過程中的各種設(shè)備描述符的獲取以及設(shè)置地址、設(shè)置配置都是通過控制傳輸來實(shí)現(xiàn)的。特點(diǎn)：控制傳輸是雙向傳輸，數(shù)據(jù)量通常較??；數(shù)據(jù)傳送是無損性的。
控制傳輸也分為三個階段，即令牌階段、數(shù)據(jù)傳送階段、握手階段

2.USB協(xié)議中規(guī)定了一類大容量存儲設(shè)備 mass storage device，包括u盤、移動硬盤等。大容量存儲設(shè)備接口類代碼（bInterfaceClass）為0x08，U盤接口子類代碼（bInterfaceSubClass）使用0x06，表示使用SCSI透明指令集.協(xié)議代碼（bInterfaceProtocol）有三種：0x01、0x00和0x50，前面兩種需要使用中斷傳輸，這里使用的是最后一種協(xié)議，即協(xié)議使用僅批量傳輸（bulk only transport）。

　　僅批量傳輸協(xié)議中規(guī)定了兩個特殊的類請求：bulk-only Mass Storage Reset 和Get Max LUN，前者是復(fù)位到命令狀態(tài)的請求，后者是獲取最大邏輯單元的請求。
1.Get Max LUN的格式如下圖

usb協(xié)議中采用的是小端格式，這一點(diǎn)要格外注意，比如ASCII 0x55、0x53，用小端格式表示就是0x5355

bmRequestType為0xa1，表示它是發(fā)送到接口的類輸入請求，bRequest為0xfe，wIndex為請求的接口號，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)長度為1字節(jié)，設(shè)備將在數(shù)據(jù)過程返回1字節(jié)的數(shù)據(jù)，表示設(shè)備有多少個邏輯單元，0表示1個邏輯單元，1表示有兩個。

　　2.bulk-only Mass Storage Reset 的格式如下圖

bulk-only Mass Storage Reset請求是通知設(shè)備接下來的批量端點(diǎn)輸出數(shù)據(jù)為命令快封裝包CBW（Command Block Wrapper），在這個請求中，僅需要設(shè)置一下狀態(tài)，說明接下來的數(shù)據(jù)是CBW，然后返回一個長度為0的狀態(tài)數(shù)據(jù)包。

　　3.僅批量傳輸?shù)牡臄?shù)據(jù)流

　　類請求完成后，就進(jìn)入了數(shù)據(jù)傳輸過程，在僅批量數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議中規(guī)定，數(shù)據(jù)傳輸分為三個階段：命令階段、數(shù)據(jù)階段和狀態(tài)階段。命令階段是由主機(jī)通過批量端點(diǎn)發(fā)送一個CBW（命令封裝包）的結(jié)構(gòu)，在CBW中定義了要操作的命令以及傳輸數(shù)據(jù)的方向和數(shù)量，數(shù)據(jù)階段的傳輸方向由命令階段決定，而狀態(tài)階段則總是由設(shè)備返回該命令完成的狀態(tài)。

CBW的結(jié)構(gòu)如下圖

官方文檔對這些字段的介紹：

dCBWSignature:
Signature that helps identify this data packet as a CBW. The signature field shall contain the value
43425355h (little endian), indicating a CBW.
dCBWTag:
A Command Block Tag sent by the host. The device shall echo the contents of this field back to the
host in the dCSWTag field of the associated CSW. The dCSWTag positively associates a CSW with thecorresponding CBW.
dCBWDataTransferLength:
The number of bytes of data that the host expects to transfer on the Bulk-In or Bulk-Out endpoint (asindicated by the Direction bit) during the execution of this command. If this field is zero, the device andthe host shall transfer no data between the CBW and the associated CSW, and the device shall ignore
bmCBWFlags:
The bits of this field are defined as follows:
Bit 7 Direction - the device shall ignore this bit if the dCBWDataTransferLength field is
zero, otherwise:
0 = Data-Out from host to the device,
1 = Data-In from the device to the host.
Bit 6 Obsolete. The host shall set this bit to zero.
Bits 5..0 Reserved - the host shall set these bits to zero.
bCBWLUN:
The device Logical Unit Number (LUN) to which the command block is being sent. For devices that
support multiple LUNs, the host shall place into this field the LUN to which this command block is
addressed. Otherwise, the host shall set this field to zero.
bCBWCBLength:
The valid length of the CBWCB in bytes. This defines the valid length of the command block. The
only legal values are 1 through 16 (01h through 10h). All other values are reserved.
CBWCB:
The command block to be executed by the device. The device shall interpret the first bCBWCBLength
bytes in this field as a command block as defined by the command set identified by bInterfaceSubClass .
If the command set supported by the device uses command blocks of fewer than 16 (10h) bytes in
length, the significant bytes shall be transferred first, beginning with the byte at offset 15 (Fh). The
device shall ignore the content of the CBWCB field past the byte at offset (15 + bCBWCBLength - 1).

