STM32 USB Mass Storage 例程調試筆記

近來有幾個客戶反映STM3210E的開發(fā)板的USB Mass Storage 例程有點問題,組長安排我來調試。Mass Storage例程在PC上實現兩個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。

調試前的準備

二、調試前準備

　　調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，沒什么必要，不過多學點知識總是好的。

1.USB只提供一個數據通道，USB總線并不知道設備具體是怎么操作，有什么狀態(tài)，USB設備的狀態(tài)是設備自己來決定的，這就是USB描述符的功能了。描述符中記錄了設備的類型、廠商、產品ID、端點信息等。描述符主要要：設備描述符、接口描述符、端點描述符、字符串描述符等。設備描述符記錄了該設備使用的USB版本號、廠商ID、產品ID、可能的配置數等與設備相關的信息；配置描述符記錄了配置包含的接口數、供電方式、是否支持遠程喚醒等；接口描述符記錄了接口的端點數、接口使用的類、協議等；端點描述符記錄了端點號、數據傳輸的方向、傳輸類型、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傳輸數據，主要應用在數據大量數據傳輸和接受數據上同時又沒有帶寬和間隔時間要求的情況下。特點：要求保證傳輸。打印機、大容量存儲設備和掃描儀屬于這種類型這種類型的設備。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據的傳輸完成之后再傳輸和接收數據。

一次批量事物有三個階段：令牌包階段、數據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、令牌包中包含了設備地址、端點號。
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 數據包階段
根據先前請求的令牌的類型，數據傳輸有可能是IN方向，也有可能是OUT方向。傳輸數據的時候用DATA0和DATA1令牌攜帶著數據交替?zhèn)魉汀?br />數據傳輸格式DATA1和DATA0，這兩個是重復數據，確保在1數據丟失時0可以補上，不至于數據丟失。
第三階段 握手包階段
如果數據是IN 方向，握手信號應該是Host端發(fā)出；
如果數據是OUT方向，握手信號應該是Device端發(fā)出。
握手信號可以為ACK， 表示正常響應，
NAK， 表示沒有正確傳送。
STALL，表示出現主機不可預知的錯誤。

（2）控制傳輸

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

2.USB協議中規(guī)定了一類大容量存儲設備 mass storage device，包括u盤、移動硬盤等。大容量存儲設備接口類代碼（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議，即協議使用僅批量傳輸（bulk only transport）。

　　僅批量傳輸協議中規(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協議中采用的是小端格式，這一點要格外注意，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，傳輸的數據長度為1字節(jié)，設備將在數據過程返回1字節(jié)的數據，表示設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請求是通知設備接下來的批量端點輸出數據為命令快封裝包CBW（Command Block Wrapper），在這個請求中，僅需要設置一下狀態(tài)，說明接下來的數據是CBW，然后返回一個長度為0的狀態(tài)數據包。

　　3.僅批量傳輸的的數據流

　　類請求完成后，就進入了數據傳輸過程，在僅批量數據傳輸協議中規(guī)定，數據傳輸分為三個階段：命令階段、數據階段和狀態(tài)階段。命令階段是由主機通過批量端點發(fā)送一個CBW（命令封裝包）的結構，在CBW中定義了要操作的命令以及傳輸數據的方向和數量，數據階段的傳輸方向由命令階段決定，而狀態(tài)階段則總是由設備返回該命令完成的狀態(tài)。

CBW的結構如下圖

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，然后進入到數據處理階段，在數據處理中，對CBW進行解碼，返回或者接收響應的數據。數據發(fā)送或者接收完畢后，進入到狀態(tài)階段，返回命令執(zhí)行的情況，然后再次進入命令階段，等待主機發(fā)送CBW包。

3.SCSI命令集

小型計算機系統接口（英語:Small Computer System Interface; 簡寫:SCSI），一種用于計算機和智能設備之間（硬盤、軟驅、光驅、打印機、掃描儀等）系統級接口的獨立處理器標準。 SCSI是一種智能的通用接口標準。它是各種計算機與外部設備之間的接口標準。

