USB -- STM32F103双缓冲端点讲解（续）

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前沿

1 为什么要设计双缓冲端点

2 双缓冲端点的原理

3 双缓冲端点的使用

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源码下载请参考链接：USB -- STM32-FS-USB-Device驱动代码简述（二）

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前沿

前面的章节带大家认识了Bulk传输和同步传输，STM32F103的USB为了提高Bulk和同步传输的传输效率，设计了一种双buffer的传输机制，下面就让博主为大家简单的讲解一下双缓冲端点的原理，如有错误，请大家指正。

1 为什么要设计双缓冲端点

引用STM32F103的中文手册对双缓冲端点的解释：

“USB标准不仅为不同的传输模式定义了不同的端点类型，而且对这些数据传输所需要的系统要求做了描述。其中，批量端点适用于在主机PC和USB设备之间传输大批量的数据，因为主机可以在一帧内利用尽可能多的带宽批量传输数据，使传输效率得到提高。然而，当USB设备处理前一次的数据传输时，又收到新的数据分组，它将回应NAK分组，使PC主机不断重发同样的数据分组，直到设备在可以处理数据时回应ACK分组。这样的重传占用了很多带宽，影响了批量传输的速率，因此引入了批量端点的双缓冲机制，提高数据传输率”。

当然这个解释不仅适用批量传输，同样也适用同步传输，只是同步传输没有ACK应答机制，最终的目的也是为了提高传输效率。

我们这里主要是以批量传输来讲解，同步传输类似。

2 双缓冲端点的原理

下图是普通端点的传输示意图（OUT包），正常的流程是PC下发数据到Buffer，USB读取Buffer中的数据。

但是当PC发送的数据过多和过快的时候，USB模块还没来得及取完Buffer的数据的时候，就会给PC回复NAK指令，此时PC就一直下发相同数据，直到USB把Buffer中的数据读取完回复ACK。

下图是双Buffer原理示意图（OUT包），它类似一种乒乓的概念。也就是当USB模块读取其中一个Buffer的数据的时候，另一个空闲的Buffer能够及时接收PC下发的数据。这样就能提高USB的传输效率。

可以这样理解，普通传输就像串行传输一样，需要一步一步的传输（发完之后再接，接完之后再发）；而双缓冲端点就像并行传输一样，使数据能够同时进行发送和接收（只是这里接收的数据是上一次发送的数据）。

3 双缓冲端点的使用

以下是STM32F103中文手册对双缓冲端点使用的解释：

使用双缓冲机制时，单向端点的数据传输将使用到该端点的接收和发送两块数据缓冲区。数据翻转位用来选择当前使用到两块缓冲区中的哪一块，使应用程序可以在USB模块访问其中一块缓冲区的同时，对另一块缓冲区进行操作。例如，对一个双缓冲批量端点进行OUT分组传输时，USB模块将来自PC主机的数据保存到一个缓冲区，同时应用程序可以对另一个缓冲区中的数据进行处理(对于IN分组来说，情况是一样的)。
因为切换缓冲区的管理机制需要用到所有4个缓冲区描述表的表项，分别用来表示每个方向上的两个缓冲区的地址指针和缓冲区大小，因此用来实现双缓冲批量端点的USB_EpnR寄存器必需配置为单向。所以只需要设定STAT_RX位(作为双缓冲批量接收端点)或者STAT_TX位(作为双缓冲批量发送端点)。如果需要一个双向的双缓冲批量端点，则须使用两个USB_EpnR寄存器。
为尽可能利用双缓冲的优势，达到较高的传输速率，双缓冲批量端点的流量控制流程与其他端点的稍有不同。它只在缓冲区发生访问冲突时才会设置端点为NAK状态，而不是在每次传输成功后都将端点设为NAK状态。
DTOG位用来标识USB模块当前所使用的储存缓冲区。双缓冲批量端点接收方向的缓冲区由DTOG_RX(USB_EpnR寄存器的第14位)标识，而双缓冲批量端点发送方向的缓冲区由DTOG_TX(USB_EpnR寄存器的第6位)标识。同时，USB模块也需要知道当前哪个缓冲区正在被应用程序使用，以避免发生冲突。由于USB_EpnR寄存器中有2个DTOG位，而USB模块只使用其中的一位来标识硬件所使用的缓冲区，因此，应用程序可使用另一位来标识当前正在使用哪个缓冲区，这个新的标识被称为SW_BUF位。下表列出了双缓冲批量端点在实现发送和接收操作时，USB_EPNR寄存器的DTOG位和SW_BUF位之间的关系。

缓冲区标识位	作为发送端点	作为接收端点
DTOG	DTOG_TX（USB_EPxR寄存器的第6位）	DTOG_RX（USB_EPxR寄存器的第14位）
SW_BUF	USB_EPxR寄存器的第14位	USB_EPxR寄存器的第6位

USB模块当前使用的缓冲区由DTOG位标识，而应用程序所使用的缓冲区由SW_BUF位标识，这两个位的标识方式相同，下表描述了这种标识方式。

端点类型	DTOG位	SW_BUF位	USB模块使用的缓冲区	应用程序使用的缓冲区
IN端点	0	1	ADDRx_TX_0/COUNTx_TX_0	ADDRx_TX_1/COUNTx_TX_1
	1	0	ADDRx_TX_1/COUNTx_TX_1	ADDRx_TX_0/COUNTx_TX_0
	0	0	无（1）	ADDRx_TX_0/COUNTx_TX_0
	1	1	无（1）	ADDRx_TX_0/COUNTx_TX_0
OUT端点	0	1	ADDRx_RX_0/COUNTx_RX_0	ADDRx_RX_1/COUNTx_RX_1
	1	0	ADDRx_RX_1/COUNTx_RX_1	ADDRx_RX_0/COUNTx_RX_0
	0	0	无（1）	ADDRx_RX_0/COUNTx_RX_0
	1	1	无（1）	ADDRx_RX_0/COUNTx_RX_0

?（1）端点处于NAK状态。

如果是批量传输，使用双缓存端点需要使用下列方式设置：

1. 将USB_EPnR寄存器的EP_TYPE位设为’00’，定义端点为批量端点
2. 将USB_EPnR寄存器的EP_KIND位设为’1’，定义端点为双缓冲端点