　　命令封裝包CSW

dCSWSignature:
Signature that helps identify this data packet as a CSW. The signature field shall contain the value
53425355h (little endian), indicating CSW.
dCSWTag:
The device shall set this field to the value received in the dCBWTag of the associated CBW.
bCSWStatus:
bCSWStatus indicates the success or failure of the command. The device shall set this byte to zero if
the command completed successfully. A non-zero value shall indicate a failure during command
execution according to the following table:
Value Description
00h Command Passed ("good status")
01h Command Failed
02h Phase Error
03h and 04h Reserved (Obsolete)
05h to FFh Reserved

　　定義一個緩沖區(qū)用來接收命令塊封裝包CBW，然后進(jìn)入到數(shù)據(jù)處理階段，在數(shù)據(jù)處理中，對CBW進(jìn)行解碼，返回或者接收響應(yīng)的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)發(fā)送或者接收完畢后，進(jìn)入到狀態(tài)階段，返回命令執(zhí)行的情況，然后再次進(jìn)入命令階段，等待主機(jī)發(fā)送CBW包。

3.SCSI命令集

小型計算機(jī)系統(tǒng)接口（英語:Small Computer System Interface; 簡寫:SCSI），一種用于計算機(jī)和智能設(shè)備之間（硬盤、軟驅(qū)、光驅(qū)、打印機(jī)、掃描儀等）系統(tǒng)級接口的獨(dú)立處理器標(biāo)準(zhǔn)。 SCSI是一種智能的通用接口標(biāo)準(zhǔn)。它是各種計算機(jī)與外部設(shè)備之間的接口標(biāo)準(zhǔn)。

在U盤中經(jīng)常用到的命令有：INQUIRY、READ CAPACITY 、READ(10)、WRITE(10)命令等。

INQUIRY命令請求查詢目標(biāo)設(shè)備的一些基本信息，操作碼為0x12,。

READ FORMAT CAPACITIES命令可以讓主機(jī)讀取設(shè)備各種可能的格式化容量的列表，如果設(shè)備中沒有存儲設(shè)備，則設(shè)備返回最大能夠支持的格式化容量。

讀容量命令READ CAPACITY可以讓主機(jī)讀取到當(dāng)前存儲媒介的容量，操作代碼為0x25，READ CAPACITY讀取的是實(shí)際的磁盤容量。

主機(jī)使用READ(10)命令來讀取實(shí)際磁盤的數(shù)據(jù)，使用WRITE(10)來往設(shè)備中寫入實(shí)際的磁盤數(shù)據(jù)。

4.STM32 相關(guān)知識

　　STM32提供的有USB全速設(shè)備接口，支持USB全速總線、USB掛起/恢復(fù)操作，可以停止設(shè)備時鐘實(shí)現(xiàn)低功耗。USB和CAN共用一個專用的512字節(jié)的SRAM存儲器用于數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，不能同時使用USB和CAN總線。

