STM32MP1x USB OTG Gadget FIFO 设置

STM32MP1x 的 USB‑OTG 工作在 Gadget（外设）模式时，硬件拥有 4KB（1024 个 32bit 字）专用 FIFO‑RAM，供 USB 端点收发数据包使用。默认设备树 FIFO 参数仅适配单 USB 功能；当搭建复合 USB 设备（多 ACM、NCM、RNDIS 等多个功能同时启用），默认 FIFO 分配不足，会出现丢包、USB 枚举失败、大数据传输卡顿、BULK 吞吐量下降等疑难现象。

LAT6041 文档讲解 DWC2 控制器 FIFO 硬件架构、内存计算公式、设备树 DTS 三个关键属性配置方法，并且给出「1 路 NCM+3 路 ACM」复合设备完整调参示例。本文梳理硬件原理、计算规则、DTS 配置、踩坑排错要点。

单位重要提示：DTS 中 FIFO 配置单位是32bit 字，不是字节；1 字 = 4 字节，计算时必须做换算。

资料获取：实战经验 | LAT6041 STM32MP1x USB OTG FIFO设置_v1.0

1. OTG 外设模式 FIFO 硬件架构

STM32MP1 OTG 硬件 FIFO 内存总大小：4096 字节，等价1024个32bit字。其中 9 个 DMA 通道（1RX+8TX）固定占用每个通道 8 个字，合计占用 72 个字；实际可分配给 USB FIFO 的总资源 = 952 个字，所有 RX、TX FIFO 总和不能超过 952 字。

外设模式 FIFO 关键特性

所有 OUT 端点共享唯一 Rx‑FIFO 全部 OUT 端点共用接收缓冲区，寄存器OTG_GRXFSIZ控制 Rx‑FIFO 大小；FIFO 填满之后，后续 USB 包会直接返回 NAK 握手，造成丢包。
每一个 IN 端点拥有独立 Tx‑FIFO EP0 控制端点使用OTG_DIEPTXF0；EP1‑EP7 共 7 个 IN 端点各自拥有独立 TxFIFO 寄存器；
区分周期性端点、非周期性端点
- 周期性：中断、同步 (Isochronous) 端点；
- 非周期性：Bulk 批量、控制传输端点。

硬件寄存器与设备树 DTS 映射

OpenST‑Linux 内核 DWC2 驱动不直接操作寄存器，通过设备树三个属性完成 FIFO 划分：

DTS 属性	含义（单位：32bit 字）	对应硬件
`g‑rx‑fifo‑size`	全部 OUT 端点共享接收 FIFO 大小	OTG_GRXFSIZ
`g‑np‑tx‑fifo‑size`	非周期性 TX FIFO，主要用于 EP0 控制端点	OTG_DIEPTXF0
`g‑tx‑fifo‑size`	数组，共 8 个值，依次分配 EP1~EP7 IN 端点周期性 FIFO	OTG_DIEPTXF1‑7

注意：g‑tx‑fifo‑size数组 8 个成员，每个成员最小强制 16 字，即使该端点没有被使用；内核启动时会自动遍历数组，为 Gadget 功能自动匹配大于等于端点 MaxPacket 的 FIFO 资源，不需要人为绑定端点序号。

2. FIFO 最小空间计算公式

2.1 Rx‑FIFO（共享接收缓冲区）

Rx‑FIFO 除数据包之外，还必须预留 SETUP 包、NAK 状态、每个包附带状态描述符空间。
参考最小计算公式： RxFIFO = (5*控制端点数量+8) + ((最大数据包大小/4)+1) + 2*OUT端点数量+1

如果存在多个等时端点，建议放大为 2 倍(最大数据包/4+1)，防止连续数据包溢出丢包。

2.2 Tx‑FIFO（IN 端点发送缓冲区）

每个 IN 端点 TxFIFO 最小：TxFIFO = MaxPacketSize / 4；工程实践建议取 2 倍值，提升高速传输稳定性。
MaxPacketSize 为 USB 端点最大包大小，高速 Bulk 端点典型 512 字节，换算字：512 /4 = 128字；通知中断端点 64 字节换算：64/4=16字，一般工程取 32 字留裕量。

3. 实战案例：NCM + 三路 ACM 复合设备

业务需求：单 OTG 实现 1 个 NCM 网络接口 + 3 个 ACM 虚拟串口复合设备。

NCM：1 个 OUT，2 个 IN；Bulk IN 最大包 512 字节（需要≥128 字）；Notify 中断 IN 最大包 64 字节（建议 32 字）。
每一路 ACM：1 个 OUT，2 个 IN；Bulk IN 最大包 512 字节，需要≥128 字；Notify 通知 IN 64 字节。
合计：一共4 路 Bulk IN 端点，每一路都至少 128 字，其余通知中断端点使用 32 字。

