STM32的bulk双缓冲传输速度的讨论，硬件的坑永远填不完

Posted 2020-07-08 机械狂魔

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USB 1.0的最高12Mbps.
USB 2.0的高速模式480Mbps,全速模式12Mbps,低速模式1.5Mbps

而是设置STM32端的USART的波特率。PC与STM32传输速度是以USB1.1的理论速度传输的，是不能设置的。

接收到数据，置NAK->将缓冲区数据拷贝到用户区（用户处理过程）->发ACK通知主机完成了完整的接收可以发送下一个->主机发送下一个，

 

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 前天测试自己编写的USB驱动程序时候发现从主机到STM32的OUT传输（主机到设备）速率竟然只有最高33KB/S，实在是晕死了。经过研究后发现是 驱动程序中设置的PIPE MaxTransferSize参数的关系，原先设置64只能33KB/S，后参考其他USB设备驱动程序的值，设置成了65535，再测试USB OUT的速度，达到了500KB/S，终于解决了驱动程序的瓶颈。不过算下USB 2.0全速的通讯速率是12Mb/S，排除掉CRC、令牌、SOF等等开销怎么也应该不止最大500KB/S啊。到网上看了看，基本上应该能达到 600KB/S~700KB/S以上，我现在的速度应该还有很大的提升才是。
    看看程序，发现
void EP3_OUT_Callback(void)//EP3 OUT的回调函数，当EP3接收到数据时候中断调用该函数
{
  count_out = GetEPRxCount(ENDP3);//获得接收到的数据长度
  PMAToUserBufferCopy(buffer_out, ENDP3_RXADDR, count_out);//将数据从USB EP3 RX的缓冲区拷贝到用户指定的数组中
  SetEPRxValid(ENDP3); //完成拷贝后置有效状态，从而EP3发送ACK主机可以进行下一个数据包的发送
}
    试着将PMAToUserBufferCopy这句注释掉(这样STM32就不处理接收到的数据了)后再测试速度，惊奇地发现速度竟然达到了 997KB/S！晚上仔细想了想，数据肯定是要使用的，这个数据拷贝的过程的时间消费总是少不了的；由于通常情况下USB设备BULK数据接收的步骤就 是：接收到数据，置NAK->将缓冲区数据拷贝到用户区（用户处理过程）->发ACK通知主机完成了完整的接收可以发送下一个->主机 发送下一个，按照以上的步骤USB接收一步步的进行，只要STM32不完成数据处理，状态就一直是NAK，主机就会不停地发送该数据包，浪费了带宽，因此 就会导致我上面最大速度500KB/S难以再增加的情况！不甘心啊~~
    昨天晚上又仔细研究了STM32的技术参考手册的USB章节内容，里面提到BULK可以采用双缓冲机制（PING-PONG）进行处理，正好可以解决上面 的情况。双缓冲机制的原理就是分配2块接收缓冲，STM32的用户处理和USB接口可以分别交替占用2个缓冲区，当USB端点接收数据写其中一个缓冲区的 时候，用户的应用程序可以同时处理另一个缓冲区，这样缓冲区依次交换占有者，只要用户处理程序在USB端点接收的时间片段内完成处理，就能够完全不影响 USB的通讯速度！
    程序部分修改
一、EP3_OUT的设置修改，
//ZYP：修改EP3为BULK双缓冲方式-------------------------
  SetEPType(ENDP3, EP_BULK);
  SetEPDoubleBuff(ENDP3);
  SetEPDblBuffAddr(ENDP3, ENDP3_BUF0Addr, ENDP3_BUF1Addr);
  SetEPDblBuffCount(ENDP3, EP_DBUF_OUT, VIRTUAL_COM_PORT_DATA_SIZE);
  ClearDTOG_RX(ENDP3);
  ClearDTOG_TX(ENDP3);
  ToggleDTOG_TX(ENDP3);
  SetEPRxStatus(ENDP3, EP_RX_VALID);
  SetEPTxStatus(ENDP3, EP_TX_DIS);
//------------------------------------------------------
二、EP3_OUT回调函数的修改
void EP3_OUT_Callback(void)
{
//ZYP:以下是修改成EP3双缓冲OUT后的处理函数
  if (GetENDPOINT(ENDP3) & EP_DTOG_TX)//先判断本次接收到的数据是放在哪块缓冲区的
  {
    FreeUserBuffer(ENDP3, EP_DBUF_OUT); //先释放用户对缓冲区的占有，这样的话USB的下一个接收过程可以立刻进行，用另一块缓冲区，同时用户并行进行下面处理，在另一块接收完之前，处理完用户数据就行，否则缓冲区竞争。
    count_out = GetEPDblBuf0Count(ENDP3);//读取接收到的字节数，
    PMAToUserBufferCopy(buffer_out, ENDP3_BUF0Addr, count_out);
  }
  else
  {
    FreeUserBuffer(ENDP3, EP_DBUF_OUT);
    count_out = GetEPDblBuf1Count(ENDP3);
    PMAToUserBufferCopy(buffer_out, ENDP3_BUF1Addr, count_out);
  }
}
    经过上面的修改，终于解决了STM32在处理接收数据时导致主机等待的情况，用BUS HOUND软件测试了下

 

 PS:上面的FreeUserBuffer(ENDP3, EP_DBUF_OUT); 这句话的上下位置是关键，如果放到函数的后面，则仍旧会有主机等待STM32处理数据的情况，速度仍然是500KB/S！

    把这句话放在拷贝函数的前面的话就真正把双缓冲PING-PONG机制用起来了。大致算了下 PMAToUserBufferCopy(buffer_out, ENDP3_BUF1Addr, count_out);这句话当count_out为最大值64的时候STM32执行需要302个周期，72MHZ情况下约4.2微秒执行时间，而USB 传输按照12Mb/s的线速度传输64字节的数据至少也得40微秒，因此只要PMAToUserBufferCopy的时间不超过40微秒，就不会导致缓 冲区竞争的情况。