PC主機(jī)和微控制器之間的數(shù)據(jù)傳輸是通過共享這一專用的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)來完成的，數(shù)據(jù)緩沖區(qū)能被USB外設(shè)直接訪問。這塊專用數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的大小由所使用的端點(diǎn)數(shù)目和每個端點(diǎn)最大的數(shù)據(jù)分組大小所決定，每個端點(diǎn)最大可使用512 字節(jié)緩沖區(qū)，最多可用于16個單向或8 個雙向端點(diǎn)。USB模塊同PC主機(jī)通信，根據(jù)USB規(guī)范實(shí)現(xiàn)令牌分組的檢測，數(shù)據(jù)發(fā)送/ 接收的處理，和握手分組的處理。整個傳輸?shù)母袷接捎布瓿?，其中包括CRC的生成和校驗(yàn)。每個端點(diǎn)都有一個緩沖區(qū)描述塊，描述該端點(diǎn)使用的緩沖區(qū)地址、大小和需要傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)。 當(dāng)USB模塊識別出一個有效的功能/ 端點(diǎn)的令牌分組時，( 如果需要傳輸數(shù)據(jù)并且端點(diǎn)已配置) 隨之發(fā)生相關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸。USB模塊通過一個內(nèi)部的16位寄存器實(shí)現(xiàn)端口與專用緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)交換。在所有的數(shù)據(jù)傳輸完成后，如果需要，則根據(jù)傳輸?shù)姆较?，發(fā)送或接收適當(dāng)?shù)奈帐址纸M。在數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束時，USB模塊將觸發(fā)與端點(diǎn)相關(guān)的中斷，通過讀狀態(tài)寄存器和/ 或者利用不同的中斷處理程序，微控制器可以確定

● 哪個端點(diǎn)需要得到服務(wù)

● 產(chǎn)生如位填充、格式、CRC、協(xié)議、缺失ACK、緩沖區(qū)溢出/ 緩沖區(qū)未滿等錯誤時，正在進(jìn)行的是哪種類型的傳輸。

USB模塊對同步傳輸和高吞吐量的批量傳輸提供了特殊的雙緩沖區(qū)機(jī)制，在微控制器使用一個緩沖區(qū)的時候，該機(jī)制保證了USB外設(shè)總是可以使用另一個緩沖區(qū)。在任何不需要使用USB模塊的時候，通過寫控制寄存器總可以使USB模塊置于低功耗模式(SUSPEND模式) 。在這種模式下，不產(chǎn)生任何靜態(tài)電流消耗，同時USB時鐘也會減慢或停止。通過對USB線上數(shù)據(jù)傳輸?shù)臋z測，可以在低功耗模式下喚醒USB模塊。也可以將一特定的中斷輸入源直接連接到喚醒引腳上，以使系統(tǒng)能立即恢復(fù)正常的時鐘系統(tǒng)，并支持直接啟動或停止時鐘系統(tǒng)。

三、例程分析

　　1.首先進(jìn)行系統(tǒng)配置，如時鐘、USB、NAND FLASH、SD卡的初始化等

2.配置中斷，本例程中使用了三個中斷通道

　　USB低優(yōu)先級中斷(通道20)：可由所有USB事件觸發(fā)(正確傳輸，USB復(fù)位等)。固件在處理中斷前應(yīng)當(dāng)首先確定中斷源。中斷處理函數(shù)為：USB_Istr，進(jìn)入中斷處理函數(shù)后會進(jìn)行usb復(fù)位操作或者usb數(shù)據(jù)傳輸（調(diào)用CTR_LP函數(shù)）。

　　USB高優(yōu)先級中斷(通道19)：僅能由同步和雙緩沖批量傳輸?shù)恼_傳輸事件觸發(fā)，目的是保證最大的傳輸速率。它的中斷處理函數(shù)是CTR_HP。

　　說明：函數(shù)CTR_HP和CTR_LP最終都會調(diào)用Mass_Storage_In（端點(diǎn)1）和Mass_Storage_Out（端點(diǎn)2）兩個函數(shù)來和PC端的USB HOST 通信

3.SD的I/O 中斷（通道49）

　　為了讓SD I/O卡能夠中斷多媒體卡/SD 模塊，在SD接口上有一個具有中斷功能的引腳——第8腳，在4 位SD模式下這個腳是SDIO_D1，卡用它向多媒體卡/SD 模塊提出中斷申請。對于每一個卡或卡內(nèi)的功能，中斷功能是可選的。SD I/O的中斷是電平有效，即在被識別并得到多媒體卡/SD 模塊的響應(yīng)之前，中斷信號線必須保持有效電平( 低) ，在中斷過程結(jié)束后保持無效電平(高)。在多媒體卡/SD 模塊服務(wù)了中斷請求后，通過一個I/O 寫操作，寫入適當(dāng)?shù)奈坏絊D I/O卡的內(nèi)部寄存器，即可清除中斷狀態(tài)位。所有SD I/O卡的中斷輸出是低電平有效，多媒體卡/SD 模塊在所有數(shù)據(jù)線(SDIO/D[3:0])上提供上拉電阻。多媒體卡/SD 模塊在中斷階段對第8 腳(SDIO_D/IRQ) 采樣并進(jìn)行中斷檢測，其它時間該信號線上的數(shù)值將被忽略。