DTS 配置计算

g‑np‑tx‑fifo‑size：EP0 控制端点，MaxPacket=64 字节，设置32字；
g‑tx‑fifo‑size数组：4 个 128 字 + 4 个 32 字：<128 128 128 128 32 32 32 32>
总消耗：32 + (128*4)+(32*4)= 672字；剩余资源分配给g‑rx‑fifo‑size，设置 256 字；
总和：256+32+672 = 960，接近硬件上限 952，微调为 256，满足整套复合设备。

修改 dts 片段示例（stm32mp135f‑dk.dts）

&usbotg_hs {
    phy‑names = "usb2‑phy";
    usb‑role‑switch;
    status = "okay";
    g‑rx‑fifo‑size = <256>;
    g‑np‑tx‑fifo‑size = <32>;
    g‑tx‑fifo‑size = <128 128 128 128 32 32 32 32>;
};

该配置已经耗尽硬件绝大多数 FIFO 资源，这也是 STM32MP1 单 OTG 硬件可以支撑的最大复杂度 Gadget 复合设备配置。

4. 工程落地排查清单

复合 Gadget 枚举失败，dmesg 打印 dwc2 fifo 资源不足
- 检查全部 FIFO 字总和，必须≤952；
- 检查g‑tx‑fifo‑size数组 8 个成员，每个数值不能小于 16，未使用端点也要填 16 及以上；
- Bulk 高速端点 512 字节 MaxPacket，FIFO 至少配置 128 字。
USB 可以枚举，但是大吞吐量传输随机丢包，偶发 NAK
- Rx‑FIFO 分配过小，增大g‑rx‑fifo‑size；多等时端点场景建议按照 2 倍数据包空间分配；
- 核对 IN 端点 TxFIFO，只配置理论最小值容易出现传输不稳定，建议放大到 2 倍 MaxPacket/4。
修改 DTS 之后，参数没有生效
- 确认编译更新 dtb 设备树二进制；确认 Bootloader 加载的是新 dtb；
- 内核 dmesg 日志可以打印 dwc2 的 FIFO 分配统计，确认参数是否被内核读取。
单 Gadget 功能（RNDIS 或者 ACM）工作正常，叠加第二个 Gadget 立刻异常
- 默认 DTS 的 FIFO 偏向单设备，IN 端点大部分 FIFO 资源分配给第一个端点；复合设备场景需要重新均分g‑tx‑fifo‑size数组。

5. 小结

STM32MP1 OTG‑Gadget 模式，FIFO 总可用资源 952 个 32bit 字，DTS 属性全部以字为单位，不是字节；OUT 端点共享 Rx‑FIFO，每个 IN 端点拥有独立 Tx‑FIFO。
三个 DTS 属性：g‑rx‑fifo‑size、g‑np‑tx‑fifo‑size、g‑tx‑fifo‑size[8]；数组 8 项，每项最小 16 字；内核自动为 Gadget 端点匹配 FIFO，无需硬编码绑定端点编号。
复合 USB 设备（NCM + 多路 ACM）需要重新做资源预算，不能沿用出厂默认 DTS 配置；文中示例为单 OTG 硬件能力上限的复合配置。
Rx‑FIFO 除数据包之外，还需要预留 SETUP 包、状态描述符；多等时端点建议放大接收缓冲区，避免 NAK 丢包。

6. FAQ

Q：g‑tx‑fifo‑size 数组顺序是否必须和 USB 端点编号一一对应？

A：不需要。内核遍历数组，自动挑选大于等于该端点 MaxPacketSize 的 FIFO 资源分配给 IN 端点，顺序无关，只要数组内存在满足大小的数值即可。

Q：如果 g‑tx‑fifo‑size 里面某个值小于端点 MaxPacket/4 会发生什么？

A：Gadget 功能初始化失败，dmesg 会打印 FIFO 资源不足，USB 复合设备枚举失败。

Q：主机模式下，这套 FIFO 配置是否生效？

A：本文只针对 Gadget 外设 (Device) 模式；Host 主机模式 FIFO 组织架构完全不同，DTS 这几个属性不会生效。免责声明：本文全部基于 ST 官方 LAT6041 文档；实际项目以 OpenST‑Linux 内核 dwc2 绑定文档、硬件手册为准。