MicroPython USB CDC接口多线程写入问题分析与解决方案

问题背景

在MicroPython的usb-device-cdc模块使用过程中，开发者发现当通过第二个串行连接(CDC接口)在多线程环境下进行写入操作时，会出现随机错误。具体表现为两种异常情况：一种是AssertionError，另一种是RuntimeError("xfer_pending")。

问题重现

通过以下代码可以稳定复现该问题：

from utime import sleep_ms, time
from _thread import start_new_thread

import usb.device
from usb.device.cdc import CDCInterface

SERIAL_TWO = None

def update():
    while True:
        print("Update: {}".format(time()), file=SERIAL_TWO, end="\r\n")
        sleep_ms(1000)

def main():
    global SERIAL_TWO
    SERIAL_TWO = CDCInterface()
    SERIAL_TWO.init(timeout=0)
    usb.device.get().init(SERIAL_TWO, builtin_driver=True)

    while not SERIAL_TWO.is_open():
        sleep_ms(100)

    start_new_thread(update, ())

    while True:
        sleep_ms(1000)

if __name__ == "__main__": main()

技术分析

根本原因

1. USB传输回调机制问题：当前USB传输回调代码在调用传输回调前就将端点标记为"空闲"(无挂起传输)，这使得回调代码可以立即提交新的传输请求。然而，在多线程环境下，另一个CPU上的线程可能看到端点空闲状态并尝试提交新传输，而此时回调尚未完成执行。

2. 竞态条件：当主线程和辅助线程同时尝试提交传输时，会出现竞态条件。辅助线程可能检测到端点空闲并提交新传输，而此时回调仍在处理中。

3. 锁机制不足：虽然CDC类使用了machine.disable_irq()和machine.enable_irq()来控制对串行缓冲区的并发访问，但这种机制无法完全防止多CPU环境下的并发问题。

解决方案

1. 回调机制重构：需要重新设计回调处理流程，确保在回调完全执行完毕前保持端点的"忙碌"状态，防止其他线程误判端点状态。

2. 增强锁机制：引入更强大的同步原语来保护共享资源，确保在多CPU环境下的线程安全。

3. 错误处理改进：增强错误恢复机制，当检测到竞态条件时能够优雅地处理而非直接抛出异常。

开发者建议

1. 临时规避方案：在问题完全修复前，建议避免在多线程环境下频繁通过CDC接口进行写入操作。

2. 版本选择：关注MicroPython的更新，该问题已在后续版本中得到修复。

3. 调试技巧：当遇到类似问题时，可以通过增加调试日志来观察USB端点的状态变化和传输提交顺序，帮助定位竞态条件发生的具体场景。

总结

USB CDC接口的多线程写入问题展示了嵌入式开发中常见的并发挑战。通过深入分析USB传输机制和线程交互模式，开发者能够更好地理解此类问题的根源，并在自己的项目中避免类似陷阱。MicroPython团队对此问题的修复也体现了对嵌入式系统并发编程复杂性的深刻理解。