TinyUSB项目中DWC2控制器中断端点轮询间隔问题分析

问题背景

在嵌入式USB主机开发中，TinyUSB项目作为一款轻量级USB协议栈，被广泛应用于各种微控制器平台。近期在使用STM32F7系列芯片的DWC2 USB IP核时，发现了一个关于高速(HS)设备中断端点轮询间隔的问题。

问题现象

当连接一个高速USB设备时，如果该设备的中断端点配置为bInterval = 1（即每1个微帧，125μs轮询一次），在实际运行中发现该端点仅在每2个微帧（250μs）间隔时才会被轮询，特别是在收到NAK响应的情况下。

技术分析

通过调试和代码审查，发现问题出现在DWC2控制器的中断处理流程中：

1. 当前实现机制：

   • 当通道中断(Channel IRQ)检测到NAK响应并设置HALTED标志时
   • 系统会将新的IN令牌请求推迟到SOF(Start of Frame)中断处理程序中
   • 这导致实际轮询间隔变为250μs（2个微帧）

2. 时序问题：

   • 通道IRQ和SOF IRQ交替触发，间隔均为250μs
   • 但两者之间存在125μs的相位差
   • 导致整体轮询频率降低为设计值的一半

3. 根本原因：

   • 在handle_channel_in_slave函数中调用的channel_xfer_in_retry处理流程
   • 收到NAK后没有立即重新发起传输请求
   • 而是等待下一个SOF中断才重新调度

解决方案探讨

经过深入分析，提出以下改进方案：

1. 直接重试机制：

   • 在channel_xfer_in_retry处理函数中
   • 当检测到hcint & HCINT_HALTED时
   • 立即调用edpt_xfer_kickoff()发起新的传输请求
   • 而不是等待SOF中断

2. 优势分析：

   • 减少了一个微帧的等待时间
   • 使轮询频率真正达到125μs的设计要求
   • 提高中断端点的实时响应能力

3. 潜在考虑：

   • 需要评估直接重试对系统稳定性的影响
   • 考虑USB协议规定的重试时间要求
   • 确保不会违反USB规范中的时序约束

技术影响

此问题修复对以下方面有重要意义：

1. 实时性要求高的设备：

   • 如HID输入设备（键盘、鼠标）
   • 音频设备的中断传输
   • 需要快速响应的控制设备

2. 性能优化：

   • 减少数据传输延迟
   • 提高USB主机控制器的吞吐量
   • 优化系统资源利用率

3. 协议合规性：

   • 确保USB主机行为符合设备期望
   • 避免因轮询间隔不符导致的设备兼容性问题

总结

通过对TinyUSB项目中DWC2控制器中断处理流程的优化，可以有效解决高速USB设备中断端点轮询间隔不符合预期的问题。这一改进不仅提升了系统的实时性能，也增强了USB主机对各种设备的兼容性。对于需要精确控制USB传输时序的应用场景，这一修复尤为重要。