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

INQUIRY命令請求查詢目標設備的一些基本信息，操作碼為0x12,。

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

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

主機使用READ(10)命令來讀取實際磁盤的數據，使用WRITE(10)來往設備中寫入實際的磁盤數據。

4.STM32 相關知識

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

PC主機和微控制器之間的數據傳輸是通過共享這一專用的數據緩沖區(qū)來完成的，數據緩沖區(qū)能被USB外設直接訪問。這塊專用數據緩沖區(qū)的大小由所使用的端點數目和每個端點最大的數據分組大小所決定，每個端點最大可使用512 字節(jié)緩沖區(qū)，最多可用于16個單向或8 個雙向端點。USB模塊同PC主機通信，根據USB規(guī)范實現令牌分組的檢測，數據發(fā)送/ 接收的處理，和握手分組的處理。整個傳輸的格式由硬件完成，其中包括CRC的生成和校驗。每個端點都有一個緩沖區(qū)描述塊，描述該端點使用的緩沖區(qū)地址、大小和需要傳輸的字節(jié)數。 當USB模塊識別出一個有效的功能/ 端點的令牌分組時，( 如果需要傳輸數據并且端點已配置) 隨之發(fā)生相關的數據傳輸。USB模塊通過一個內部的16位寄存器實現端口與專用緩沖區(qū)的數據交換。在所有的數據傳輸完成后，如果需要，則根據傳輸的方向，發(fā)送或接收適當的握手分組。在數據傳輸結束時，USB模塊將觸發(fā)與端點相關的中斷，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

● 哪個端點需要得到服務

● 產生如位填充、格式、CRC、協議、缺失ACK、緩沖區(qū)溢出/ 緩沖區(qū)未滿等錯誤時，正在進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)機制，在微控制器使用一個緩沖區(qū)的時候，該機制保證了USB外設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線上數據傳輸的檢測，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，以使系統能立即恢復正常的時鐘系統，并支持直接啟動或停止時鐘系統。

三、例程分析

　　1.首先進行系統配置，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復位等)。固件在處理中斷前應當首先確定中斷源。中斷處理函數為：USB_Istr，進入中斷處理函數后會進行usb復位操作或者usb數據傳輸（調用CTR_LP函數）。

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

　　說明：函數CTR_HP和CTR_LP最終都會調用Mass_Storage_In（端點1）和Mass_Storage_Out（端點2）兩個函數來和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 模塊的響應之前，中斷信號線必須保持有效電平( 低) ，在中斷過程結束后保持無效電平(高)。在多媒體卡/SD 模塊服務了中斷請求后，通過一個I/O 寫操作，寫入適當的位到SD I/O卡的內部寄存器，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 模塊在所有數據線(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) 采樣并進行中斷檢測，其它時間該信號線上的數值將被忽略。

　　4.進入while循環(huán)，等待中斷的發(fā)生

當USB主機檢測到USB設備插入后，進入中斷，先對設備進行復位，USB在復位后其地址為0，主機通過地址0和剛插入的設備通信，建立控制傳輸，將設備描述符發(fā)送給主機。復位的操作在MASS_Reset()函數中。

主機對設備又一次復位，這時就進入了設置地址階段，這也是一個控制傳輸的過程，主機會分配一個唯一的地址給剛接入的設備。

主機再次獲取設備描述符。

主機獲取配置描述符，主機獲取字符串描述符。

主機發(fā)送Get Max LUN請求，獲取最大邏輯單元。

主機通過批量端點發(fā)送CBW包，在CBW中定義了要操作的命令以及傳輸數據的方向和數量，返回該命令完成的狀態(tài)，即由設備返回CSW包，端點2用于輸出，端點1用于輸入數據至主機。CBW的標志是0x55，0x53,0x42,0x43。

在USB主機和設備的通信過程中，數據會先被放到一個大小為512字節(jié)的專用SRAM緩沖區(qū)里面，然后再傳輸到主機或者USB設備。

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

四、例程問題現象和解決方法

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的控制傳輸沒出現問題，USB批量傳輸出問題了，而且最可能的是NAND FLASH的驅動有問題，仔細看完代碼，發(fā)現在建立壞塊表，對Spare 區(qū)域進行讀操作中，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這個命令在數據手冊中找不到，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卡驅動只識別1G和512M的SD卡。

在代碼中添加調試信息，結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例程中設置塊大小為1024字節(jié)，讀寫出錯，設置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，塊數目乘以2，卡的總容量不變，程序運行后，一切正常了。