采用單片無操作系統(tǒng)的 USB 主機(jī)控制器接口設(shè)計(jì)

論文以Compaq、Microsoft 等公開的 USB 主機(jī)控制器接口規(guī)范為基礎(chǔ),遵循USB 主機(jī)的協(xié)議規(guī)范,開發(fā)了獨(dú)立于操作系統(tǒng)的USB 主機(jī)底層驅(qū)動(dòng)程序,并在S3C2410 平臺(tái)上得到了驗(yàn)證。下面詳細(xì)論述主機(jī)控制器接口規(guī)范及 驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)。

2 USB 體系結(jié)構(gòu)

USB 體系包括一系列的硬件層和軟件層,如圖1 所示。

為了實(shí)現(xiàn)其可重用性和適合嵌入式系統(tǒng)特性，圖 1 借鑒了PC 機(jī)上的USB 主機(jī)系統(tǒng)結(jié) 構(gòu)，同時(shí)對(duì)一些在嵌入式系統(tǒng)中不必要的功能進(jìn)行了取舍。用戶程序和USB 設(shè)備類驅(qū)動(dòng)通 過加工和分解IRP,構(gòu)建相應(yīng)的URB（Universal Request Block）并通過HCD(Host Controller Driver)提供的接口傳遞給主控制器驅(qū)動(dòng)程序HCD。HCD 處理URB 并建立相應(yīng)的端點(diǎn)ED 和傳輸數(shù)據(jù)TD,其基本信息包括：USB 設(shè)備地址和端點(diǎn)號(hào)、數(shù)據(jù)傳輸類型、最大包長度、傳輸 方向、傳輸速度和內(nèi)存緩沖區(qū)地址等,細(xì)節(jié)在下文介紹。然后啟動(dòng)HC(Host Controller)進(jìn)行數(shù) 據(jù)傳輸。HCD 還負(fù)責(zé)主機(jī)控制器HC 的管理,通過一組硬件寄存器來控制HC。HC 通過USB 總線與設(shè)備相連,在HCD 的控制下處理數(shù)據(jù)的輸入輸出。HC 還提供協(xié)議引擎、差錯(cuò)處理、 遠(yuǎn)程喚醒、幀產(chǎn)生等功能。

HC 是USB 主機(jī)系統(tǒng)的硬件核心,它位于USB 協(xié)議棧中最低層,HC 向上提供一個(gè)接口 規(guī)范HCI(Host Controller Interface),HCD 是此接口的具體實(shí)現(xiàn)。目前USB 的HC 芯片組有三 種,而隨之對(duì)應(yīng)的HCI 也有三種:EHCI(Enhanced Host ControllerInterface);OHCI(Open Host Controller Interface);UHCI(Universal Host Controller Interface)。論文將以嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)用較 多的OHCI 為例,介紹接口規(guī)范和驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)細(xì)節(jié)。

3 HCD 的實(shí)現(xiàn)

USB 主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)程序（HCD）是USB 軟件協(xié)議棧最底層一部分。HCD 向上僅對(duì) USBD 提供服務(wù)，HCD 提供一個(gè)軟件接口，即HCDI(HCD Interface)，接受USBD 的調(diào)用和 管理。HCD 通過HC 的操作寄存器和通信域來管理HC 和實(shí)現(xiàn)USB 數(shù)據(jù)的傳輸。HCD 具體 實(shí)現(xiàn)如下：

3.1 HCD 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建

HCD 主要構(gòu)建的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有端點(diǎn)描述符ED(Endpoint Descriptor)、傳輸描述符TD(Transfer Descriptor)。

3.1.1 ED（Endpoint Descriptor）

在OHCI 上，每個(gè)ED 對(duì)應(yīng)一個(gè)USB 設(shè)備端點(diǎn)，不同的設(shè)備端點(diǎn)擁有不同的ED。同種 傳輸類型的ED 組成一鏈表，OHCI 有三種ED 鏈表：控制傳輸數(shù)據(jù)鏈表、批量傳輸數(shù)據(jù)鏈 表和周期性數(shù)據(jù)鏈表（中斷數(shù)據(jù)傳輸和等時(shí)數(shù)據(jù)傳輸同屬此類），HC 通過相應(yīng)的操作寄存 器訪問各個(gè)鏈表。每個(gè)ED 是4 個(gè)32 位數(shù)組成的結(jié)構(gòu)。如下表：

程序中的ED 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義如下：

struct ed {

U32 hwINFO;//ED 的配置位圖

U32 hwTailP;//指向該ED 相關(guān)TD 鏈的最后一個(gè)TD

U32 hwHeadP;//指向該ED 相關(guān)TD 鏈的首TD

U32 hwNextED;//指向下個(gè)ED

//以下部分只是供HCD 使用

struct ed *ed_prev;//指向前個(gè)ED

U8 state;//ED 的狀態(tài)（ed_new,ed_unlink,ed_oper,ed_del,ed_urb_del）

U8 type;//傳輸類型（pipe_control,pipe_bulk,pipe_interupt,pipe_iso）

struct ed *ed_rm_list;//指向移除的ED 鏈

struct usb_device *usb_dev;//對(duì)應(yīng)的USB 設(shè)備

void *purb;//指向相應(yīng)的urb

//以下用于處理周期性鏈表

U8 int_branch;

U8 int_load;

U8 int_interval;

U16 last_iso;

};

3.1.2 TD(Transfer Descriptor)

TD 是個(gè)定長數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，HC 通過訪問TD 來獲取相關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸緩沖區(qū)和一些標(biāo)志信 息等。傳輸描述符TD 包括兩種：通用TD（General TD）和等時(shí)TD(Isochronous TD)，GTD 用來支持USB 的中斷、批量、控制三種數(shù)據(jù)傳輸方式，ITD 用來支持USB 等時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。 GTD 是個(gè)有4 個(gè)32 位數(shù)組成的數(shù)據(jù)區(qū)，而ITD 則是有8 個(gè)32 位數(shù)組成的數(shù)據(jù)區(qū)。由于篇 幅限制程序中的TD 結(jié)構(gòu)就不多敘。

3.2 HCD 與USBD 接口的實(shí)現(xiàn)

HCD 向USBD 提供了以下三個(gè)接口函數(shù)，USBD 通過這些接口函數(shù)訪問主機(jī)控制器。定 義如下：

U32 get_frame_number(struct usb_device*usb_dev);//讀取主機(jī)控制器幀數(shù)目

U32 ohci_submit_urb (struct urb *urb);//提交一個(gè)urb 給HCD

U32 ohci_unlink_urb (struct urb *urb)//從HCD 上取消一個(gè)已提交的urb

當(dāng)USBD對(duì)來自上層的IRP 請(qǐng)求包處理并建立URB后，通過接口函數(shù)ohci_submit_urb( ) 向HCD 傳遞URB。ohci_submit_urb()先獲得或分配相應(yīng)的ED 并做一些與ED 相關(guān)的配置處 理，分配所需數(shù)目的TD。然后調(diào)用td_submit_urb()處理與TD 相關(guān)的操作，最后將由HC 執(zhí)行相應(yīng)的傳輸處理。