　　4.進(jìn)入while循環(huán)，等待中斷的發(fā)生

當(dāng)USB主機(jī)檢測到USB設(shè)備插入后，進(jìn)入中斷，先對設(shè)備進(jìn)行復(fù)位，USB在復(fù)位后其地址為0，主機(jī)通過地址0和剛插入的設(shè)備通信，建立控制傳輸，將設(shè)備描述符發(fā)送給主機(jī)。復(fù)位的操作在MASS_Reset()函數(shù)中。

主機(jī)對設(shè)備又一次復(fù)位，這時就進(jìn)入了設(shè)置地址階段，這也是一個控制傳輸?shù)倪^程，主機(jī)會分配一個唯一的地址給剛接入的設(shè)備。

主機(jī)再次獲取設(shè)備描述符。

主機(jī)獲取配置描述符，主機(jī)獲取字符串描述符。

主機(jī)發(fā)送Get Max LUN請求，獲取最大邏輯單元。

主機(jī)通過批量端點(diǎn)發(fā)送CBW包，在CBW中定義了要操作的命令以及傳輸數(shù)據(jù)的方向和數(shù)量，返回該命令完成的狀態(tài)，即由設(shè)備返回CSW包，端點(diǎn)2用于輸出，端點(diǎn)1用于輸入數(shù)據(jù)至主機(jī)。CBW的標(biāo)志是0x55，0x53,0x42,0x43。

在USB主機(jī)和設(shè)備的通信過程中，數(shù)據(jù)會先被放到一個大小為512字節(jié)的專用SRAM緩沖區(qū)里面，然后再傳輸?shù)街鳈C(jī)或者USB設(shè)備。

USB主機(jī)通過發(fā)送 SCSI Read10 Command和SCSI Write10 Command命令來對從機(jī)進(jìn)行讀寫，分別調(diào)用的是SCSI_Read10_Cmd和SCSI_Write10_Cmd函數(shù)，最終調(diào)用MAL_Read和MAL_Write，在這兩個函數(shù)中判斷是對SD卡還是NANDFLASH進(jìn)行讀寫。具體的過程可以參考代碼。

四、例程問題現(xiàn)象和解決方法

1.NAND FLASH盤可以被識別，格式化失敗。既然NAND FLASH盤可以被識別，那就表明USB的控制傳輸沒出現(xiàn)問題，USB批量傳輸出問題了，而且最可能的是NAND FLASH的驅(qū)動有問題，仔細(xì)看完代碼，發(fā)現(xiàn)在建立壞塊表，對Spare 區(qū)域進(jìn)行讀操作中，對NAND FLASH 有一個NAND_CMD_AREA_TRUE1命令操作，查看代碼，

#define NAND_CMD_AREA_TRUE1 ((u8)0x30)

而30H這個命令在數(shù)據(jù)手冊中找不到，在程序中把這行注釋掉，編譯代碼，下載，還是無法格式化，最后研究了一下手冊，在注釋代碼的這一行加上5微秒的延遲，然后編譯，下載，NAND FLASH可移動磁盤可以正常的讀寫了。

2.SD盤也能被識別，不能格式化。開始用的是2G的SD卡，后來嘗試1G和512M的，它們都能用，也就是說，這個SD卡驅(qū)動只識別1G和512M的SD卡。

在代碼中添加調(diào)試信息，結(jié)果是寫入的塊長度出錯。通過對讀SD卡信息了解到，2G的SD卡，塊大小是1024字節(jié)，其它的卡都是512字節(jié)。我在SDIO例程中設(shè)置塊大小為1024字節(jié)，讀寫出錯，設(shè)置512字節(jié)，居然是正確的。

USB MassStorage例程中是首先從SD卡中讀取SD卡塊大小的值，按照這個值來讀寫SD卡，而實(shí)際上2G的SD卡只能按照512字節(jié)來讀寫。所以在讀取塊大小的值后，把塊的大小除以2，塊數(shù)目乘以2，卡的總?cè)萘坎蛔?，程序運(yùn)行后，一切正常了。